DE102006001444A1 - Verbundwerkstoff - Google Patents
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Abstract
Bei einem Verbundwerkstoff aus mehreren Faserverbundschichten (2) und in einem Verstärkungsbereich (3) mit wenigstens einer Verstärkungsschicht (5) aus einem die Faserverbundschichten (2) verstärkenden Material lässt sich eine günstigere Kraftüberleitung in die Verstärkungsschicht (5) erreichen und die Größe von Delaminationen begünstigenden Spannungsspitzen dadurch verringern, dass die Verstärkungsschicht (5) wenigstens einen Verstärkungsabschnitt und wenigstens einen Endbereich (8) aufweist und nur in dem Endbereich (8) durch lokale Materialsausnehmungen geschwächt ausgebildet ist, wobei die Schwächung zu einer Endkante (9) des Endbereichs (8) hin zunimmt.
Description
- Die Erfindung betrifft einen Verbundwerkstoff aus mehreren Faserverbundschichten und in einem Verstärkungsbereich mit wenigstens einer Verstärkungsschicht aus einem die Faserverbundschichten verstärkenden Material.
- Es ist bekannt, in Faserverbundlaminate dieser Art beispielsweise Metallbleche zu integrieren, um bestimmte schwache Eigenschaften von Faserverbundlaminaten zu kompensieren. Hierzu gehören Lochleibungsfestigkeit und Scherfestigkeit, die für eine leistungsfähige Verbindung des Faserverbundlaminats an angrenzende Strukturen, insbesondere mittels Niet- und Bolzenverbindungen, ausschlaggebend sind. Ferner werden in Faserverbundlaminate Verstärkungsschichten eingesetzt, um die Temperaturfestigkeit zu erhöhen. Da derartige Verstärkungsschichten regelmäßig nur lokal eingesetzt werden, entstehen Sekundäreffekte an den Rändern der eingesetzten Verstärkungsschicht infolge von Lastumleitungen und Lastverteilungen von dem Faserverbundlaminat außerhalb des Verbindungsbereichs zum Faserverbund-Hybridmaterial im Verbindungsbereich. Die eingesetzten Verstärkungsschichten, insbesondere in Form von Metallblechen, erzeugen an den Rändern, insbesondere an den senkrecht zur Hauptlast orientierten Rändern, erhebliche interlaminare Schubspannungsspitzen, die durch Lasteinleitungen oder infolge thermischer Residualspannungen entstehen. Derartige Schubspannungs spitzen können die Ursache für auftretende Delaminationen zwischen den Verstärkungsschichten und den benachbarten Faserverbundschichten sein und somit zum frühzeitigen Bauteilversagen führen.
- Es ist bekannt, Spannungsspitzen an freien Rändern von geklebten Verbindungen durch den Einsatz eines zähelastischen Klebstoffes zu vermeiden. Diese Methode kommt nicht in Frage, wenn die Verbindung der Verstärkungsschicht mit den Faserverbundschichten nicht durch einen Klebstoff erfolgt, sondern durch das Harz der Faserverbundschichten.
- Es ist ferner bekannt, den Steifigkeitssprung am Rand der Überlappung des Verstärkungsmaterials mit den Faserverbundschichten dadurch gering zu halten, dass die Ränder der geklebten Substrate auslaufend ausgeführt werden. Die Dicke eines Verstärkungsbleches kann somit vom Rand zur Richtung Blechmitte langsam und stetig zunehmen. Dieses Verfahren ist jedoch nur anwendbar, wenn eine gewisse Mindestdicke der eingesetzten Bleche gegeben ist. Für den häufigen Fall des Einsatzes dünner Verstärkungsschichten ist dieses Verfahren daher nicht anwendbar.
- Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die durch die Integration der Verstärkungsschicht in das Faserverbundmaterial auftretende Delaminationsgefahr durch Spannungsspitzen o. ä. deutlich zu verringern.
- Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß ein Verbundwerkstoff der eingangs erwähnten Art dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsschicht wenigstens einen Verstärkungsabschnitt und wenigstens einen Endbereich aufweist und nur in dem Endbereich durch lokale Materialausnehmungen geschwächt ausgebildet ist, wobei die Schwächung zu einer Endkante des Endbereichs hin zunimmt.
- Die erfindungsgemäße Verstärkungsschicht ist somit zum Rand hin außerhalb des Verstärkungsbereichs gezielt geschwächt ausgebildet, sodass das Material in dem Endbereich ein weicheres Verhalten aufweist, ohne selbst durch eine Dickenverringerung oder eine Materialveränderung angepasst worden zu sein. Die Schwächung wird durch die Ausnehmungen zu einer Endkante hin vergrößert, sodass sich eine progressive Zunahme der Schwächung zum Rand der Verstärkungsschicht hin ergibt. Anders ausgedrückt wird die Verstärkungsschicht zum Verstärkungsbereich hin progressiv steifer. Ist der Verstärkungsbereich als Verbindungsbereich mit einer Bohrung für eine Niet- oder Bolzenverbindung vorgesehen, entsteht im Bereich der Bohrung die höchste Tragfähigkeit des Verstärkungsmaterials.
- Bevorzugt sind im Endbereich der Verstärkungsschicht mehrere Abschnitte vorgesehen, die die zur Endkante hin eine zunehmende Schwächung aufweisen. Diese Schwächung wird vorzugsweise durch zur Endkante hin größere Ausnehmungen bewirkt, sodass die Anzahl der Ausnehmungen in jedem Abschnitt etwa gleich gewählt sein kann. Selbstverständlich ist es alternativ oder ergänzend auch möglich, die angestrebte Schwächung im Endbereich über eine Variation der Anzahl der Ausnehmungen herbeizuführen. Die Ausnehmungen können lokale Materialverdünnungen bilden oder durchgehende Ausnehmungen sein, die regelmäßig durch Durchgangslöcher gebildet sind, aber auch zur Endkante hin offen sein und somit eine Art Zahnung bilden können.
- Die Abschnitte mit zunehmender Schwächung können zur Endkante hin ineinander übergehen, um so die progressive Verringerung der Steifigkeit der Verstärkungsschicht zu gewährleisten. Die Form der Abschnitte wird dabei an die Form der Verstärkungsschicht angepasst. Bei einer rechteckigen Verstärkungsschicht, insbesondere in Form eines Metallbleches, werden sich die Abschnitte mit zunehmender Schwächung parallel zueinander über die Breite der Verstärkungsschicht erstrecken und parallel zu einer Endkante verlaufen. Bei einer eher runden Verstärkungsschicht werden die Abschnitte kreisringförmig ausgebildet sein.
- Die in dem Endbereich vorhandenen Ausnehmungen können in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dazu benutzt werden, die Verankerung der Verstärkungsschicht in dem Faserverbundmaterial dadurch zu verbessern, dass die Durchgangslöcher mit Harz wenigstens einer benachbarten Faserverbundschicht gefüllt sind, sodass sich in den Löchern jeweils ein Effekt eines Niets ergibt, wie dies grundsätzlich durch SU 2043885 bekannt ist. Die Füllung der Ausnehmungen kann mit dem in der Faserverbundschicht verwendeten Harz vor dem Einbringen in das Faserverbundmaterial erfolgen, bevorzugt ist jedoch die Ausbildung, in der Füllung der Durchgangslöcher mittels einer Verflüssigung des Harzes der benachbarten Faserverbundschicht erfolgt ist.
- Die erfindungsgemäße Ausbildung der Verstärkungsschicht hat zur Folge, dass die Last in die Verstärkungsschicht progressiv übertragen wird. In dem durch Schwächungen ungestörten Verstärkungsbereich hat die Verstärkungsschicht ihre volle Festigkeit und kann die lediglich progressiv eingeleitete Kraft vollständig aufnehmen und beispielsweise über das Verbindungsmittel übertragen.
- Die erfindungsgemäße Ausbildung der Verstärkungsschicht verhindert die frühzeitige Delamination des Faserverbundmaterils durch die Verminderung von Spannungsspitzen einerseits und ggf. durch die formschlüssige Verbindung der Verstärkungsschicht mit dem Harz der angrenzenden Faserverbundschichten durch die Durchgangslöcher hindurch.
- Die Füllung der Durchgangslöcher mit dem Harz wird vollständig erfolgen, wenn zur Herstellung des Faserverbundmaterials eine Injektion des Harzes vorgenommen wird. Bei der Verwendung von Prepregmaterial kann es zweckmäßig sein, die Perforationslöcher vorab mit Harz zu bestreichen, um so eine vollständige Befüllung zu ermöglichen.
- Die erfindungsgemäße Ausbildung eines Endbereichs mit einer Schwächung kann auch dann sinnvoll sein, wenn über den betroffenen Endbereich keine Lasteinleitung erfolgt, weil die erfindungsgemäße Schwächung des Randbereichs auch bewirkt, dass Randschubspannungen an den freien Rändern beispielsweise infolge unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen Verstärkungsschicht und Faserverbundschicht vermindert werden. Dies ist insbesondere für Metallbleche als Verstärkungsschichten von Bedeutung.
- Die Durchgangslöcher können eine beliebige Form aufweisen. Sie können als Langlöcher, Dreieckslöcher, Trapezlöcher usw. ausgebildet sein, wobei durch die Formgebung die zum Rand kontinuierliche Zunahme der Schwächung unterstützt werden kann.
- Die Erfindung soll im Folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigen:
-
1 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Verbundwerkstoffes mit außen aufgebrachten Metallblechen; -
2 einen Verbundwerkstoff mit in einen Verstärkungsbereich integrierten Verstärkungsschichten; -
3 eine weitere Ausführungsform eines Verbundwerkstoffes mit integrierten Verstärkungsschichten; -
4 drei Ausführungsbeispiele für erfindungsgemäß ausgebildete Verstärkungsschichten mit Durchgangslöchern in Endbereichen; -
5 eine schematische Darstellung einer Faserverbundschicht und einer Verstärkungsschicht in Draufsicht; -
6 die Anordnung aus5 in einer Schnittdarstellung; -
7 eine vergleichende Darstellung der Schubspannungen an einer herkömmlichen Verstärkungsschicht und an einer erfindungsgemäßen Verstärkungsschicht; -
8 eine vergleichende Darstellung der Lasteinleitungsbereiche für eine herkömmliche Verstärkungsschicht und für eine erfindungsgemäße Verstärkungsschicht; -
9 eine Draufsicht auf eine in Faserverbundschichten eingebettete Verstärkungsschicht; -
10 eine Schnittdarstellung des Endbereichs der Verstärkungsschicht gemäß9 ; -
11 eine schematische Darstellung einer Vergleichstestanordnung; -
12 eine graphische Darstellung der verschiedenen Delaminationsfestigkeiten bei Zugbeanspruchung der Anordnungen gemäß11 ; -
13 eine Darstellung des unterschiedlichen Delaminationsverhaltens für die Vergleichsanordnungen gemäß11 . - Bei den in
1 dargestellten Verbundwerkstoff ist ein Faserverbundlaminat1 aus zwei Faserverbundschichten2 gebildet. In einem als Befestigungsbereich ausgebildeten Verstärkungsbereich3 , in dem eine Bohrung4 für eine Niet- oder Bolzenverbindung vorgesehen sein kann, ist das Faserverbundlaminat1 durch zwei Verstärkungsschichten5 in Form von außen aufgebrachten Metallblechen verstärkt. In dem in1 dargestellten Ausführungsbeispiel erstrecken sich die Verstärkungsschichten5 bis zu einem freien, unbelasteten Randbereich6 einerseits und aus dem Verstärkungsbereich3 hinaus in einen Übergangsbereich7 hinein, in dem die Verstärkungsschichten5 mit Endkanten8 enden. Die Haftung der Verstärkungsschichten5 an den Faserverbundlaminatschichten2 erfolgt durch das in den Faserverbundschichten2 enthaltene Harz, das eine Klebfunktion ausübt. - Bei dem in
2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Verstärkungsschichten5 als zusätzliche Schichten innen in das Faserverbundlaminat1 eingesetzt. In entsprechender Weise sind zusätzliche Faserverbundschichten2 vorgesehen, um im Übergangsbereich7 und in dem Verstärkungsbereich3 eine ausreichende Einbettung der Verstärkungsschichten5 in Faserverbundschichten2 zu gewährleisten. Die Faserverbundschichten2 und die Verstärkungsschichten5 erstrecken sich in den Bereich des freien Randes6 hinein. Zur Vergleichmäßigung der Lasteinleitung in die Verstärkungsschichten5 ragen diese unterschiedlich lang in den Übergangsbereich7 hinein. In der in2 dargestellten Ausführungsform nimmt die Zahl der Schichten2 ,5 zum Verstärkungsbereich3 hin kontinuierlich zu, sodass der Verstärkungsbereich3 gegenüber dem urpsrünglichen Faserverbundlaminat1 stark verdickt ausgebildet ist. - Bei dem in
3 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Verstärkungsschichten5 ebenfalls in das Faserverbundlaminat1 integriert und erstrecken sich unterschiedlich weit in den Übergangsbereich7 hinein, wobei die sich bezüglich der Dicke des Materials weiter mittig befindlichen Verstärkungsschichten5 weiter in das Faserverbundlaminat5 hinein erstrecken als die am Rand befindlichen Verstärkungsschichten5 . In dieser Ausführungsform sind die Faserverbundschichten2 , die sich auf der Höhe der Verstärkungsschichten5 befinden, entsprechend gekürzt ausgebildet, sodass die Verstärkungsschichten5 mit ihrer Endkante8 stumpf an eine entsprechende Endkante der Faserverbundschicht2 stoßen. - Die Ausbildungen des Verbundwerkstoffes gemäß den
1 bis3 stellen herkömmliche Ausführungsformen für Verstärkungsbereiche3 von Faserverbundlaminaten1 dar. -
4 verdeutlicht die Ausbildung der Verstärkungsschichten5 mit Endbereichen8 , die zu einer Endkante9 hin zunehmend durch Durchgangslöcher10 geschwächt sind. Hierzu sind in dem Endbereich8 vier Abschnitte A1, A2, A3, A4 ausgebildet, in denen sich jeweils eine gleiche Anzahl von Durchgangslöchern10 parallel zur Endkante9 befinden. Die Durchgangslöcher10 in dem Abschnitt A1 sind mit einer größeren Lochfläche als die Durchgangslöcher in dem Abschnitt A2 ausgebildet. Die Durchgangslöcher10 in dem Abschnitt A2 haben wiederum eine größere Lochfläche als die Durchgangslöcher10 in dem Abschnitt A3 usw. - Das Ausführungsbeispiel gemäß
4b zeigt entsprechend angeordnete Durchgangslöcher10 , die jeweils in Lücke versetzt zueinander angeordnet sind, wobei zur Endkante9 hin die Fläche der Durchgangslöcher relativ zu dem in den jeweiligen Abschnitten A1 bis A4 verbleibenden Material größer ist. - Gleiches ergibt sich auch in dem Ausführungsbeispiel gemäß
4c , in dem die Vergrößerung der Lochfläche zur Endkante9 hin durch Langlöcher bewerkstelligt ist. - Die Durchgangslöcher können ferner andere Formen aufweisen, beispielsweise dreieckigförmig oder trapezförmig ausgebildet sein, wobei die Ausrichtung der so geformten Durchgangslöcher
10 zur zunehmenden Schwächung der Verstärkungsschicht5 zur Endkante9 hin beitragen kann. -
5 zeigt in einer Draufsicht eine Verstärkungsschicht5 gemäß4a , die auf einer Faserverbundschicht2 befestigt ist, in dem das Harz der Faserverbundschicht2 als Klebemittel für den Zusammenhalt der Faserverbundschicht2 und der Verstärkungsschicht5 dient. Die Festigkeit der Verbindung ergibt sich bei einer Zugkraft F, die parallel zur Verbindungsfläche zwischen Verstärkungsschicht5 und Faserverbundschicht2 gerichtet ist. - Gemäß
6 sind die Durchgangslöcher10 in dieser Ausführungsform nicht gefüllt, sodass sich die Verbindung zwischen der Verstärkungsschicht5 und der Faserverbundschicht2 ausschließlich durch die Klebewirkung an der Verbindungsfläche ergibt. -
7 verdeulticht, dass bei der herkömmlichen Verstärkungsschicht5' , die die Durchgangslöcher10 nicht aufweist, ein relativ kurzer Bereich a entsteht, für den in7a eine Schubspannungsverteilung11 eingezeichnet ist. Die Schubspannungsverteilung11 weist eine sehr hohe Spannungsspitze Tmax12 an der Endkante9 auf. - Bei der erfindungsgemäßen progressiven Schwächung der Verstärkungsschicht
5 durch die Durchgangslöcher10 mit unterschiedlichen Lochflächen entsteht eine Schubspannungsverteilung13 (7b ), die sich über eine wesentlich größere Strecke b erstreckt und von der Endkante9 zu einer deutlich verringerten maximalen Schubspannungsspitze Tmax15 führt. -
8 verdeutlicht, dass in analoger Weise bei dem herkömmlichen Verstärkungsblech5' eine Lasteinleitung in das Verstärkungsblech5' über einen relativ kurzen Bereich a stattfindet (8a ), während sich die Lasteinleitung bei der erfindungsgemäßen Verstärkungsschicht5 gemäß8b über den längeren Weg b erstreckt und somit allmählicher erfolgt. - Bei dem in den
9 und10 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Verstärkungsschicht5 in einer Anordnung gemäß3 zwischen zwei Faserverbundschichten2 eingelegt und stößt mit ihrer Endkante9 stumpf an eine die Verstärkungsschicht5 fortsetzende Faserverbundschicht2 an. Wie10 verdeutlicht, sind die Durchgangslöcher10 mit Harz aus den benachbarten Faserverbundschichten2 gefüllt, sodass sich in den Durchgangslöchern10 Kunststoffnieten14 ausbilden, die die Durchgangslöcher10 ausfüllen. Die Kunststoffnieten14 bestehen aus dem Harz, das das Bindemittel der Faserverbundschichten2 bildet, und bewirken eine formschlüssige Verbindung zwischen Verstärkungsschicht5 und den benachbarten Faserverbundschichten2 im Endbereich8 der Verstärkungsschicht5 . -
11 verdeutlicht eine Versuchsanordnung zur Durchführung eines Vergleichsversuches mit einer herkömmlichen Verstärkungsanordnung15 und einer erfindungsgemäßen Anordnung16 , wobei sich die erfindungsgemäße Anordnung16 von der herkömmlichen Anordnung15 dadurch unterscheidet, dass die Verstärkungsschicht5 im Endbereich8 mit den Durchgangslöchern10 versehen ist, die gemäß dem Ausführungsbeispiel der9 und10 mit Kunststofnieten14 gefüllt sind, wobei die Herstellung des Faserverbundlaminats1 mit der Harzinjektionstechnolgoie erfolgt ist. Die Verstärkungsschicht5 ist dabei durch ein Stahlblech mit einer Stärke von 0,5 mm gebildet. Bei Ausübung einer Zugkraft F delaminiert die herkömmliche Anordnung15 bei einer Zugkraft von 28 kN, während die Delamination bei der erfindungsgemäßen Anordnung16 erst bei einer Zugkraft von 43 kN erfolgte, wie dies in12 graphisch dargestellt ist. Die erfindungsgemäße konstruktive Maßnahme gewährleistet somit einen Tragfähigkeitsgewinn von über 50%. -
13 verdeutlicht noch, dass eine Delamination17 der Verstärkungsschicht5 vor der Delamination18 der mittleren unterbrochenen Faserverbundschichten bei der herkömmlichen Anordnung15 stattfand (13a ), während bei der erfindungsgemäßen Anordnung16 die Delamination von Verstärkungsschicht5 und der unterbrochenen Faserverbundschichten praktisch gleichzeitig stattfand. - Die erfindungsgemäße Maßnahme erlaubt somit in einfacher und kostengünstiger Weise einen erheblichen Festigkeitsgewinn für die Ausbildung des Verstärkungsbereichs
3 eines durch Verstärkungsschichten5 verstärkten Faserverbundlaminats1 .
Claims (10)
- Verbundwerkstoff aus mehreren Faserverbundschichten (
2 ) und in einem Verstärkungsbereich (3 ) mit wenigstens einer Verstärkungsschicht (5 ) aus einem die Faserverbundschichten (2 ) verstärkenden Material, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsschicht (5 ) wenigstens einen Verstärkungsabschnitt und wenigstens einen Endbereich (8 ) aufweist und nur in dem Endbereich (8 ) durch lokale Materialausnehmungen geschwächt ausgebildet ist, wobei die Schwächung zu einer Endkante (9 ) des Endbereichs (8 ) hin zunimmt. - Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Endbereich (
8 ) Abschnitte (A1, A2, A3, A4) mit unterschiedlichen Schwächungen aufweist. - Verbundwerkstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialausnehmungen durchgehend ausgeführt sind.
- Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschnitte (A1, A2, A3, A4) mit zunehmender Schwächung durch Ausnehmungen (
10 ) mit einem zunehmenden Verhältnis von Lochfläche zu verbleibender Fläche in dem betreffenden Abschnitt (A1, A2, A3, A4) gebildet sind. - Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass für eine größere Schwächung größere Ausnehmungen (
10 ) vorgesehen sind. - Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsschicht (
5 ) in ihrem Verstärkungsabschnitt ungeschwächt ausgebildet ist. - Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (
10 ) mit Harz wenigstens einer benachbarten Faserverbundschicht (2 ) gefüllt sind. - Verbundwerkstoff nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllung der Ausnehmungen (
10 ) mittels einer Verflüssigung des Harzes der benachbarten Faserverbundschicht (2 ) erfolgt ist. - Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsschicht (
5 ) aus Metall besteht. - Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsschicht (
5 ) und die Faserverbundschichten (2 ) im Verstärkungsbereich (3 ) mit wenigstens einem durchgehenden Befestigungsloch (4 ) versehen sind.
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