-
Die
Erfindung betrifft ein Flächengebilde,
insbesondere Reparaturelement für
faserverstärkte Bauteile
aus einem duroplastischen Kunststoffmaterial, mit einer Vielzahl
von Glasfasern, die in einer Harzmatrix aus einem thermisch aushärtbaren
duroplastischen Kunststoffmaterial eingebettet sind.
-
Ein
großer
Anteil der Innenausstattung in heutigen Passagierflugzeugkabinen
besteht aus faserverstärkten
Kunststoffmaterialien, wobei duroplastische Kunststoffmaterialien
am häufigsten
zum Einsatz kommen. Bauteile für
die Innenausstattung, beispielsweise Innenverkleidungsplatten, Fußbodenplatten
aber auch Klimatisierungsleitungen, sind üblicherweise mit glasfaserverstärkten Epoxydharzen oder
Phenolharzen gebildet. Diese Bauteile werden üblicherweise durch die Zufuhr
von Wärme
ausgehärtet.
Die benötigte
Wärme kann
auf indirekte Weise zum Beispiel durch Öfen, beheizte Pressen oder
Autoklaven in die Bauteile eingetragen werden.
-
Ein
Passagierflugzeug darf in der Regel schon bei kleineren technischen
Defekten, wie beispielsweise einem Riss in einer Klimatisierungsleitung
in der Passagierkabine oder Löchern
im Frachtraumbereich aus luftfahrtrechtlichen Gründen nicht mehr starten. Oftmals
ist es daher erforderlich, kleinere Reparaturen an Bauteilen der
Innenausstattung im laufenden Betrieb, zum Beispiel während eines Tank-
oder eines kurzen Wartungsstopps direkt vor Ort und in kürzester
Zeit durchzuführen.
Hierdurch werden längere,
kostenintensive Wartungsaufenthalte vermieden.
-
Bekannte,
mit einem thermisch aushärtbaren duroplastischen
Kunststoffmaterial vorimprägnierte ("Prepreg"-Materialien) Flächengebilde
sind für
derartige Reparaturanwendungen an Innenausstattungsbauteilen nicht
geeignet, da sie eine thermische Aushärtung in stationären Öfen, beheizbaren
Pressen oder Autoklaven erfordern.
-
Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Flächengebilde
zu schaffen, das in kürzester
Zeit mittels einer kompakten und tragbaren Vorrichtung vor Ort zur
Reparatur von derartigen Innenausstattungsbauteilen ausgehärtet werden
kann.
-
Diese
Aufgabe wird durch ein Flächengebilde
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
-
Dadurch,
dass die Glasfasern eine elektrisch leitfähige Beschichtung aufweisen,
die mittels eines elektromagnetischen Wechselfeldes zur Aushärtung des
thermisch aushärtbaren
duroplastischen Kunststoffmaterials der Matrix erhitzbar sind, ist
eine Aushärtung
mittels einer Spule möglich,
die von einem Wechselstrom mit geeigneter Stromstärke und
Frequenz durchflossen wird. Das von der Spule erzeugte elektromagnetische
Wechselfeld induziert in den jeweils eine elektrisch leitfähige Beschichtung
aufweisenden Glasfasern Wirbelströme, die durch den Ohmschen
Widerstand der Beschichtung die zur Aushärtung des duroplastischen Kunststoffmaterials benötigte elektrische
Verlustwärme
erzeugen. Hierdurch steigt die Temperatur des Flächengebildes schnell bis auf
eine Aushärtungstemperatur
TAushärtung an,
die bei den üblicherweise
zur Bildung des Flächengebildes
eingesetzten Epoxydharzen zum Beispiel bei etwa 60 °C bis 220 °C liegt.
Bei Phenolharzen beträgt
die bevorzugte Aushärtungstemperatur dagegen
etwa 140 °C.
Da die Wärme
unmittelbar innerhalb des Flächengebildes
erzeugt wird, ist eine sehr schnelle und zudem gleichmäßige Aushärtung des
auf eine Reparaturstelle aufgebrachten Flächengebildes innerhalb eines
kurzen Zeitraums von 1 s bis zu 60 s möglich.
-
Der
in die Spule eingespeiste Wechselstrom wird von einem tragbaren
Generator erzeugt, der eine elektrische Leistung von bis zu 10 kW
bei einer Frequenz von bis zu 10 MHz aufbringt. Demzufolge ist ein
portabler Einsatz des Generators und der zugehörigen Spule vor Ort in einem
Flugzeug möglich. Bevorzugt
wird mittels des Generators ein Wechselstrom mit einer Frequenz
von etwa 250 kHz erzeugt.
-
Alternativ
kann die Aushärtung
des Flächengebildes
auch durch Mikrowellenstrahlung mit einer geeigneten Frequenz und
Stärke
erfolgen. Hierbei weist die eingesetzte Mikrowellenstrahlung eine
Frequenz von bis zu 3 GHz auf.
-
Die
Wärmeentwicklung
ist stets auf das Flächengebilde
beschränkt,
so dass beispielsweise die darunter liegenden, nicht elektrisch
leitfähig
ausgerüsteten
Bereiche eines zu reparierenden Bauteils kaum thermisch belastet
werden.
-
Die
räumliche
Ausdehnung der Spule sollte in etwa mit der Flächenausdehnung des Flächengebildes
korrespondieren, damit das elektromagnetische Wechselfeld eine möglichst
vollflächige
Erwärmung
und damit gleichmäßige Aushärtung bewirken kann.
-
Alternativ
kann eine kleinere Spule zur Aushärtung eines großformatigen
Flächengebildes über diesem
verfahren werden. Ein jeweilig aktueller lokaler Aushärtungsgrad
des Flächengebildes
kann beispielsweise durch eine Messung der Dielektrizitätszahl des
Flächengebildes
gemessen und einem Benutzer quantitativ zur Anzeige gebracht werden,
wodurch ein idealer Verfahrweg und optimale Verweilzeiten der Spule über einem
Flächengebilde
bestimmbar sind, dessen Flächenausdehnung
größer als
ein Wirkungsbereich des von der Spule erzeugten elektromagnetischen
Wechselfeldes ist.
-
Als
Spule kommt bevorzugt eine Ringspule bzw. eine Zylinderspule zum
Einsatz.
-
Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen des Flächengebildes sind in den weiteren
Patentansprüchen
dargelegt.
-
In
der Zeichnung zeigt:
-
1 Einen
Querschnitt durch eine konventionelle Glasfaser und
-
2 einen
Querschnitt einer mit einer elektrisch leitfähigen Beschichtung ausgerüsteten Glasfaser,
-
3 eine
perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels des Flächengebildes
mit eingelagerten, elektrisch leitfähigen Glasfasern und
-
4 eine
Ringspule mit einem darunter liegenden Flächengebilde.
-
In
der Zeichnung weisen gleich konstruktive Elemente jeweils dieselbe
Bezugsziffer auf.
-
Die 1 zeigt
einen Querschnitt durch eine konventionelle Glasfaser.
-
Die
Glasfaser 1 weist einen Kern 2 auf, der von einer
Schlichte 3 vollständig
umgeben ist. Die Schlichte 3 dient vor allem dazu, die
Verarbeitbarkeit der Glasfaser während
des weiteren Herstellungsprozesses nach dem Ziehen der Glasfaser
aus der Glasschmelze, wie zum Beispiel das anschließende Verweben,
das Verzwirnen oder Verstricken, auf textilen Verarbeitungsvorrichtungen
zu erleichtern und mechanische Beschädigungen der Glasfaser 1 zu vermeiden.
Darüber
hinaus soll die Schlichte 3 die Haftung der Glasfasern 1 an
der umgebenden Harzmatrix verbessern.
-
Die 2 zeigt
einen Querschnitt durch eine bevorzugt vollflächig von einer elektrisch leitfähigen Beschichtung
umgebene Glasfaser.
-
Der
Kern 2 der Glasfaser 1 weist anstatt der Schlichte 3 eine
vollflächig
ausgebildete, elektrisch leitfähige
Beschichtung 4 auf. 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 durch eine metallische
Beschichtung gebildet sein, die zum Beispiel auf die Glasfaser 1 aufgedampft,
galvanisch aufgebracht oder auf andere Weise aufgetragen ist. Weiterhin
können
zur Ausbildung der leitfähigen
Beschichtung auch halbleitende Materialien, wie zum Beispiel Zinkoxid,
verwendet werden. Die Schlichte 3 wird in der Regel vor
dem Aufbringen der elektrisch leitfähigen Beschichtung 4 durch
geeignete Lösungsmittel
entfernt.
-
Das
erfindungsgemäße Flächengebilde
bzw. das flächenhafte
Reparaturelement (Reparaturflicken) weist eine Verstärkungsfaseranordnung
mit einer Vielzahl von Glasfasern auf, die mit einer elektrisch
leitfähigen
Beschichtung versehen sind.
-
Die
Verstärkungsfaseranordnung
wird anschließend
zur Bildung des Flächengebildes
in eine umgebende Harzmatrix aus einem thermisch aushärtbaren
Kunstharz, zum Beispiel einem Epoxydharz, eingebettet, das heißt imprägniert.
-
Die
Verstärkungsfaseranordnung
des Flächengebildes
kann mit einem Verstärkungsgewebe, mit
einem Verstärkungsgelege,
mit einem Verstärkungsgestrick
oder mit kraftflussorientiert abgelegten und leitfähig beschichteten
Glasfasern gebildet sein. Die Glasfasern 1 können in
der Form von diskreten Glasfasern oder gebündelten Glasfasern ("Rovings") vorliegen.
-
Zur
Herstellung einer derartigen Verstärkungsfaseranordnung wird eine
Vielzahl von Glasfasern, die zunächst
noch mit einer Schlichte versehen sind, zu einem Verstärkungsgewebe
bzw. Verstärkungsgelege
oder Verstärkungsgestrick
verarbeitet. Anschließend
wird die Schlichte entfernt und die elektrisch leitfähige Beschichtung 4 aufgebracht.
-
Anschließend wird
die Verstärkungsfaseranordung
zur Bildung des Flächengebildes
auf Maß geschnitten
und mit einem thermisch aushärtbaren Kunststoffmaterial,
zum Beispiel mit einem Epoxydharz, einem Polyesterharz, einem Phenolharz,
einem BMI-Harz oder dergleichen, imprägniert. Die Verstärkungsfaseranordnung
ist nach der Imprägnierung vollständig von
der Harzmatrix umgeben. Das Flächengebilde
stellt im technischen Sinne ein mit einer Vielzahl von elektrisch
leitfähig
gemachten Glasfasern verstärktes,
so genanntes "Prepreg"-Material dar.
-
Die 3 zeigt
eine schematische perspektivische Ansicht des Flächengebildes mit eingelagerten
elektrisch leitfähigen
Glasfasern.
-
Das
im gezeigten Ausführungsbeispiel
in etwa quadratische Flächengebilde 5 weist
eine Harzmatrix 6 auf, in die eine Vielzahl von Glasfasern 1 in unterschiedlichster
Orientierung im Raum zur mechanischen Verstärkung zur Bildung des vorimprägnierten
Flächengebildes 5 eingebettet
sind. Die umgebende Harzmatrix 6 des Flächengebildes 5 ist
beispielsweise mit einem thermisch aushärtbaren Epoxydharz, einem thermisch
aushärtbaren
Phenolharz, einem thermisch aushärtbaren
Polyesterharz oder dergleichen gebildet.
-
Die
Harzmatrix 6 weist eine Aushärtungstemperatur TAushärtung auf,
die deutlich oberhalb der Raumtemperatur liegt, so dass das Flächengebilde 5 ohne
die Gefahr von unbeabsichtigten Aushärtungsreaktionen auch längerfristig
bei Raumtemperatur (21 °C)
gelagert werden kann. Die Glasfasern 1 sind erfindungsgemäß vollflächig von
einer elektrisch leitfähigen
Beschichtung umgeben, um im Bedarfsfall eine thermische Aushärtung in
einem elektromagnetischen Wechselfeld in kürzester Zeit durch das fast schlagartige
Erreichen bzw. die Überschreitung
der Aushärtungstemperatur
TAushärtung zu
ermöglichen.
-
Das
Flächengebilde 5 kann
abweichend von der quadratischen Grundfläche jede andere geometrische
Gestalt aufweisen. Beispielsweise kann das Flächengebilde kreisförmig, oval,
elliptisch, dreieckig, rechteckig oder vieleckig ausgebildet sein.
-
In
einem umlaufenden Randbereich (gleichmäßig parallel beabstandet zum
Rand des Flächengebildes
bzw. der Außenkontur)
des Flächengebildes 5 kann
dieses im Verhältnis
zu einem mittleren Bereich eine verringerte Materialstärke aufweisen,
um eine bessere Anlage an dem zu reparierenden Bauteil zu gewährleisten.
Hierbei kann die Materialstärke im
Randbereich bis auf Null auslaufen.
-
Die 4 zeigt
das Flächengebilde
auf einer Reparaturstelle, beispielsweise einem Riss, auf einem
Bauteil mit einer Ringspule zur Aushärtung.
-
Zur
Aushärtung
des auf eine Reparaturstelle 7 eines Bauteils 8 aufgebrachten
Flächengebildes 5 wird
mittels einer Ringspule 9, die von einem Generator 10 mit
einem elektrischen Wechselstrom 11 geeigneter Stromstärke und
Frequenz gespeist wird, ein elektromagnetisches Wechselfeld 12 erzeugt.
Infolge der induktiven Aushärtung
des Flächengebildes 5 erfolgt
zugleich eine feste Verklebung des Flächengebildes 5 mit
dem Bauteil 8, zum Beispiel einer Klimatisierungsleitung
in einer Passagierflugzeugkabine, im Bereich der Reparaturstelle 7.
Bei der Reparaturstelle 7 handelt es sich im gezeigten
Ausführungsbeispiel
um einen Riss, der zur hermetischen Abdichtung vollflächig mit
dem Flächengebilde 5 abgedeckt ist.
-
Das
Bauteil 8 kann mit einem beliebigen faserverstärkten Harzsystem,
zum Beispiel mit einem glasfaser- oder kohlefaserverstärkten Epoxydharz gebildet
sein. Alternativ kann das Bauteil 8 mit einem Polyesterharz,
einem Phenolharz oder einem BMI (Bismaleimide)-Harz gebildet sein.
Die Faserverstärkung
kann auch mit thermoplastischen Aramidfasern gebildet sein.
-
Zur
Aushärtung
des auf die Reparaturstelle 7 aufgebrachten Flächengebildes 5 wird
die Ringspule 9 in einen definierten Abstand 13 oberhalb
des Bauteils 8 geführt,
um reproduzierbare Ergebnisse zu erreichen. Durch das mittels der
Ringspule 9 erzeugte elektromagnetische Wechselfeld 12 werden
in den elektrisch leitfähigen
Beschichtungen der Glasfasern 1 Wirbelströme erzeugt,
die durch den Ohmschen Widerstand der Beschichtungen eine hohe Verlustwärme erzeugen,
die zu einer fast schlagartigen Überschreitung
der für
die Harzmatrix 6 des Flächengebildes 5 notwendigen
Aushärtungstemperatur
TAushärtung führt. Die
erforderliche Aushärtungstemperatur TAushärtung liegt – in Abhängigkeit
vom eingesetzten Harzsystem – bei
heutigen Systemen in der Regel zwischen 60 °C und 220 °C. Nur innerhalb eines räumlichen
Wirkungsbereichs des elektromagnetischen Wechselfeldes 12 erfolgt
die Aushärtung
des Flächengebildes 5,
so dass das Flächengebilde 5 immer
vollständig,
das heißt
insbesondere vollflächig, vom
elektromagnetischen Wechselfeld 12 durchsetzt sein muss.
-
Die
Ringspule 9 kann als ein in der Hand eines Benutzers fährbares
Handwerkzeug ausgebildet sein, während
der Generator 10 aufgrund der in der Regel erforderlichen
hohen elektrischen Leistung von bis zu 10 kW in der Regel als ein
tragbares Standgerät
ausgeführt
ist, das mittels der elektrischen Zuleitungen 14, 15 mit
der Ringspule 9 verbunden ist. Der Wechselstrom 11 weist
eine Frequenz von bis zu 10 MHz auf (Niederfrequenzbereich bis Mittelfrequenzbereich).
-
Da
die Stärke
des elektromagnetischen Wechselfeldes 12 mit dem Quadrat
der Entfernung abnimmt, kommt einer möglichst genauen Einhaltung des
Abstandes 13 für
gleichmäßige und
reproduzierbare Aushärtungsergebnisse
des Flächengebildes 5 eine
zentrale Bedeutung zu. Daher kann im Bereich der Ringspule 9 eine
nicht dargestellte Schablone angebracht sein, mittels der ein Benutzer
die Ausdehnung bzw. den Wirkungsbereich des elektromagnetischen
Wechselfeldes 12 in Abhängigkeit
von einem Abstand 13 der Ringspule 9 von einer
Oberfläche
des Bauteils 8 abschätzen
kann, um eine möglichst
vollflächige
und gleichmäßige Erwärmung des
Flächengebildes 5 bis
auf zumindest die erforderliche Aushärtungstemperatur TAushärtung und
damit dessen zumindest teilweise Aushärtung sicher zu stellen. Die zumindest
teilweise Aushärtung
des Flächengebildes 5 nach
dem Anlegen des elektromagnetischen Wechselfeldes 12 erfolgt
im Allgemeinen bereits nach 1 s bis 60 s. In der Regel sind 10 s
Aushärtungszeit
ausreichend, um eine ausreichende Anfangsfestigkeit des Flächengebildes
zu erreichen.
-
Abweichend
von der gezeigten Ringspule 9 sind abweichende Spulenanordnungen,
wie zum Beispiel eine langgestreckte Zylinderspule oder andere Spulengeometrien
möglich.
Weiterhin kann die Erhitzung des Flächengebildes 5 bzw.
des Reparaturelements auch mit einem Mikrowellengenerator (Hochfrequenzbereich)
und einer geeigneten Antenne zur gerichteten und konzentrierten
Abstrahlung der Mikrowellen auf das Flächengebilde 5 erfolgen.
In diesem Fall kann das elektromagnetische Wechselfeld 12 eine
Frequenz von bis zu 3 GHz aufweisen.
-
Das
erfindungsgemäße Flächengebilde 5 bzw.
Reparaturelement ermöglicht
eine schnelle Vor-Ort-Instandsetzung an Bauteilen in Flugzeugen, die
mit faserverstärkten
duroplastischen Kunststoffmaterialien gebildet sind.
-
Infolge
der elektrisch leitfähigen
Beschichtung 4 können
die Glasfasern 1 mittels eines elektromagnetischen Wechselfeldes 12 sehr
schnell erhitzt werden, wodurch die Harzmatrix 6 des Flächengebildes 5 praktisch
schlagartig zumindest auf eine Aushärtungstemperatur TAushärtung gebracht
wird. Hierdurch ist eine zumindest teilweise Aushärtung des Flächengebildes 5 in
einer Zeit zwischen 1 s und 60 s möglich. Eine unerwünschte thermische
Beeinträchtigung
von Baugruppen oder Bauteilen im Bereich der Reparaturstelle wird
weitgehend vermieden. Damit ist das Flächengebilde 5 für die kurzfristige
Vorort-Reparatur von Defekten an Bauteilen in Flugzeugen, die mit
faserverstärkten
duroplastischen Kunststoffmaterialien gebildet sind, einsetzbar.
-
Beispielsweise
können
mit dem Flächengebilde 5 Risse
in Klimatisierungsleitungen in Passagierflugzeugkabinen in kürzester
Zeit abgedichtet werden.
-
- 1
- Glasfaser
- 2
- Kern
- 3
- Schlichte
- 4
- elektrisch
leitfähige
Beschichtung
- 5
- Flächengebilde
- 6
- Harzmatrix
- 7
- Reparaturstelle
- 8
- Bauteil
- 9
- Ringspule
- 10
- Generator
- 11
- Wechselstrom
- 12
- elektromagnetisches
Wechselfeld
- 13
- Abstand
- 14
- Zuleitung
- 15
- Zuleitung