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Die
Erfindung betrifft eine Füllmasse
mit einer mit einem thermisch aushärtbaren duroplastischen Kunststoffmaterial
gebildeten Harzmatrix und einer Vielzahl von darin eingebetteten
Glashohlkugeln.
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Das
Interieur von Flugzeugen wird zum überwiegenden Teil mit faserverstärkten Kunststoffmaterialien
gebildet. Für
Boden- und Wandverkleidungsplatten werden beispielsweise vielfach
Sandwichplatten mit einer Kernstruktur und diese beidseitig bedeckende
Deckschichten eingesetzt, die hohe mechanische Festigkeiten bei
einem gleichzeitig geringen Gewicht aufweisen.
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Die
Sandwichplatten müssen
in der Regel nach dem standardisierten Herstellungsprozess für den konkreten
Anwendungsfall auf Maß gebracht, das
heißt
zugeschnitten werden. Entlang der Schnittkanten liegt die Kernstruktur,
beispielsweise eine Honigwabe, jedoch frei. Aus ästhetischen und auch aus technischen
Gründen,
beispielsweise um das Eindringen von schädlicher Feuchtigkeit und Fremdkörpern in
die Kernstruktur zu vermeiden, müssen
die Schnittkanten versiegelt bzw. abgedichtet werden.
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Für eine Versiegelung
kommen Füllmassen mit
thermisch aushärtbaren
duroplastischen Kunststoffmaterialien in Betracht, die nach dem
Auftragen und Glätten
ausgehärtet
werden.
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Für optimale
mechanische Eigenschaften einer Sandwichplatte ist eine mechanisch
hinreichend feste Haftung der Füllmasse
an der Kernstruktur und/oder den Deckschichten erforderlich, wobei gleichzeitig
eine gewisse Elastizität
der Füllmasse
zu fordern ist, um beispielsweise einer Rissbildung oder einer Ablösung von
den Deckschichten vorzubeugen. Darüber hinaus sollen die Füllmassen
eine möglichst
geringe Dichte aufweisen, um das Gewicht zu reduzieren.
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Auch
bei der Anordnung von Befestigungselementen in Sandwichplatten kommen
Füllmassen zum
Einsatz, um die Verankerung und damit eine Kraftüberleitung von dem Befestigungselement
in die Kernstruktur und/oder auf die Deckschichten zu ermöglichen.
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Bekannte
Füllmassen
zur Versiegelung bzw. Randabdichtung von Sandwichplatten werden
beispielsweise mit thermisch aushärtbaren Epoxydharzen auf Ein- oder Zweikomponentenbasis
hergestellt, die mit Glashohlkugeln als Füllstoff versetzt sind. Die in
die Epoxydharzmatrix eingebetteten Glashohlkugeln reduzieren das
Raumgewicht der Füllmasse, ohne
jedoch deren Druckfestigkeit zu verringern oder das Brandverhalten
negativ zu beeinflussen. Die Füllmassen
sollen darüber
hinaus bei Raumtemperatur eine hinreichend lange Lagerfähigkeit
aufweisen, gleichzeitig aber im Bedarfsfall hinreichend schnell aushärtbar sein.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Füllmasse zu
schaffen, die einerseits eine hinreichend lange Lagerfähigkeit
bei Raumtemperatur aufweist, die andererseits aber im Bedarfsfall
eine schnelle Aushärtung erlaubt.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Füllmasse
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Dadurch,
dass die Glashohlkugeln eine elektrisch leitfähige Beschichtung aufweisen
und die Glashohlkugeln mittels eines elektromagnetischen Wechselfeldes
zur Aushärtung
des thermisch aushärtbaren
duroplastischen Kunststoffmaterials erhitzbar sind, kann die erfindungsgemäße Füllmasse
im Bedarfsfall in sehr kurzer Zeit ausgehärtet werden, da die zur Aushärtung erforderliche
Wärme nicht mehr
von Außen
zugeführt
wird, sondern unmittelbar im Inneren der Füllmasse durch die Glashohlkugeln mit
der elektrisch leitfähigen
Beschichtung erzeugt wird. Andererseits ist die Füllmasse
bei Raumtemperatur (nahezu) unbegrenzt lagerfähig und verarbeitbar, da bei
dieser niedrigen Temperatur praktisch keine Vernetzungsreaktionen
erfolgen. Die Polymerisation und damit der eigentliche Aushärtungsvorgang
wird erst dann gestartet, wenn die Füllmasse einem geeigneten elektromagnetischen
Wechselfeld ausgesetzt wird. Als elektromagnetische Wechselfelder
kommen zum Beispiel niederfrequente Magnetfelder einer Spule oder
auch Mikrowellen mit geeigneter Wellenlänge in Betracht. Nach dem Entfernen des
elektromagnetischen Wechselfeldes erfolgt auch bei Raumtemperatur
in der Regel noch eine Nachhärtung.
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Infolge
des von Außen
zur Aushärtung
an die Füllmasse
angelegten elektromagnetischen Wechselfeldes werden in der leitfähigen Beschichtung
der Glashohlkugeln Wirbelströme
induziert, die durch den Ohmschen Widerstand der Beschichtung eine entsprechende
Verlustwärme
erzeugen. Die hierdurch bedingte gleichmäßige Wärmeerzeugung unmittelbar in
der Füllmasse
selbst erlaubt eine sehr schnelle Aushärtung der Füllmasse. Dennoch kann die Füllmasse
bei Raumtemperatur nahezu beliebig lange gelagert und verarbeitet
werden, da unterhalb der Aushärtungstemperatur
praktisch keine Aushärtungsreaktionen
erfolgen. Eine thermische Beeinflussung der nicht leitenden Deckschichten
und/oder Kernstruktur der Sandwichplatte wird durch den induktiven
Aushärtungsprozess
nahezu vollständig vermieden.
Die erfindungsgemäße Füllmasse
kann hierbei mit thermisch aushärtbaren
duroplastischen Harzsystemen auf einer Einkomponenten- oder einer Zweikomponentenbasis
gebildet werden.
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Gleichzeitig
weist die Füllmasse
eine geringe Dichte bei dennoch ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften
auf.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Anordnung sind in den weiteren
Patentansprüchen
dargelegt.
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In
der Zeichnung zeigt:
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1 Einen
stark vergrößerten Querschnitt durch
die Füllmasse
mit einer Vielzahl von elektrisch leitend beschichteten Glashohlkugeln
und
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2 einen
Querschnitt durch eine Sandwichplatte mit einer mittels der Füllmasse
gebildeten Randabdichtung.
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In
der Zeichnung weisen gleiche konstruktive Elemente jeweils dieselben
Bezugsziffern auf.
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Die 1 zeigt
einen stark vergrößerten schematisierten
Querschnitt durch die Füllmasse 1.
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Eine
Harzmatrix 2 ist mit einem thermisch aushärtbaren
duroplastischen Kunststoffmaterial gebildet. Die Harzmatrix 2 der
Füllmasse 1 kann
beispielsweise mit einem thermisch aushärtbaren Epoxydharz, Polyesterharz,
Phenolharz, BMI (Bismaleimid)-Harz oder dergleichen gebildet sein.
In der Matrix 2 der Füllmasse 1 sind
eine Vielzahl von mikroskopisch kleinen Glashohlkugeln als Füllstoff
eingelagert, von denen lediglich eine, für die übrigen Glashohlkugeln repräsentative,
die Bezugsziffer 3 trägt. Die
Glashohlkugeln verringern die Dichte der Füllmasse 1, ohne deren
Druckfestigkeit oder Feuerfestigkeit negativ zu beeinträchtigen.
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Erfindungsgemäß weist
die Glashohlkugel 3 – wie
die restlichen Glashohlkugeln auch – eine elektrisch leitfähige Beschichtung 4 auf.
Die elektrisch leitfähige
Beschichtung 4 umschließt die Glashohlkugel 3 vollständig. Die
elektrisch leitfähige
Beschichtung 4 ist bevorzugt mit einem Titanoxid, insbesondere
mit Titan(II)-oxid (TiO), mit Titan(III)-oxid (Ti2O3) oder mit Titan(IV)-oxid (TiO2),
gebildet. Alternativ kann die Beschichtung 4 auch mit anderen
elektrisch leitfähigen
Materialien, wie zum Beispiel mit einem dünnschichtigen Metallüberzug,
einer Metallbedampfung oder dergleichen, gebildet sein. Weiterhin
können
zur Ausbildung der leitfähigen
Beschichtung auch halbleitende Materialien, wie zum Beispiel Zinkoxid,
verwendet werden. Die Glashohlkugeln 3 weisen einen Durchmesser
von weniger als 10 μm
auf und sind in der dichtest möglichen
Kugelpackung innerhalb der Matrix 2 angeordnet, um ein
möglichst geringes
Raumgewicht der Füllmasse 1 zu
erreichen. Die Beschichtung 4 der Glashohlkugeln 3 weist
eine äußerst geringe
Schichtdicke auf, die in Abhängigkeit vom
Durchmesser der Glashohlkugeln 3 eine Materialstärke von
bis 1 μm
erreichen kann. Bei einem bevorzugten Durchmesser der Glashohlkugeln 3 von
1 μm beträgt eine
Stärke
der Beschichtung 4 in der Regel nur wenige 1/10 μm.
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Die
elektrisch leitfähige
Beschichtung 4 der Glashohlkugeln 3 ermöglicht deren
Erhitzung in einem von außen
angelegten elektromagnetischen Wechselfeld. Hierdurch wird die Füllmasse 1 von
innen heraus nahezu schlagartig zumindest auf eine zur Aushärtung erforderliche
Aushärtungstemperatur TAushärtung gebracht.
Die erfindungsgemäße Füllmasse 1 lässt sich
somit innerhalb eines Zeitintervalls von 1 bis 10 Sekunden zumindest
soweit aushärten,
um eine ausreichende An fangsfestigkeit zu erreichen. Im Allgemeinen
ist es nicht erforderlich, die Füllmasse 1 zur
Aushärtung
einem längeren
Zeitraum als 60 Sekunden dem elektromagnetischen Wechselfeld auszusetzen.
Nach der induktiven Aushärtung
der Füllmasse 1 schließt sich
eine Abkühlphase
an, in der die Füllmasse 1 wieder
auf Raumtemperatur abkühlt. Gegebenenfalls
laufen nach dem Abschluss der Abkühlphase auch bei Raumtemperatur
noch Restaushärtungsprozesse
ab, nachdem der eigentliche Aushärtungsvorgang
mittels des von außen
angelegten elektromagnetischen Feldes einmal initiiert wurde.
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Das
elektromagnetische Wechselfeld kann beispielsweise mit einer Zylinderspule
erzeugt werden, die von einem Wechselstrom geeigneter Frequenz und
Stromstärke
durchflossen wird. Der eingesetzte Wechselstrom erreicht eine Frequenz
von bis zu 10 MHz, bei einer Generatorleistung der Wechselspannungsquelle
in einer Größenordnung
von bis zu 10 kW, wodurch gegebenenfalls auch ein mobiler Einsatz
der Spulenanordnung noch möglich
ist. Im Falle eines stationären
Einsatzes, beispielsweise bei einer kontinuierlichen Sandwichplattenfertigung,
können
auch höhere
Generatorleistungen zum Einsatz kommen. Das elektromagnetische Wechselfeld
kann auch mit einer Ringspule (kurze Zylinderspule) erzeugt werden.
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Alternativ
ist eine Aushärtung
durch die Anwendung von Mikrowellenstrahlung auf die Füllmasse 1 möglich. Die
räumliche
Ausdehnung des elektromagnetischen Wechselfeldes muss hierbei stets
etwas größer sein,
als ein von der Füllmasse 1 eingenommener
Bereich, um eine ausreichende Durchwärmung der auszuhärtenden
Füllmasse 1 zu
gewährleisten.
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Die 2 zeigt
einen typischen Anwendungsfall für
die Füllmasse
in Form der Ausbildung einer Randabdichtung eines Sandwichplattenabschnitts.
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Eine
Sandwichplatte 5 mit einer Kernstruktur 6 sowie
beidseitig aufgebrachten Deckschichten 7, 8, beispielsweise
eine Bodenplatte, eine Innenverkleidungsplatte für die Passagierkabine eines
Flugzeugs oder dergleichen, weist zwei Schnittkanten 9, 10 auf, die
beim Herausschneiden der Sandwichplatte 5 aus einer großflächigen,
gegebenenfalls endlos gefertigten Sandwichplatte entstehen. Die
vor dere und die hintere, verdeckte Schnittkante sind nicht mit einer Bezugsziffer
versehen.
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In
den Bereich der Schnittkante 10 der Sandwichplatte 5 ist
die Füllmasse 1 zur
Bildung einer Randabdichtung eingebracht worden, während die Schnittkante 9 noch
unversiegelt ist. Die Einbringung bzw. das Einstreichen der Füllmasse 1 in
die Schnittkanten 9, 10 und die Glättung der
Füllmasse 1 kann beispielsweise
mittels einer an einem nicht dargestellten Handhabungsgerät angeordneten
Spritzvorrichtung und einem nachgeführten Spachtel erfolgen. Für die Qualität einer
mit der Füllmasse 1 gebildeten Randabdichtung
bzw. Randversiegelung ist eine gute Haftung der Füllmasse 1 an
den Deckschichten 7, 8 sowie der Kernstruktur 6 von
entscheidender Bedeutung. Das für
die Füllmasse 1 eingesetzte
Harzsystem muss demzufolge mit dem für die Deckschichten 7, 8 bzw.
der Kernstruktur 6 verwendeten Harzsystem abgestimmt sein.
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Die
Aushärtung
der Füllmasse 1 erfolgt
mittels der schematisch dargestellten Spulenanordnung 11,
mittels derer ein auf die räumliche
Erstreckung der Füllmasse 1 lokal
begrenztes elektromagnetisches Wechselfeld 12 im Bereich der rechten
Schnittkante 10 erzeugbar ist.
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Das
elektromagnetische Wechselfeld 12 induziert Wirbelströme in der
leitfähigen
Beschichtung 4 der Glashohlkugeln 3. Diese nicht
dargestellten Wirbelströme
fließen
auf kreisförmigen
Bahnen innerhalb der leitfähigen
Beschichtung 4 und erzeugen durch deren Ohmschen Widerstand
eine Verlustwärme,
die die Glashohlkugeln 3 auf eine Temperatur aufheizen,
die oberhalb einer minimalen Aushärtungstemperatur des für die Harzmatrix 2 verwendeten
thermisch aushärtbaren
duroplastischen Kunststoffmaterials liegt. Die Harzmatrix 2 der
Füllmasse 1 wird
bevorzugt mit einem thermisch aushärtbaren Epoxydharz auf einer
Zweikomponentenbasis gebildet, dessen Aushärtungstemperatur TAushärtung zwischen
60 °C und
220 °C liegt.
Andere thermisch aushärtbare
duroplastische Harzsysteme können
gleichfalls verwendet werden.
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Die
Spulenanordnung 11 weist einen Spulenkern 13 mit
einer in etwa u-förmigen
Querschnittsgeometrie auf. Auf dem Spulenkern 13 ist eine
Wicklung 14 angeordnet, in die ein Wechselstrom mit einer
ausreichenden Stromstärke
und geeig neter Frequenz zur Erzeugung des elektromagnetischen Wechselfeldes
von einem nicht dargestellten Generator eingespeist wird.
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Abweichend
von der gezeigten Spulenanordnung 11, die mit relativ niederfrequenten
Wechselströmen
mit einer Frequenz von bis zu 10 MHz gespeist wird, kann zur lokalen
Aushärtung
der Füllmasse 1 beispielsweise
ein höherfrequentes
Mikrowellenfeld mit einer geeigneten Frequenz, beispielsweise in
einer Größenordnung
von bis zu 3 GHz, und Intensität
zum Einsatz kommen.
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Die
Füllmasse 1 ist
mittels der Spulenanordnung 11 so schnell aushärtbar, dass
die Spulenanordnung 11 vorzugsweise unmittelbar mit an
dem Handhabungsgerät
angeordnet ist. In der Regel ist ein Zeitraum von 1 bis 10 Sekunden
für die
Aushärtung
der Füllmasse 1 vollkommen
ausreichend. Das Handhabungsgerät,
beispielsweise in der Form bekannter Standardindustrieroboter mit
einer Vielzahl von Freiheitsgraden, führt in einer bevorzugten Ausführungsform
die Spritzvorrichtung, den Spachtel und die Spulenanordnung 11 um
die Schnittkanten 9, 10 sowie die parallel zur
Zeichenebene verlaufende vordere und hintere Schnittkante der Sandwichplatte 5 mit
einer für
die Aushärtung
ausreichenden Geschwindigkeit entlang, so dass eine zeitsparende
und vollautomatische Kantenversiegelung der Sandwichplatte 5 weitgehend
unabhängig
von der jeweiligen Umfangskontur mit der Füllmasse 1 möglich ist.
In der Darstellung der 2 bewegt sich die Spulenanordnung 11 senkrecht
in die Zeichenebene hinein.
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Die
induktiv schnell aushärtbare
Füllmasse 1 ermöglicht somit
die kontinuierliche Randabdichtung von Sandwichplatten, die zum
Beispiel aus einer großflächigen Sandwichplatte
bzw. aus einer kontinuierlich (endlos) gefertigten Sandwichplatte,
beispielsweise zur Herstellung von großformatigen Fußbodenplatten
oder Innenverkleidungsplatten für
die Ausstattung von Passagierkabinen von Flugzeugen, ausgeschnitten
werden. Die erfindungsgemäße Füllmasse
erlaubt neue Fertigungsverfahren bei zugeschnittenen Sandwichplatten
für Innenbauteile
von Passagierflugzeugkabinen, in dem beispielsweise das Einbringen
und Glätten
der Füllmasse
zur Herstellung der Kantenversiegelung nahezu zeitlich mit der Aushärtung durch
das elektromagnetische Wechselfeld erfolgen. Die Füllmasse
ist gleichermaßen
zur beschleunigten Anbindung von Befestigungsmitteln in Bohrungen
von Sandwichplatten geeignet.
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- 1
- Füllmasse
- 2
- Harzmatrix
- 3
- Glashohlkugel
- 4
- leitfähige Beschichtung
- 5
- Sandwichplatte
- 6
- Kernstruktur
- 7
- Deckschicht
- 8
- Deckschicht
- 9
- Schnittkante
- 10
- Schnittkante
- 11
- Spulenanordnung
- 12
- elektromagnetisches
Wechselfeld
- 13
- Spulenkern
- 14
- Wicklung