DE102005034542B4

DE102005034542B4 - Faserverbundbauelement und Verfahren zur Herstellung hierzu

Info

Publication number: DE102005034542B4
Application number: DE200510034542
Authority: DE
Inventors: Andreas Brosinger; Lars Herbeck
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2005-07-23
Filing date: 2005-07-23
Publication date: 2009-07-30
Anticipated expiration: 2025-07-24
Also published as: DE102005034542A1

Abstract

Faserverbundbauelement (1) mit zwei über ein elastisches Gelenkelement (4) miteinander verbundenen Faserverbundteilen (2a, 2b), wobei die Faserverbundteile (2a, 2b) mit dem Gelenkelement (4) ein im Injektionsverfahren erstelltes integrales Bauelement bilden und sich mindestens eine Faserlage (5) durch das Gelenkelement (4) hindurch in beide Faserverbundteile (2a, 2b) erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass das Gelenkelement (4) Elastomerschichten (6a, 6b) auf der Oberseite und/oder Unterseite der sich zwischen den Faserverbundteilen (2a, 2b) erstreckenden mindestens einen Faserlage hat.

Description

Die Erfindung betrifft ein Faserverbundbauelement nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauelementes mit zwei sich über ein elastisches Gelenkelement miteinander verbundenen Faserverbundteilen.
Faserverbundbauelemente werden in vielfältiger Form eingesetzt. Faserverbundbauelemente haben Faserlagen aus miteinander verwobenen Fasern, die in einer Harz-Härter-Matrix eingebettet sind.
Die Herstellung von Faserverbundbauelementen erfolgt beispielsweise mittels Vakuuminfusionsverfahren, bei dem mit Härter versehener Harz in die ggf. mindestens einen Kernwerkstoff aufweisende Sandwichstruktur injiziert wird. Dabei wird die Sandwichstruktur in ein Vakuum gebracht, so dass das Harz-Härtermaterial mit Hilfe des Vakuums die Sandwichstruktur vollkommen durchtränkt.
Um mindestens zwei Faserverbundteile miteinander gelenkig zu verbinden, können Befestigungselemente in die Faserverbundteile mit eingebaut werden, an die ein Ge lenkelement angebracht werden kann. Dies erfordert jedoch zusätzliche Montageschritte. Zudem ist die Struktur aufgrund des mehrteiligen Aufbaus nicht optimal.
Aus der DE 102 53 466 B3 ist ein Presswerkzeug zum Herstellen eines Kunststoffbauteils mit einer integrierten Klappe bekannt, wobei die Klappe an der einen Seite mittels eines Scharniers an dem Kunststoffbauteil befestigt ist. In einer besonderen Ausführungsform ist das Scharnier als Kunststoff-Gewebeband ausgebildet, das beim Herstellen des Kunststoffbauteils in dessen Material eingebettet wird.
Weiterhin ist aus der EP 0 159 485 A1 ein Verfahren zur Herstellung von schalen- oder rohrartigen Formkörpern aus mit Kunststoffharzbindern formstabilisierter Mineralbaumwolle bekannt, bei dem die Formkörper aus zwei Formkörperhälften bestehen, die über eine Gelenkverbindung miteinander verbunden sind und nach dem Herstellungsprozess zu den Formkörpern zusammengekoppelt werden. Die Gelenkverbindung wird dabei integral ausgebildet, in dem an den betreffenden Stellen die Mineralwolle hoch verdichtet wird, ohne dass diese durchtrennt wird.
Aufgabe der Erfindung ist es daher ein verbessertes Faserverbundbauelement zu schaffen, bei dem Faserverbundteile bei der Herstellung mit einem elastischen Gelenkelement ein integrales Bauelement bilden.
Die Aufgabe wird mit dem Faserverbundbauelement mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
Durch das Einbauen des elastischen Gelenkelementes in die Faserverbundteile werden bereits vor der Injektion der Harz-Härter-Matrix und Bildung eines integralen Bauelementes hierdurch erreicht, dass die zu verbindenden Faserverbundteile nicht mehr einzeln gefertigt und anschließend durch Montage des elastischen Gelenkelementes zusammengefügt werden müssen.
Aufgrund der unterschiedlichen Materialien der Faserverbundteile und des elastischen Gelenkelementes treten jedoch Probleme bei der Verbindung des elastischen Gelenkelementes mit den Faserverbundteilen auf, so dass die elastischen Gelenkelemente eine geringere Haftung an den Faserverbundteilen haben. Zudem ist die Kraftübertragung durch das elastische Gelenkelement beeinträchtigt, da diese in der Regel in Kraftrichtung eine Verformung zulassen.
Das integrale Bauelement wird daher so gebildet, dass sich mindestens eine Faserlage durch das Gelenkelement hindurch in beide Faserverbundteile erstreckt. Hierdurch werden mehrere Vorteile miteinander kombiniert. Zum einen wird das elastische Gelenkelement mit Hilfe der mindestens einen sich durch das Gelenkelement hindurch in beide Faserverbundteile erstreckenden Faserlage mit einer durchgehenden Faserverstärkung versehen, die einen Kraftfluss durch das Gelenkelement er möglicht. Die zusätzliche mindestens eine Faserlage führt zudem zu einer besseren Halterung des elastischen Gelenkelementes.
Vorteilhaft ist es, dass das Gelenkelement Elastomerschichten auf der Oberseite und/oder Unterseite der sich zwischen den Faserverbundteilen erstreckenden mindestens einen Faserlage hat. Damit können verschiedene Kraftverhältnisse in die jeweilige Biegerichtung realisiert werden. Die verschiedenen Kraftverhältnisse können zudem durch unterschiedliche Elastomermengen oberhalb und unterhalb der integrierten Faserlage eingestellt werden.
Die Faserverbundteile sind in einer bevorzugten Ausführungsform Sandwichstrukturen mit mindestens einem Kernwerkstoff, der durch Faserhalbzeug abgedeckt ist.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn mindestens die sich durch das Gelenkelement erstreckende Faserlage Kohlefasern enthält. Die Verwendung von Kohlefasern als Faserlage im Gelenkelement hat den Vorteil, dass eine Längenänderung bei Belastung des Faserverbundbauelementes weitgehend ausgeschlossen werden kann.
Aufgrund der verbesserten Biegesteifigkeit ist es besonders vorteilhaft, wenn die sich durch das Gelenkelement erstreckende Faserlage Aramid enthält. Für eine preiswerte Ausführung ist eine glashaltige Faserlage vorteilhaft.
Aufgabe der Erfindung ist es weiterhin, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Faserverbundbauelementes anzugeben. Dabei sind die besonderen Anforderungen an das Injektionsverfahren zu berücksichtigen.
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauelementes mit zwei sich über ein elastisches Gelenkelement miteinander verbundenen Faserverbundteilen gelöst durch:

a) Einlegen eines Faserhalbzeugs in eine trockene Faserhalbzeugstruktur jeweils für die beiden Faserverbundteile derart, dass sich das Faserhalbzeug zwi schen den Faserhalbzeugstrukturen erstreckt und ein Bereich für das Gelenkelement frei bleibt;
b) Auflegen eines elastischen Körpers auf die Oberseite und/oder Unterseite des Faserhalbzeugs im für das Gelenkelement frei gebliebenen Bereich; und
c) Einbringen von mindestens einer harzhaltigen Komponente mit Hilfe eines Vakuuminjektionsverfahrens in die im Schritt a) und b) erstellte Halbzeugstruktur zur Herstellung des mit einem Gelenk versehenen integralen Faserverbundbauelementes.

Die Reihenfolge der Schritte a) und b) ist beliebig, so dass auch ein Halbzeug bestehend aus dem trockenen Faserhalbzeug und dem bereits mit dem Faserhalbzeug verbundenen elastischen Körper in die trockene Faserhalbzeugstruktur eingelegt werden kann.
Durch das sich zwischen Faserhalbzeugstrukturen erstreckende Faserhalbzeug und Abdecken desselben mindestens auf einer Seite wird erreicht, dass das Faserhalbzeug eine ausreichende Flexibilität hat und dennoch eine gute Verbindung des elastischen Körpers mit den Faserverbundteilen und ein Kraftfluss durch das Gelenk sichergestellt ist.
Als elastischer Körper wird vorzugsweise ein Elastomerhalbzeug eingesetzt. Die Dicke der elastischen Körper auf der Oberseite und/oder Unterseite des Faserhalbzeugs wird dabei in Abhängigkeit von der geforderten Biegesteifigkeit des Gelenkelementes gewählt, so dass die Eigenschaft des elastischen Gelenkelementes auf einfache Weise festgelegt werden kann.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit den beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 Skizze eines Querschnitts eines Faserverbundbauelementes mit zwei über ein elastisches Gelenkelement miteinander verbundenen Faserverbundteilen;
2 Skizze einer perspektivischen Ansicht eines Faserverbundbauelementes in Sandwichstruktur;
3 Skizze einer Querschnittsansicht des Faserverbundbauelementes aus 2 in der ausgelenkten Position.
Die 1 lässt eine Skizze einer Querschnittsansicht eines Faserverbundbauelementes 1 erkennen, das zwei Faserverbundteile 2a, 2b jeweils mit einer oberen Faserlage 3a und einer unteren Faserlage 3b hat. Die beiden Faserverbundteile 2a, 2b sind mit einem elastischen Gelenkelement 4 so miteinander verbunden, dass eine Gelenkverbindung in definierter Auslenkrichtung und mit definierter Biegesteifigkeit erzielt wird. Hierzu ist eine durchgehende Faserlage 5 vorgesehen, die sich durch das Gelenkelement 4 hindurch in die beiden Faserverbundteile 2a, 2b hinein erstreckt. Die durchgehende Faserlage 5 ist mit Elastomerschichten 6a auf der Oberseite und 6b auf der Unterseite abgedeckt. Durch unterschiedliche Stärken der oberen Faserlage 3a und entsprechender Stärke der oberen Elastomerschicht 6a und unteren Faserlage 3b und entsprechender Stärke der Elastomerschicht 6b kann die Biegesteifigkeit eingestellt werden.
Das in der 1 skizzierte Halbzeug wird nach entsprechender Zusammenstellung der Faserlagen 3a, 3b, der durchgehenden Faserlage 5 und der Elastomerschichten 6a, 6b in einem an sich bekannten Vakuuminjektionsverfahren zu einem integrierten Faserverbundbauelement verarbeitet. Hierzu wird Harz-Härter-Material mit Hilfe eines Vakuums durch die Halbzeugstruktur gezogen.
Hierbei wird mit Hilfe der durchgehenden Faserlage 5 erreicht, dass die Elastomerschichten 6a, 6b optimal an dem Faserverbundbauelement 1 haften, auch wenn an sich die Haftung von Elastomermaterial im Vergleich zu Fasermaterial erheblich eingeschränkt ist.
Die 2 lässt eine Skizze einer perspektivischen Ansicht eines Faserverbundbauelementes erkennen, bei der der im Unterschied zu der Ausführungsform in der 1 ein Kernwerkstoff 7 in den Faserverbundteilen 2a, 2b vorgesehen ist. Der Kernwerkstoff 7 wird durch die obere und untere Faserlage 3a, 3b abgedeckt. Dabei erstreckt sich die durchgehende Faserlage 5 unterhalb der unteren Faserlage 3b der Faserverbundteile 2a, 2b und unterhalb einer darüber befindlichen Elastomerschicht 6a.
Es ist aus der 1 auch erkennbar, dass sich die Elastomerschichten 6a, 6b ebenfalls ein wenig in die Faserhalbzeuge 2a, 2b zwischen der durchgehenden Faserlage 5 und den Faserlagen 3a bzw. 3b hinein erstrecken. Hierdurch wird eine mechanische Halterung der Elastomerschichten 6a, 6b über die Haftung hinaus erreicht.
Die 3 lässt das Faserverbundbauelement 1 aus der 2 in der ausgelenkten Position erkennen. Es wird deutlich, dass der elastische Körper 6a verbogen und zusammengedrückt wird. Die durch den elastischen Körper 6a in Verbindung mit der durchgehenden Faserlage 5 festgelegter Biegesteifigkeit legt das Biegeverhalten des Faserverbundbauelementes 1 fest. Aufgrund der durchgehenden Faserlage 5 ist ein Kraftfluss durch das elastische Gelenkelement 4 sichergestellt.
Ein oben beschriebenes Faserverbundelement 1 kann insbesondere im Flugzeugbau zur Realisierung von Ruderklappen, Türen oder sonstigen beweglichen Teilen aus Faserverbundwerkstoff eingesetzt werden. Weitere Anwendungen sind insbesondere im Bereich von adaptiven Strukturen denkbar.

Claims

Faserverbundbauelement (1) mit zwei über ein elastisches Gelenkelement (4) miteinander verbundenen Faserverbundteilen (2a, 2b), wobei die Faserverbundteile (2a, 2b) mit dem Gelenkelement (4) ein im Injektionsverfahren erstelltes integrales Bauelement bilden und sich mindestens eine Faserlage (5) durch das Gelenkelement (4) hindurch in beide Faserverbundteile (2a, 2b) erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass das Gelenkelement (4) Elastomerschichten (6a, 6b) auf der Oberseite und/oder Unterseite der sich zwischen den Faserverbundteilen (2a, 2b) erstreckenden mindestens einen Faserlage hat.
Faserverbundbauelement (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserverbundteile (2a, 2b) Sandwichstrukturen sind.
Faserverbundbauelement (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die sich durch das Gelenkelement (4) erstreckende Faserlage (5) Kohlefasern, Aramid und/oder Glas enthält.
Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauelementes (1) mit zwei sich über ein elastisches Gelenkelement (4) miteinander verbundenen Faserverbundteilen (2a, 2b), gekennzeichnet durch a) Einlegen eines Faserhalbzeugs in eine trockene Faserhalbzeugstruktur jeweils für die beiden Faserverbundteile (2a, 2b) derart, dass sich das Faserhalbzeug zwischen den Faserhalbzeugstrukturen erstreckt und ein Bereich für das Gelenkelement (4) frei bleibt; b) Auflegen eines elastischen Körpers auf die Oberseite und/oder Unterseite des Faserhalbzeugs im für das Gelenkelement (4) frei gebliebenen Bereich; und c) Einbringen von mindestens einer harzhaltigen Komponente mit Hilfe eines Vakuuminjektionsverfahrens in die im Schritt a) und b) erstellte Halbzeugstruktur zur Herstellung des mit einem Gelenk versehenen integralen Faserverbundbauelementes.
Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch Auflegen eines Elastomerhalbzeuges als elastischen Körper.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des elastischen Körpers in Abhängigkeit von der geforderten Biegesteifigkeit des Gelenkelementes (4) gewählt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, gekennzeichnet durch Verwenden von Sandwichstrukturen mit von Faserlagen (5) abgedecktem Kernelement als Faserhalbzeugstrukturen.
Verfahren nach einem Ansprüche 4 bis 7, gekennzeichnet durch Einlegen einer Kohlefaser, Aramid und/oder Glas enthaltenen Faserlage als sich durch das Gelenkelement (4) erstreckende Faserlage (5).