DE102007003274B3

DE102007003274B3 - Verfahren zum Verstärken eines Schaumwerkstoffs sowie Kernverbundbauteil

Info

Publication number: DE102007003274B3
Application number: DE102007003274A
Authority: DE
Inventors: Hans-Jürgen WEBER; Gregor Christian Endres
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2007-01-23
Filing date: 2007-01-23
Publication date: 2008-06-19
Anticipated expiration: 2027-01-24

Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Verstärken eines Schaumwerkstoffs, bei dem zunächst ein Bearbeitungsbereich vorgegeben wird. Im Schaumwerkstoff wird ein den Bearbeitungsbereich flächenhaft zumindest teilweise umschließender Spalt erzeugt, in den ein Faserflächenmaterial eingelagert wird. Eine Strebe wird in den Schaumwerkstoff eingebracht, welche sich von einer Eintrittsoberfläche des Schaumwerkstoffs von außerhalb des Bearbeitungsbereichs bis zumindest zum Faserflächenmaterial erstreckt. Unter einem weiteren Gesichtspunkt wird ein Kernverbundbauteil mit einem Kern, der einen Schaumwerkstoff aufweist, geschaffen. Ein im Schaumwerkstoff angeordnetes Faserflächenmaterial umgrenzt flächenhaft zumindest teilweise einen Bearbeitungsbereich des Kernverbundteils. Mindestens eine Strebe ist in den Schaumwerkstoff eingelagert und erstreckt sich von einer Eintrittsoberfläche des Schaumwerkstoffs von außerhalb des Bearbeitungsbereichs bis zumindest zum Faserflächenmaterial.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das technische Gebiet der Verbundwerkstoffe. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Verstärken eines Schaumwerkstoffs. Außerdem betrifft die Erfindung ein Kernverbundbauteil, das einen verstärkten Schaumwerkstoff aufweist, sowie ein Flugzeug mit solch einem Kernverbundbauteil oder mit einem Strukturbauteil, das unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahren verstärkt worden ist.
Obwohl auf beliebige verstärkte Schaumwerkstoffe anwendbar, werden die vorliegende Erfindung sowie die ihr zugrunde liegende Problematik in Bezug auf flächenartige Kernverbunde mit einem zwischen Deckschichten eingeschlossenen, durch mit einem Harz infiltrierte Fasern verstärkten Schaumstoffkern näher erläutert.
Verbundwerkstoffe und insbesondere so genannte Kernverbunde finden aufgrund ihres guten Verhältnisses von Steifigkeit und Festigkeit zur Dichte auf dem Gebiet des Flugzeugbaus einen breiten Anwendungsbereich. Kernverbunde weisen im allgemeinen eine obere und eine untere Deckschicht auf, zwischen denen sich zur Erhöhung der Steifigkeit beispielsweise eine aus vertikal verlaufenden Zellen mit hexagonalem Querschnitt verlaufende Kernstruktur befindet.
Eine Alternative zu derartigen Wabenstrukturen stellen Hartschaumstoffe dar. Sie weisen unter anderem im Bereich thermischer und akustischer Isolation sowie bei der Prozesstechnik zur Herstellung von Kernverbunden Vorteile gegenüber Wabenstrukturen auf. Ein Nachteil dieser Schaumstrukturen liegt in der geringeren mechanischen Festigkeit bei gleicher Dichte.
Um diese geringere Festigkeit zu kompensieren, können Kernverbunde mit Schaumwerkstoffkernen durch Einbringen von Verstrebungen in den Kern zusätzlich verstärkt werden. Insbesondere Nähverfahren bieten die Möglichkeit, Fasern und Fäden zur Bildung von Streben unter unterschiedlichen Winkeln und mit über das Bauteil variierender Dichte einzubringen. Durch die technisch erreichbaren Stichgeschwindigkeiten ist eine zügige Armierung des Bauteils möglich. Nach einem Harzinfiltrationsprozess tragen die durchstochenen Bereiche zur mechanischen Verstärkung des Grundschaumwerkstoffs bei. Anwendung finden derartige Strukturen bereits in Kernverbundkonstruktionen im LKW- und Schiffbau.
Die DE 10 2005 024 408 A1 offenbart ein Nähverfahren, bei dem zunächst mit der Nadel von einer Seite aus ein Durchgangsloch in den Schaumwerkstoff gestochen wird, um dann ein auf der anderen Seite bereitgestelltes Faserbündel mit der Nadel aufzugreifen und in den Schaumwerkstoff einziehen zu können. Da das Faserbündel das Durchgangsloch weitgehend ausfüllt, wird bei einer anschließenden Infiltration nur wenig Harz eingelagert, was zu einem verbesserten Verhältnis der erzielten mechanischen Festigkeit zur Dichte des Kernverbunds führt und entsprechende Strukturen zur Anwendung im Flugzeugbau geeignet macht.
Die GB 2 131 741 A offenbart ein Verfahren zur Reparatur eines beschädigten Kernverbundbauteils, gemäß dem der beschädigte Bereich ausgeschnitten wird. An einem Reparaturelement und an der den ausgeschnittenen Bereich umgebenden Kante des Kernverbundbauteils werden Nuten ausgebildet. Nachdem das Reparaturelement in den ausgeschnittenen Bereich eingesetzt ist, wird eine aushärtbare Füllmasse in die Nuten eingefüllt.
Die verstärkende Wirkung von Verstrebungen beruht jedoch auf einer Zug-/Druckbelastung der eingebrachten Streben. Diese können nur dann Kräfte aufnehmen, wenn sie an beiden Enden an einem druckfesten Element, in der Regel einer Deckschicht des Kernverbunds angebunden sind. Werden sie mittig durchtrennt oder an einem Ende abgelöst, sind sie mechanisch wirkungslos.
Da die Streben typischerweise unter verschiedenen definierten Winkeln zur Deckschicht verlaufen, ergibt sich das Problem, dass bei einer lokalisierten Bearbeitung einer derartig verstärkten Kernstruktur an einer Bearbeitungsstelle die mechanische Festigkeit des Kernverbunds in einem über den bearbeiteten Bereich hinaus vergrößerten Bereich abnimmt, in dem Streben ihre mechanische Wirkung verlieren. In diesem vergrößerten Bereich wird der unverstärkte Schaumwerkstoff zum festigkeitsbestimmenden Element, was vor allem bei leichten Schaumwerkstoffen zu einer starken lokalen Veränderung der mechanischen Eigenschaften führt.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verstärkungsverfahren zu schaffen, das es erlaubt, verstärkte Schaumwerkstoffe lokal zu bearbeiten, ohne dass es zu einer Beeinträchtigung der mechanischen Eigenschaften in einem vergrößerten Bereich um die Bearbeitungsstelle kommt.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zum Verstärken eines Schaumwerkstoffs mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Kernverbundbauteil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 13 gelöst.
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, dass zunächst ein Bearbeitungsbereich vorgegeben wird, innerhalb dessen zu einem späteren Zeitpunkt eine lokalisierte Bearbeitung des zu verstärkenden Schaumwerkstoffes durchgeführt werden soll.
Anschließend wird im Schaumwerkstoff ein den vorgegebenen Bearbeitungsbereich flächenhaft zumindest teilweise umschließender Spalt erzeugt, d. h. ein dünner, flächenhaft ausgedehnter Hohlraum, der sich im Schaumwerkstoff entlang der Begrenzungsflächen des Bearbeitungsbereiches erstreckt. In diesen Spalt wird ein Faserflächenmaterial eingelagert, so dass das in den Schaumwerkstoff eingelagerte Faserflächenmaterial die äußere Begrenzung des Bearbeitungsbereichs bildet. In einem weiteren Schritt wird eine Strebe in den Schaumwerkstoff eingebracht, die an einem außerhalb des Bearbeitungsbereichs gelegenen Punkt einer Oberfläche des Schaumwerkstoffs, die im Folgenden Eintrittsoberfläche genannt werden soll, in den Schaumwerkstoff eintritt und sich von dort bis zumindest zum Faserflächenmaterial erstreckt. Das Faserflächenmaterial wird mit einem Matrixsystem infiltriert.
Im Ergebnis verbinden die beiden Enden der eingelagerten Strebe eine äußere Oberfläche des Schaumwerkstoffes, die Eintrittsoberfläche, und das Faserflächenmaterial an der Begrenzungsfläche des Bearbeitungsbereichs im Innern des Schaumwerkstoffes. Die Strebe ist somit an beiden Enden angebunden/eingebunden, wobei keiner der beiden Anbindungspunkte innerhalb des Bearbeitungsbereichs liegen und die Strebe auf der Verbindungsstrecke zwischen diesen beiden Anbindungspunkten an keiner Stelle den Bearbeitungsbereich passiert. Erfolgt zu einem späteren Zeitpunkt eine auf das Innere des Bearbeitungsbereichs beschränkte, lokalisierte Bearbeitung des verstärkten Schaumstoffs, bleibt die beidseitige Anbindung der Strebe und damit ihre verstärkende Wirkung bestehen. Folgerichtig ermöglicht die erfindungsgemäße Verstärkung eines Schaumwerkstoffs eine anschließende lokalisierte Bearbeitung innerhalb des vorzugebenden Bearbeitungsbereichs, ohne dass es in einem in einem über den Bearbeitungsbereich ausgedehnten Bereich zu einer Beeinträchtigung der mechanischen Eigenschaften des verstärkten Schaumwerkstoffs kommt.
Das unter einem weiteren Gesichtspunkt bereitgestellte erfindungsgemäße Kernverbundbauteil umfasst einen Kern, der einen Schaumwerkstoff aufweist, und ein im Schaumwerkstoff angeordnetes Faserflächenmaterial, das einen Bearbeitungsbereich des Kernverbundteils zumindest teilweise flächenhaft umgrenzt. Mindestens eine Strebe ist in den Schaumwerkstoff eingelagert und erstreckt sich von einer Eintrittsoberfläche des Schaumwerkstoffs von außerhalb des Bearbeitungsbereichs bis zumindest zum Faserflächenmaterial. Dieses Kernverbundbauteil hat den Vorteil, dass es innerhalb des Bearbeitungsbereichs lokalisiert bearbeitbar ist, ohne dass die mechanischen Eigenschaften des Kernverbundbauteils außerhalb des Bearbeitungsbereichs beeinträchtigt werden.
In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist weiterhin vorgesehen, den mit dem Faserflächenmaterial durchsetzten Spalt mit dem Matrixsystem zu verfüllen. Dies ist besonders vorteilhaft, da eine mechanisch besonders stabile Begrenzung des Bearbeitungsbereichs entsteht, so dass der Bearbeitungsbereich im Rahmen der lokalisierten Bearbeitung z. B. vollständig entkernt werden kann, ohne dass das Fasermaterial sich von dem umgebenden Schaumwerkstoff löst. Dabei kommt es zur Einbindung der Strebe in die Harzmatrix des Faserflächenmaterials, so dass die Strebe auf einfache Weise zuverlässig an der Begrenzungsfläche des Bearbeitungsbereichs verankert wird.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung umfasst das Erzeugen des Spalts mehrere Teilschritte. Zunächst wird innerhalb des Bearbeitungsbereichs der Schaumwerkstoffs entfernt, z. B. durch Ausbohren oder Ausfräsen des Bereichs. Weiterhin wird ein Einbettungsteil bereitgestellt, das entsprechend dem Bearbeitungsbereich derart geformt ist, dass es diesen unter Belassen des Spalts wesentlich ausfüllt. Das Einbettungsteil ist demnach ähnlich geformt, aber ein wenig kleiner als der Bearbeitungsbereich, wobei die Differenz dem beabsichtigten Spaltmaß entspricht. Durch abschließendes Einsetzen des Einbettungsteils in den Bearbeitungsbereich ergibt sich der gewünschte Spalt.
Diese Weiterbildung ist besonders vorteilhaft, da der Bearbeitungsbereich mit einfachen Werkzeugen wie einem Bohrer definiert werden kann. Weiterhin kann das Material für das Einbettungsteil in für die beabsichtigte lokalisierte Bearbei tung zweckmäßiger Weise abweichend vom Material des den Bearbeitungsbereich umgebenden Schaumwerkstoffs gewählt werden.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung umfasst das Einlagern des Faserflächenmaterials das Bedecken einer Außenfläche des Einbettungsteils mit dem Faserflächenmaterial, und zwar vor dem Einsetzen des Einbettungsteils. Dies ist vorteilhaft, da das weiche Fasermaterial besonders leicht um das Einbettungsteil drapiert werden kann, wenn dieses sich noch außerhalb des Bearbeitungsbereichs befindet. Gemäß einer alternativen Weiterbildung wird vor dem Einsetzen des Einbettungsteils eine Innenfläche des Bearbeitungsbereichs mit dem Faserflächenmaterial bedeckt, z. B. wenn je nach Form des Bearbeitungsbereichs diese Vorgehensweise einfacher ist. Beide Weiterbildungen können auch kombiniert werden.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung wird die Strebe eingebracht, indem zunächst im Schaumwerkstoff ein Loch erzeugt wird, das sich von einem Punkt an der Eintrittsoberfläche des Schaumwerkstoffs, außerhalb des Bearbeitungsbereichs, bis zumindest zum Faserflächenmaterial erstreckt. Anschließend wird zumindest ein Faserbündel in das Loch eingezogen. Dies hat den Vorteil, das sich so eine besonders leichte Strebe bilden lässt. Vorzugsweise ist weiterhin ein Schritt des Verfüllens des mit dem zumindest einen Faserbündel durchsetzten Lochs mit einem Matrixsystem vorgesehen, was die Strebe weiter verstärkt und ihre Anbindung an den Endpunkten verbessert. Dieses Verfüllen kann z. B. gemeinsam mit dem Infiltrieren des Faserflächenmaterials erfolgen.
Vorzugsweise wird das Loch erzeugt, indem eine Nadel durch den Schaumwerkstoff und das Faserflächenmaterial bis an eine Austrittsoberfläche des Schaumwerkstoffs gestochen wird. Dies hat den Vorteil, dass die Strebe auf die gleiche Weise gebildet werden kann wie andere Streben im Schaumwerkstoff außerhalb des Bearbeitungsbereichs. Somit kann ohne Rücksicht auf das Vorhandensein oder die Lage des Bearbeitungsbereichs der gesamte Schaumwerkstoff mit Verfahren aus dem Stand der Technik zügig mit Streben versehen werden.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist weiterhin nach dem Einbringen der Strebe ein Schritt des zumindest teilweisen Entfernens des Schaumwerkstoffs einschließlich der Strebe innerhalb des Bearbeitungsbereichs vorgesehen. Auf diese Weise kann der Bearbeitungsbereich z. B. als Durchführungsloch für Leitungen dienen. Vorzugsweise wird ein Einsatzteil in den Bearbeitungsbereich eingesetzt, was weitere Funktionen wie die eines Befestigungselements übernehmen kann. Vorzugsweise beträgt der Durchmesser des Einsatzteils mindestens 2/3 des Durchmessers des Bearbeitungsbereichs und höchstens weniger als der Durchmesser des Bearbeitungsbereichs. In diesem Bereich verbleibt ein Zwischenraum zweckmäßiger Größe, der zur stabilen Einbindung des Einsatzteils mit einem Füllmaterial wie z. B. Expansionsklebstoff verfüllt werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung wird weiterhin vor dem Entfernen des Schaumwerkstoffs einschließlich der Strebe mindestens eine Decklage auf mindestens einer Oberfläche des Schaumwerkstoffs ausgebildet oder angeordnet, in der über dem Bearbeitungsbereich eine Decklagenöffnung erzeugt wird, z. B. durch Bohren. Vorzugsweise beträgt der Durchmesser ser Decklagenöffnung mindestens 2/3 des Durchmessers des Bearbeitungsbereichs und höchstens weniger als ein Durchmesser des Bearbeitungsbereichs. Auf diese Weise kann ein Einsatzteil passgenau in die Decklagenöffnung eingepasst werden, während der darunterliegende Bearbeitungsbereich zur Anbindung des Einsatzteils mit einem Füllmaterial verfüllt werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Kernverbundbauteils ist der Bearbeitungsbereich mit dem Schaumwerkstoff gefüllt. Da die Eigenschaften eines solchen Kernverbundbauteils im Bearbeitungsbereich sich kaum von den Eigenschaften außerhalb des Bearbeitungsbereichs unterscheiden, können z. B. Bearbeitungsbereiche dieser Art vorsorglich in einem Kernverbundbauteil ausgebildet sein, so dass zu einem späteren Zeitpunkt auch nach Einbau des Kernverbundteils entschieden werden kann, ob der Bearbeitungsbereich tatsächlich bearbeitet werden soll.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung, ist zumindest eine Oberfläche des Schaumwerkstoffkerns durch eine Decklage ausgebildet, die insbesondere den Bearbeitungsbereich vollständig überdeckt. Auf diese Weise ist der Bearbeitungsbereich von oberhalb der Decklage unsichtbar, so dass derartige Bearbeitungsbereiche in einem Kernverbundteil ohne Beeinträchtigung der äußeren Erscheinung des Kernverbundteils z. B. in einer Wandverkleidung für eine mögliche spätere Bearbeitung vorbereitet sein können.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist in der Decklage innerhalb des Bearbeitungsbereichs eine Decklagenöffnung ausgebildet, wobei insbesondere der Durchmesser der Decklagenöffnung mindestens 2/3 des Durchmessers des Bearbeitungsbereichs und höchstens weniger als ein Durchmesser des Bearbeitungsbereichs beträgt. Vorzugsweise ist innerhalb des Bearbeitungsbereiches ein Einsatzteil in den Schaumwerkstoff eingesetzt, wobei insbesondere ein Durchmesser des Einsatzteils etwa gleich dem Durchmesser der Decklagenöffnung ist. Auf diese Weise wird das Einsatzteil in der Decklagenöffnung gehalten. Das Einsatzteil kann beliebige Funktionen erfüllen. Gemäß einer Weiterbildung umfasst es ein Befestigungselement zur Befestigung des Kernverbundbauteils mit beliebigen weiteren Bauteilen, z. B. eine Schraubenmutter.
Vorzugsweise ist der Bearbeitungsbereich wesentlich mit einem Füllwerkstoff ausgefüllt, in dem das Einsatzteil eingebunden ist, wobei insbesondere das Einsatzteil ein seitliches Vertiefungsprofil aufweist, das zumindest teilweise durch den Füllwerkstoff ausgefüllt ist. Dies führt zu einer besonders sicheren Verankerung wie auch zu einer Gewichtsersparnis. Der Füllwerkstoff weist vorzugsweise einen Klebstoff, insbesonde re einen Expansionsklebstoff, durch den das Einsatzteil und das Faserflächenmaterial miteinander verklebt sind.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren der Zeichnung näher erläutert.
Von den Figuren zeigen:
1 eine schematische Schnittansicht eines beispielhaften Kernverbunds mit einem verstärkten Schaumstoffkern; und
2A–D eine Darstellung in schematischen Querschnittsansichten der Verstärkung und lokalisierten Bearbeitung eines Schaumwerkstoffs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In den Figuren bezeichnen dieselben Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.
1 zeigt ausschnittsweise in schematischer Schnittansicht ein Beispiel eines Kernverbundbauteils 100, das eine zwischen zwei Decklagen 108, 108' eingeschlossene Kernstruktur 102 aufweist. Die Kernstruktur 102 besteht wesentlich aus einem Schaumwerkstoff 106, z. B. einem hochwertigem PMI-Hartschaumstoff, wie er sich in der Luftfahrt als vorteilhaft erweist. Selbstverständlich können jedoch auch andere Schaumstoffe verwendet werden, die beispielsweise aus Polytetrafluorethylen oder Polyurethanen bestehen.
Der in der Kernstruktur 102 verwendete Schaumwerkstoff 106 ist durch eine Vielzahl von Streben 104 verstärkt, die zwischen den beiden Decklagen 108, 108' durch den Schaumwerkstoff 106 verlaufen und von denen hier eine einzelne Strebe 104 beispielhaft gezeigt ist.
Zur Ausbildung der Strebe 104 ist in den Schaumwerkstoffkern 102 mittels eines Nähverfahrens ein Durchgangsloch eingebracht worden, in das ein Faserbündel 110 eingelagert wurde. Anschließend wurde das Durchgangsloch mit Harz (nicht gezeigt) infiltriert.
Die Strebe 104 ist an ihren beiden Enden 112, 114 an jeweils einer der Decklagen 108, 108' angelegt und befestigt, z. B. im Rahmen einer Infiltration mit Harz. Beispielhaft zeigt eines der Enden 112, dass das Faserbündel zwischen Decklage 108' und Schaumwerkstoff eingebettet sein kann, während das andere Ende 114 zeigt, dass das Faserbündel 110 an der Außenseite einer Decklage 108 angelegt sein kann. Weitere Befestigungsvarianten sind möglich.
Die Strebe 104 bildet beispielhaft einen Winkel α mit den Decklagen 108, 108'. Durch die Befestigung beider Enden 112, 114 der Strebe 104 wird bei entsprechender Verbiegung des Kernverbunds 100 die Strebe 104 auf Zug belastet. Eine Vielzahl. ähnlicher Streben, die jeweils bei unterschiedlicher Belastung des Kernverbunds auf Zug belastet werden, kann in den Schaumwerkstoff unter beliebiger Winkellage eingebracht sein.
2A–D zeigt in schematischen Querschnittsansichten die Verstärkung und weitere Bearbeitung eines Schaumwerkstoffes 106 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Der in 2A im Ausgangszustand gezeigte Schaumwerkstoff 106 ist ein von zwei Oberflächen 210, 212 begrenztes, flächenhaft ausgedehntes Halbzeug der Dicke s, von dem hier die Querschnittsansicht eines Ausschnitts zu sehen ist. In einem ersten Bearbeitungsschritt wird, symbolisiert durch den Pfeil 204, durch Ausbohren oder -fräsen der Schaumwerkstoff innerhalb eines durch gestrichelte Linien angedeuteten Bearbeitungsbereichs 200 der Schaumwerkstoff 106 entfernt. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel hat dieser Bearbeitungsbereich die Form eines Zylinders mit Durchmesser d1 und Höhe s. Sowohl der Schaumwerkstoff 106 als auch der Bearbeitungsbereich 200 können aber von beliebiger anderer Form und Größe sein.
2B zeigt den Schaumwerkstoff 106 mit dem durch den Bohrvorgang 204 ausgehöhlten zylinderförmigen Bearbeitungsbereich 200. Zusätzlich bereitgestellt ist ein Einbettungsteil 208, das ebenfalls aus einem Schaumwerkstoff besteht und die Form eines Zylinders mit Höhe s und einem Durchmesser aufweist, der um einen geringen Differenzwert kleiner als der Durchmesser d1 des Bearbeitungsbereichs 200 ist. Der Schaumwerkstoff des Einbettungsteils kann von abweichender oder gleicher Art wie der den Bearbeitungsbereich umgebende Schaumwerkstoff 106 sein. Das Einbettungsteil 208 ist mit einem Faserflächenmaterial 202 ummantelt, dessen Dicke etwa der halben Differenz zwischen dem Durchmesser des Einbettungsteils und dem Durchmesser d1 des Bearbeitungsbereichs beträgt, so dass der Durchmesser des Einbettungsteils 208 einschließlich der Ummantelung 202 aus Faserflächenmaterial 202 etwa gleich dem Durchmesser des Bearbeitungsbereichs 200 ist. Das Einbettungsteil 208 wird nun in den Bearbeitungsbereich 200 passgenau eingeschoben, so dass das Fasermaterial in einem Spalt zwischen dem Einbettungsteil 208 und dem umgebenden Schaumwerkstoff 106 zu liegen kommt.
Anschließend wird mit Verfahren aus dem Stand der Technik wie z. B. dem anhand von 1 erläuterten Verfahren eine Verstärkung des Schaumwerkstoffs 106 einschließlich des durch das Einbettungsteil 208 gefüllten Bearbeitungsbereichs durchgeführt, deren Ergebnis in 2C dargestellt. Eine Reihe von eingelagerten Streben 104 durchziehen unter unterschiedlichen Winkeln den Schaumwerkstoff 106 einschließlich des eingeschobenen Einbettungsteils 208 und seiner Ummantelung 202. Dies ist z. B. durch Anwenden des anhand von 1 beschriebenen Verfahren zu erreichen, da sowohl der Schaumwerkstoff 106 innerhalb und außerhalb des Bearbeitungsbereichs 200 als auch das Fasermaterial 202 von Nadeln durchstochen werden können. Wie für das Verfahren von 1 bereits erwähnt, entstehen Durchgangslöcher mit eingelagerten Faserbündeln, die anschließend mit einem Harz infiltriert werden, z. B. indem Harz von einer Seite des Schaumwerkstoffs in die Durchgangslöcher gepresst wird. Im Falle des hier dargestellten Verfahrens wird gleichzeitig mit den Faserbündeln auch das Faserflächenmaterial 202 infiltriert, so dass solche Streben 104, die durch das Faserflächenmaterial 202 hindurch treten, an der Durchtrittsstelle eine feste Anbindung durch das Harz erfahren.
An den Oberflächen 210, 212 werden sodann Decklagen 216, 216' angeordnet, die beispielsweise ebenfalls aus einem Faserflächenmaterial wie z. B. einem Papier bestehen können, das anschließend mit Harz imprägniert wird. Hierbei werden auch die Streben 104 fest an die Decklagen 216, 216' angebunden. In dem somit hergestellten Kernverbund 100 Zustand ist der Bearbeitungsbereich 200 von außen nicht sichtbar.
Wie durch das Pfeilsymbol 206 in 2C angedeutet wird nun durch Bohren innerhalb des Bearbeitungsbereichs 200 ein zylinderförmiger Entkernbereich 224 ausgehöhlt, wobei Decklagen 216, 216', Schaumwerkstoff des Einbettungsteils 208 und Streben 104 gleichermaßen entfernt werden. Hierdurch werden innerhalb des Bearbeitungsbereichs 200 verbleibende Reste von Streben mechanisch wirkungslos, die außerhalb liegenden Abschnitte derselben Streben 104 bleiben aufgrund ihrer Anbindung an das Faserflächenmaterial 202 wirksam. Der Durchmesser d2 des Entkernbereichs 224 beträgt etwa 2/3 des Durchmessers d1 des Bearbeitungsbereichs.
Wie im Ergebnis in 2D zu sehen, werden nun der innerhalb des Bearbeitungsbereichs noch verbliebene Schaumwerkstoff des Einbettungsteils 208 und die verbliebenen Reste der innerhalb des Bearbeitungsbereichs 200 verlaufenden Abschnitte der Streben 104 entfernt, z. B. durch Ausfräsen des Bearbeitungsbereichs durch die Decklagenöffnung. Hierdurch entsteht eine Hinterschneidung.
Anschließend wird ein Einsatzteil 214 mit einem Außendurchmesser d2, der dem Durchmesser der durch Bohren 206 gebildeten Decklagenöffnung entspricht, in den Bearbeitungsbereich 200 eingesetzt. In einem abschließenden Schritt wird ein Klebstoff 222, z. B. ein Expansionsklebstoff, in den Bearbeitungsbereich 200 injiziert, der beim Aushärten das Einsatzteil 214 fest an den Kernverbund 100 bindet. Durch die Hinterschneidung der Decklagenöffnung wie auch durch ein am Einsatzteil 214 ausgebildetes Tiefenprofil 220 wird das Einsatzteil und das z. B. daran ausgebildete Befestigungselement 218 durch den ausgehärteten Klebstoff auch formschlüssig in seiner Position gehalten.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorliegend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.
Beispielsweise kann ein in den Bearbeitungsbereich eingebundenes Einsatzteil zur Erfüllung beliebiger Funktionen als Durchführung, Sensor, Schalter usw. ausgebildet sein. Der Bearbeitungsbereich wie auch der Kernverbund insgesamt können von beliebiger geometrische Form sein. Der Bearbeitungsbereich kann z. B. bei Einbau eines Sensors durch die Decklage vollständig geschlossen sein. Statt der beschriebenen Streben aus imprägnierten Faserbündeln können pultrudierte Kunststoffstäbe eingesetzt werden.

100: Kernverbund
102: Kern
104: Strebe
106: Schaumwerkstoff
108, 108': Deckschicht
110: Faserbündel
112, 114: Enden der Strebe
200: Bearbeitungsbereich
202: Faserflächenmaterial
204: Bohren des Bearbeitungsbereichs
206: Bohren der Decklagenöffnung
208: Einbettungsteil
210: Eintrittsoberfläche
212: Austrittsoberfläche
214: Einsatzteil
216, 216': Decklage
218: Befestigungselement
220: Tiefenprofil
222: Füllwerkstoff
224: Entkernbereich
d1: Durchmesser des Bearbeitungsbereichs
d2: Durchmesser der Decklagenöffnung

Claims

Verfahren zum Verstärken eines Schaumwerkstoffs (106) mit folgenden Verfahrensschritten: Vorgeben eines Bearbeitungsbereichs (200); Erzeugen eines den Bearbeitungsbereich (200) flächenhaft zumindest teilweise umschließenden Spalts; Einlagern eines Faserflächenmaterials (202) in den Spalt in dem Schaumwerkstoff (106); Einbringen einer Strebe (104) in den Schaumwerkstoff (106), welche sich von einer Eintrittsoberfläche (210) des Schaumwerkstoffs (106) von außerhalb des Bearbeitungsbereichs (200) bis zumindest zum Faserflächenmaterial (202) erstreckt; und Infiltrieren des Faserflächenmaterials (202) mit einem Matrixsystem.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mit dem Faserflächenmaterial (202) durchsetzte Spalt mit dem Matrixsystem verfüllt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Erzeugen des Spalts die folgenden Teilschritte umfasst: Entfernen (204) des Schaumwerkstoffs (106) im Bearbeitungsbereich (200); Bereitstellen eines Einbettungsteils (208), das entsprechend dem Bearbeitungsbereich (200) derart geformt ist, dass es diesen unter Belassen des Spalts wesentlich ausfüllt; und Einsetzen des Einbettungsteils (208) in den Bearbei tungsbereich (200).
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlagern des Faserflächenmaterials (202) das Bedecken einer Außenfläche des Einbettungsteils (208) mit dem Faserflächenmaterial (202) vor dem Einsetzen des Einbettungsteils (208) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlagern des Faserflächenmaterials (202) das Bedecken einer Innenfläche des Bearbeitungsbereichs (200) mit dem Faserflächenmaterial (202) vor dem Einsetzen des Einbettungsteils (208) umfasst.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Einbringen der Strebe (104) die folgenden Teilschritte umfasst: Erzeugen eines Lochs in dem Schaumwerkstoff (106), welches sich von der Eintrittsoberfläche (210) des Schaumwerkstoffs (106) außerhalb des Bearbeitungsbereichs (200) bis zumindest zum Faserflächenmaterial (202) erstreckt; und Einziehen zumindest eines Faserbündels (110) in das Loch.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin ein Schritt des Verfüllens des mit dem zumindest einen Faserbündel (110) durchsetzten Lochs mit dem Matrixsystem vorgesehen ist.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Erzeugen des Lochs durch Durchstechen einer Nadel durch den Schaumwerkstoff (106) und das Faserflächenmaterial (202) bis an eine Austrittsoberfläche (212) des Schaumwerkstoffs (106) erfolgt.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin nach dem Einbringen der Strebe (104) ein Schritt des zumindest teilweisen Entfernens des Schaumwerkstoffs (106) einschließlich der Strebe (104) innerhalb des Bearbeitungsbereichs (200) vorgesehen ist.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin ein Schritt des Einsetzens eines Einsatzteils (214) in den Bearbeitungsbereich vorgesehen ist, wobei insbesondere der Durchmesser des Einsatzteils (214) mindestens 2/3 des Durchmessers des Bearbeitungsbereichs (200) und höchstens weniger als der Durchmesser des Bearbeitungsbereichs (200) beträgt.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin vor dem Schritt des Entfernens des Schaumwerkstoffs (106) einschließlich der Strebe (104) die Schritte vorgesehen sind: Ausbilden oder Anordnen mindestens einer Decklage (216, 216') auf mindestens einer Oberfläche (210, 212) des Schaumwerkstoffs; und Erzeugen (206) einer Decklagenöffnung in der mindestens einen Decklage (216, 216') über dem Bearbeitungsbereich (200); wobei insbesondere der Durchmesser der Decklagenöffnung mindestens 2/3 des Durchmessers (d2) des Bearbeitungsbereichs (200) und höchstens weniger als ein Durchmesser (d1) des Bearbeitungsbereichs (200) beträgt.
Verwendung des Verfahrens nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 11 zum Einsetzen eines Befestigungselements (214) in einen Kernverbund (100).
Kernverbundbauteil (100), umfassend: einen Kern (102), der einen Schaumwerkstoff (106) aufweist; ein im Schaumwerkstoff (106) angeordnetes Faserflächenmaterial (202), das einen Bearbeitungsbereich (200) des Kernverbundteils zumindest teilweise flächenhaft umgrenzt; und mindestens eine Strebe (104), die in den Schaumwerkstoff (106) eingelagert ist und sich von einer Eintrittsoberfläche (210) des Schaumwerkstoffs (106) von außerhalb des Bearbeitungsbereichs (200) bis zumindest zum Faserflächenmaterial (202) erstreckt.
Kernverbundbauteil nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Faserflächenmaterial (202) mit einem Harz infiltriert ist, wobei insbesondere die mindestens eine Strebe in das Harz eingebunden ist.
Kernverbundbauteil nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Strebe (104) mindestens ein in einem Durchgangsloch angeordnetes Faserbündel (110) aufweist, das insbesondere mit einem Harz infiltriert ist.
Kernverbundbauteil nach wenigstens einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Bearbeitungsbereich (200) mit dem Schaumwerkstoff (106) gefüllt ist.
Kernverbundbauteil nach wenigstens einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Strebe sich weiterhin durch das Flächenmaterial (202) bis zu einer Austrittsoberfläche (212) des Schaumwerkstoffs erstreckt.
Kernverbundbauteil nach wenigstens einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, wobei zumindest eine Oberfläche (210, 212) des Schaumwerkstoffkerns (206) durch eine Decklage (216, 216') ausgebildet ist.
Kernverbundbauteil nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Decklage (216, 216') den Bearbeitungsbereich vollständig überdeckt.
Kernverbundbauteil nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass in der Decklage (216, 216') innerhalb des Bearbeitungsbereichs (200) eine Decklagenöffnung ausgebildet ist; wobei insbesondere der Durchmesser der Decklagenöffnung mindestens 2/3 des Durchmessers (d2) des Bearbeitungsbereichs (200) und höchstens weniger als ein Durchmesser (d1) des Bearbeitungsbereichs (200) beträgt.
Kernverbundbauteil nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Bearbeitungsbereiches ein Einsatzteil (214) in den Schaumwerkstoff (106) eingesetzt ist, wobei insbesondere ein Durchmesser des Einsatzteils (214) etwa gleich dem Durchmesser (d1) der Decklagenöffnung ist.
Kernverbundbauteil nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Einsatzteil (214) ein Befestigungselement (218) zur Befestigung des Kernverbundbauteils (100) mit weiteren Bauteilen aufweist.
Kernverbundbauteil nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Bearbeitungsbereich wesentlich mit einem Füllwerkstoff (222) ausgefüllt ist, in dem das Einsatzteil (214) eingebunden ist.
Kernverbundbauteil nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Einsatzteil (214) ein seitliches Vertiefungsprofil (220) aufweist, das zumindest teilweise durch den Füllwerkstoff (222) ausgefüllt ist.
Kernverbundbauteil nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllwerkstoff (222) einen Klebstoff, insbesondere einen Expansionsklebstoff, aufweist und das Einsatzteil (214) und das Faserflächenmaterial (202) durch den Füllwerkstoff (222) miteinander verklebt sind.
Flugzeug mit einem Kernverbundbauteil (100) nach wenigstens einem der Ansprüche 13 bis 25 oder mit einem Strukturbauteil (100), das unter Verwendung des Verfahrens nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 11 hergestellt ist.