DE102006044487A1 - Flächengebilde, insbesondere Reparaturelement für faserverstärkte Bauteile aus einem duroplastischen Kunststoffmaterial - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Flächengebilde 5, insbesondere Reparaturelement für faserverstärkte Bauteile 8 aus einem duroplastischen Kunststoffmaterial, mit einer Vielzahl von Glasfasern 1, die in einer Harzmatrix 6 aus einem thermisch aushärtbaren duroplastischen Kunststoffmaterial eingebettet sind. Erfindungsgemäß weisen die Glasfasern 1 eine elektrisch leitfähige Beschichtung 4 auf, die mittels eines elektromagnetischen Wechselfeldes 12 zur Aushärtung des thermisch aushärtbaren duroplastischen Kunststoffmaterials der Matrix 6 erhitzbar sind. Infolge der elektrisch leitfähigen Beschichtung 4 können die Glasfasern 1 mittels eines elektromagnetischen Wechselfeldes sehr schnell erhitzt werden, wodurch die Harzmatrix 6 des Flächengebildes 5 praktisch schlagartig zumindest auf eine Aushärtungstemperatur T<SUB>Aushärtung</SUB> 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.
Description
- 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 Kern2 auf, der von einer Schlichte3 vollständig umgeben ist. Die Schlichte3 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 Glasfaser1 zu vermeiden. Darüber hinaus soll die Schlichte3 die Haftung der Glasfasern1 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 Glasfaser1 weist anstatt der Schlichte3 eine vollflächig ausgebildete, elektrisch leitfähige Beschichtung4 auf. Die elektrisch leitfähige Beschichtung4 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 Beschichtung4 auch durch eine metallische Beschichtung gebildet sein, die zum Beispiel auf die Glasfaser1 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 Schlichte3 wird in der Regel vor dem Aufbringen der elektrisch leitfähigen Beschichtung4 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 Harzmatrix6 auf, in die eine Vielzahl von Glasfasern1 in unterschiedlichster Orientierung im Raum zur mechanischen Verstärkung zur Bildung des vorimprägnierten Flächengebildes5 eingebettet sind. Die umgebende Harzmatrix6 des Flächengebildes5 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 Flächengebilde5 ohne die Gefahr von unbeabsichtigten Aushärtungsreaktionen auch längerfristig bei Raumtemperatur (21 °C) gelagert werden kann. Die Glasfasern1 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 Bauteils8 aufgebrachten Flächengebildes5 wird mittels einer Ringspule9 , die von einem Generator10 mit einem elektrischen Wechselstrom11 geeigneter Stromstärke und Frequenz gespeist wird, ein elektromagnetisches Wechselfeld12 erzeugt. Infolge der induktiven Aushärtung des Flächengebildes5 erfolgt zugleich eine feste Verklebung des Flächengebildes5 mit dem Bauteil8 , zum Beispiel einer Klimatisierungsleitung in einer Passagierflugzeugkabine, im Bereich der Reparaturstelle7 . Bei der Reparaturstelle7 handelt es sich im gezeigten Ausführungsbeispiel um einen Riss, der zur hermetischen Abdichtung vollflächig mit dem Flächengebilde5 abgedeckt ist. - Das Bauteil
8 kann mit einem beliebigen faserverstärkten Harzsystem, zum Beispiel mit einem glasfaser- oder kohlefaserverstärkten Epoxydharz gebildet sein. Alternativ kann das Bauteil8 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 Flächengebildes5 wird die Ringspule9 in einen definierten Abstand13 oberhalb des Bauteils8 geführt, um reproduzierbare Ergebnisse zu erreichen. Durch das mittels der Ringspule9 erzeugte elektromagnetische Wechselfeld12 werden in den elektrisch leitfähigen Beschichtungen der Glasfasern1 Wirbelströme erzeugt, die durch den Ohmschen Widerstand der Beschichtungen eine hohe Verlustwärme erzeugen, die zu einer fast schlagartigen Überschreitung der für die Harzmatrix6 des Flächengebildes5 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 Wechselfeldes12 erfolgt die Aushärtung des Flächengebildes5 , so dass das Flächengebilde5 immer vollständig, das heißt insbesondere vollflächig, vom elektromagnetischen Wechselfeld12 durchsetzt sein muss. - Die Ringspule
9 kann als ein in der Hand eines Benutzers fährbares Handwerkzeug ausgebildet sein, während der Generator10 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 Zuleitungen14 ,15 mit der Ringspule9 verbunden ist. Der Wechselstrom11 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 Abstandes13 für gleichmäßige und reproduzierbare Aushärtungsergebnisse des Flächengebildes5 eine zentrale Bedeutung zu. Daher kann im Bereich der Ringspule9 eine nicht dargestellte Schablone angebracht sein, mittels der ein Benutzer die Ausdehnung bzw. den Wirkungsbereich des elektromagnetischen Wechselfeldes12 in Abhängigkeit von einem Abstand13 der Ringspule9 von einer Oberfläche des Bauteils8 abschätzen kann, um eine möglichst vollflächige und gleichmäßige Erwärmung des Flächengebildes5 bis auf zumindest die erforderliche Aushärtungstemperatur TAushärtung und damit dessen zumindest teilweise Aushärtung sicher zu stellen. Die zumindest teilweise Aushärtung des Flächengebildes5 nach dem Anlegen des elektromagnetischen Wechselfeldes12 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 Flächengebildes5 bzw. des Reparaturelements auch mit einem Mikrowellengenerator (Hochfrequenzbereich) und einer geeigneten Antenne zur gerichteten und konzentrierten Abstrahlung der Mikrowellen auf das Flächengebilde5 erfolgen. In diesem Fall kann das elektromagnetische Wechselfeld12 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 Glasfasern1 mittels eines elektromagnetischen Wechselfeldes12 sehr schnell erhitzt werden, wodurch die Harzmatrix6 des Flächengebildes5 praktisch schlagartig zumindest auf eine Aushärtungstemperatur TAushärtung gebracht wird. Hierdurch ist eine zumindest teilweise Aushärtung des Flächengebildes5 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 Flächengebilde5 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
Claims (8)
- Flächengebilde (
5 ), insbesondere Reparaturelement für faserverstärkte Bauteile (8 ) aus einem duroplastischen Kunststoffmaterial, mit einer Vielzahl von Glasfasern (1 ), die in einer Harzmatrix (6 ) aus einem thermisch aushärtbaren duroplastischen Kunststoffmaterial eingebettet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Glasfasern (1 ) eine elektrisch leitfähige Beschichtung (4 ) aufweisen, die mittels eines elektromagnetischen Wechselfeldes (12 ) zur Aushärtung des thermisch aushärtbaren duroplastischen Kunststoffmaterials der Harzmatrix (6 ) erhitzbar sind. - Flächengebilde (
5 ) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Glasfasern (1 ) mittels des elektromagnetischen Wechselfeldes (12 ) zumindest auf eine Aushärtungstemperatur TAushärtung des thermisch aushärtbaren duroplastischen Kunststoffmaterials der Harzmatrix (6 ) erhitzbar sind. - Flächengebilde (
5 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Glasfasern (1 ) zur Herstellung der leitfähigen Beschichtung (4 ) insbesondere mit einem Titanoxid beschichtet sind. - Flächengebilde (
5 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Harzmatrix (6 ) mit einem Epoxydharz, einem Polyesterharz, einem Phenolharz oder einem BMI-Harz gebildet ist. - Flächengebilde (
5 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Flächengebilde (5 ) in einem Randbereich im Verhältnis zu einem mittleren Bereich eine geringere Materialstärke aufweist. - Flächengebilde (
5 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Flächengebilde (5 ) eine Fläche von bis zu 400 cm2 aufweist. - Flächengebilde (
5 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Farbgebung des Flächengebildes (5 ) der Farbgebung des zu reparierenden Bauteils (8 ) angepasst ist. - Flächengebilde (
5 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Flächengebilde (5 ) eine im Wesentlichen quadratische, rechteckige, ovale, elliptische oder kreisförmige geometrische Gestalt aufweist.
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