DE102007036510B3 - Verbundmaterial - Google Patents

Verbundmaterial Download PDF

Info

Publication number
DE102007036510B3
DE102007036510B3 DE200710036510 DE102007036510A DE102007036510B3 DE 102007036510 B3 DE102007036510 B3 DE 102007036510B3 DE 200710036510 DE200710036510 DE 200710036510 DE 102007036510 A DE102007036510 A DE 102007036510A DE 102007036510 B3 DE102007036510 B3 DE 102007036510B3
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
layers
fiber composite
layer
composite
fiber
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
DE200710036510
Other languages
English (en)
Inventor
Axel Dipl.-Ing. Fink
Boris Dr.-Ing. Kolesnikov
Lars Dr.-Ing. Herbeck
Stephan Erwig
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Original Assignee
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV filed Critical Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority to DE200710036510 priority Critical patent/DE102007036510B3/de
Application granted granted Critical
Publication of DE102007036510B3 publication Critical patent/DE102007036510B3/de
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32LAYERED PRODUCTS
    • B32BLAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B3/00Layered products comprising a layer with external or internal discontinuities or unevennesses, or a layer of non-planar form; Layered products having particular features of form
    • B32B3/02Layered products comprising a layer with external or internal discontinuities or unevennesses, or a layer of non-planar form; Layered products having particular features of form characterised by features of form at particular places, e.g. in edge regions
    • B32B3/06Layered products comprising a layer with external or internal discontinuities or unevennesses, or a layer of non-planar form; Layered products having particular features of form characterised by features of form at particular places, e.g. in edge regions for securing layers together; for attaching the product to another member, e.g. to a support, or to another product, e.g. groove/tongue, interlocking
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32LAYERED PRODUCTS
    • B32BLAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B15/00Layered products comprising a layer of metal
    • B32B15/14Layered products comprising a layer of metal next to a fibrous or filamentary layer
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32LAYERED PRODUCTS
    • B32BLAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B3/00Layered products comprising a layer with external or internal discontinuities or unevennesses, or a layer of non-planar form; Layered products having particular features of form
    • B32B3/02Layered products comprising a layer with external or internal discontinuities or unevennesses, or a layer of non-planar form; Layered products having particular features of form characterised by features of form at particular places, e.g. in edge regions
    • B32B3/08Layered products comprising a layer with external or internal discontinuities or unevennesses, or a layer of non-planar form; Layered products having particular features of form characterised by features of form at particular places, e.g. in edge regions characterised by added members at particular parts

Abstract

Bei einem Verbundmaterial, bestehend aus einem Faserverbund (1), einer Vielzahl von Faserverbundschichten (2, 15), einem mit einem Verbindungsmaterial gebildeten Verbindungsbereich (4) und einem zwischen dem Faserverbund (1) und dem Verbindungsbereich (4) ausgebildeten Übergangsbereich (3), wobei der Verbindungsbereich (4) aus Schichten (5, 21) aus dem Verstärkungsmaterial und durch den Übergangsbereich (3) in den Verbindungsbereich durchgehenden Faserverbundschichten (2) gebildet ist, und sich zwischen den durchgehenden Faserverbundschichten (2) nicht durchgehende Faserverbundschichten (2) und entsprechende Schichten aus dem Verstärkungsmaterial in den Übergangsbereich (3) hinein erstrecken, lassen sich lokale Überlastungen im Bereich eines Schichtersatzes reduzieren, wenn in dem Übergangsbereich (3) zwischen den nicht durchgehenden Faserverbundschichten (2) und den entsprechenden Schichten aus dem Verstärkungsmaterial eine Zwischenschicht (23) ausgebildet ist, und dass die Zwischenschicht (23) eine geringere Steifigkeit aufweist als die angrenzende nicht durchgehende Faserverbundschicht (2) und die entsprechende Schicht (5, 21) aus dem Verstärkungsmaterial.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verbundmaterial, bestehend aus einem Faserverbund einer Vielzahl von Faserverbundschichten (Faserverbundlaminat), einem mit einem Verbindungsmaterial gebildeten Verbindungsbereich und ein zwischen dem Faserverbund und dem Verbindungsbereich ausgebildeten Übergangsbereich, wobei der Verbindungsbereich aus Schichten aus dem Verstärkungsmaterial und durch den Übergangsbereich in den Verbindungsbereich durchgehenden Faserverbundschichten gebildet ist, und sich zwischen den durchgehenden Faserverbundschichten nicht durchgehende Faserverbundschichten und entsprechende Schichten aus dem Verstärkungsmaterial in den Übergangsbereich hinein erstrecken.
  • Moderne Faserverbunde mit einer polymeren Matrix, beispielsweise Kohlenstofffaser oder Glasfaser verstärkte Kunststoffe (CFK oder GFK), weisen hohe Zug- und Druckfestigkeiten auf. Für die hohe Zug- und Druckfestigkeit sind Faserverbundschichten mit in Zug- und Druckrichtung liegenden Faserrichtungen verantwortlich. Es ist gebräuchlich, einen Faserverbund mit bezüglich der Längsrichtung in 0°, 90° und +/–45° oder ähnlich liegenden Faserrichtungen aufzubauen. Für eine hohe Zugfestigkeit liegt der Anteil der 0°-Schichten höher als die jeweiligen Anteile der übrigen Faserverbundschichten mit anderen Faserrichtungen.
  • In aller Regel ist es erforderlich, derartig hergestellte Faserverbundbauteile mit anderen Bauteilen gleicher Art oder anderer Art zu verbinden. Dies geschieht häufig mit Hilfe von Bolzenverbindungen. Die für eine hohe Zug- und Dreckfestigkeit verantwortlichen Faserverbundschichten in 0°-Richtung weisen aber nur eine sehr geringe Lochleibungsfestigkeit auf. Eine verbesserte Lochleibungsfestigkeit ist durch einen erhöhten Anteil von schräg gerichteten Faserverbundschichten (beispielsweise +/–45°, +/–30° oder ähnlich) zu erhalten. Bei gleichem Querschnitt bzw. bei gleicher Dicke des Faserverbundes wird jedoch die Zugfestigkeit herabgesetzt.
  • Es ist daher beispielsweise aus der WO 00/56 541 A1 bekannt, das Faserverbundmaterial mit einem Verbindungsbereich zu versehen, der mit einem Verstärkungsmaterial gebildet ist. Als Verstärkungsmaterialien werden geeignete Metallschichten, beispielsweise aus Titan, eingesetzt. Die Integration der metallischen Verstärkungsmaterialien in den Faserverbund erfolgt mittels bekannter Schichtersatztechniken. Es ist bekannt, in dem Übergangsbereich einzelne Faserverbundschichten zu unterbrechen und teilweise durch Metallschichten gleicher Dicke zu ersetzen. Dabei liegen die Metallschichten und die unterbrochenen Faserverbundschichten auf Stoß. Die Stelle, an der die Schichtunterbrechung stattfindet und eine Metallschicht auf eine unterbrochene Faserverbundschicht stößt, wird als Schichtersatzpunkt oder Stoßstelle bezeichnet.
  • Durch die Integration der Metallschichten (vgl. etwa die WO 02/078 950 A1 ) werden bestimmte schwache Eigenschaften von unverstärkten Faserverbundlaminaten positiv beeinflusst. Unverstärkte Faserverbundlaminate zeichnen sich durch eine geringe Lochleibungsfestigkeit und Scherfestigkeit aus. Gerade für die Tragfähigkeit von Bolzenverbindungen ist jedoch eine hohe Lochleibungsfestigkeit und Scherfestigkeit ausschlaggebend.
  • Um die Lochleibungsfestigkeit und Scherfestigkeit im Verbindungsbereich zu erhöhen, werden Metallschichten hoher Lochleibungsfestigkeit und Scherfestigkeit, beispielsweise aus einem monolithischen oder geschichteten Titanmaterial eingesetzt.
  • Das teilweise Ersetzen einer Faserverbundschicht durch eine Metallschicht bewirkt am Schichtersatzpunkt eine Lastableitung von der unterbrochenen Faserverbundschicht, eine Lastumleitung über die benachbarten Faserverbundschichten und schließlich eine Steifigkeit gesteuerte Lasteinleitung in die eingebettete Metallschicht. Diese Lastableitung wird als „Lastwanderung" um den Schichtersatzpunkt herum bezeichnet.
  • Mit der Lastwanderung sind einige Nachteile verbunden: Die Lastwanderung führt zu lokalen Spannungskonzentrationen am Schichtersatzpunkt. Die Lastableitung aus der unterbrochenen Faserverbundschicht und die Lasteinleitung in die eingebettete Metallschicht erzeugen Schubspannungsspitzen. Die Lastumleitung um die benachbarten Faserverbundschichten herum erzeugen lokale Überlastungen angrenzender Faserverbundschichten. Die Schubspannungsspitzen können zu einem Ablösen einzelner Schichten des Faserverbundlaminates (Delamination) führen. Die lokalen Überlastungen angrenzender Schichten können zum lokalen Faserbruch führen.
  • Die Gefahr der Delamination oder des lokalen Faserbruchs treten auch auf, wenn Faserverbundschichten nicht teilweise mit Metallschichten sondern mit anderen, auch gleichartigen, Faserverbundschichten ersetzt werden, wie es bei Spleißverbindungen der Fall ist.
  • Der Erfindung liegt daher die Problemstellung zugrunde, ein Verbundmaterial der eingangs erwähnten Art so auszubilden, dass lokale Überlastungen benachbarter Faserverbundschichten am Schichtersatzpunkt und Schubspannungsspitzen reduziert werden, um die Tragfähigkeit des Übergangs vom Faserverbundlaminat zum Faserverbund/Metallhybrid und bei Spleißverbindungen zu erhöhen.
  • Ausgehend von dieser Problemstellung ist erfindungsgemäß ein Verbundmaterial der eingangs erwähnten Art dadurch gekennzeichnet, dass in dem Übergangsbereich eine Zwischenschicht angeordnet ist, die einerseits Stoßstellen mit den nicht durchgehenden Faserverbundschichten und andererseits mit den entsprechenden Schichten aus dem Verstärkungsmaterial ausbildet, und dass die Zwischenschicht eine geringere Steifigkeit aufweist als die angrenzen de nicht durchgehende Faserschicht und die entsprechende Schicht aus dem Verstärkungsmaterial.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verbundmaterial liegen die unterbrochene Faserverbundschicht und die ersetzende Schicht, beispielsweise eine Metallschicht, nicht auf Stoß aufeinander. Der zwischen diesen beiden Schichten gebildete und mit einem geeigneten Füllmaterial ausgefüllte Zwischenraum (auch „gap" genannt) bildet eine Zwischenschicht. Die Zwischenschicht weist eine geringere Steifigkeit auf als die beiden angrenzenden Schichten. Hierdurch werden lokale Überlastungen angrenzender Faserverbundschichten reduziert, indem der Lokalisierung der Belastungen bei der Lastumleitung entgegengewirkt wird. Durch das Einfügen der Zwischenschicht wird der Lastumleitung genügend Freiraum für die Ausbreitung und Verteilung in Richtung der Laminatdicke bereitgestellt. Die von der nicht durchgehenden Faserverbundschicht abgegebene Last verteilt sich somit über die gesamte Laminatdicke, bis sie wieder von der eingebetteten Metallschicht bzw. der eingebetteten Faserverbundschicht (bei einer Spleißverbindung) angezogen wird. Die Ausbreitung und die bessere Verteilung der Last bewirkt eine gleichmäßigere Belastung über den Restquerschnitt am Schichtersatz. So werden die lokalen Überlastungen an den am Schichtersatzpunkt anliegenden Schichten abgemindert.
  • Im Verbindungsbereich sind vorzugsweise abwechselnd die durchgehenden Faserverbundschichten und die Schichten aus dem Verstärkungsmaterial geschichtet. Auf diese Weise bleibt eine gewünschte Symmetrie erhalten und es wird eine hohe Lochleibungsfestigkeit bei einer auch im Übergangsbereich verbleibenden hohen Festigkeit gegen die Hauptbelastung des Faserverbundes (insbesondere Zugfestigkeit) erreicht. Zweckmäßigerweise weisen die Faserverbundschichten und die Schichten aus dem Verstärkungsmaterial alle eine gleiche Schichtdicke auf.
  • Besonders zweckmäßig ist es für das erfindungsgemäße Verbundmaterial, wenn die Faserverbundschichten des Faserverbunds symmetrisch zur Mittelebene der Dicke des Faserverbunds angeordnet sind und wenn dann in dem Übergangsbereich die Stoßstellen ebenfalls jeweils symmetrisch zur Mittelebene des Faserverbundes liegen. Auf diese Weise lässt sich eine Symmetrie auch bezüglich der Faserverbund schichten über die Dicke des Faserverbundes bis in den Verbindungsbereich hin realisieren.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt das Verhältnis von Länge zu Dicke der Zwischenschichten zwischen 5 und 40 und/oder das Verhältnis der Länge der Zwischenschichten zu Dicke des Verbundmaterials zwischen 2 und 10. Bei diesen Verhältnissen wird eine für viele Anwendungen erforderliche hohe Tragfähigkeit des Übergangsbereiches erzielt.
  • Die Schichtdicke der Faserverbundschichten des beispielsweise metallischen Titan-Verstärkungsmaterials liegt vorzugsweise zwischen 0,2 und 1 mm.
  • Zweckmäßig gehen diejenigen Faserverbundschichten bis in den Verbindungsbereich durch, die im Hinblick auf die Hauptbelastung des Faserverbundes am festesten sind. Die Hauptbelastung wird im Allgemeinen eine Zugbelastung sein, so dass die durchgehenden Schichten im Allgemeinen eine 0°-Faserrichtung aufweisen werden.
  • Bei der Verwendung von schrägen Faserrichtungen, insbesondere in einer 45°-Orientierrung, ist es zweckmäßig, jeweils eine Faserschicht der Orientierung plus α (0° < α < 90°) jeweils unmittelbar an einer Faserschicht der Orientierung –α anliegen zu lassen und so auszubilden, dass beide Faserverbundschichten zusammen die Dicke einer 0° oder 90°-Schicht aufweisen.
  • Auch diese Anordnung dient der Erhaltung einer möglichst perfekten Ausgewogenheit des Faserverbundes bezüglich seiner Mittelebene.
  • Das erfindungsgemäße Verbundmaterial ist insbesondere für hochfeste Verbindungsanordnungen eines Flugzeuges geeignet, beispielsweise zur optimierten Kopplung von Stringern an einem Flügel.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1 schematisch einen Schnitt durch ein Verbundmaterial gemäß dem Stand der Technik mit einem Verbindungsbereich zur Herstellung einer Verbindung zu einem anschließenden Verbundmaterial gleicher Art,
  • 2 eine vergrößerte Darstellung eines Bereichs um einen Schichtersatz aus 1,
  • 3 schematisch den Lastverlauf um den Schichtersatz aus 2,
  • 4 schematisch einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Verbundmaterial um den Bereich einer Zwischenschicht,
  • 5 schematisch den Lastverlauf in dem Bereich um die Zwischenschicht aus 4,
  • 6 schematisch einen Schnitt durch ein Verbundmaterial mit einem Verbindungsbereich zur Herstellung einer Verbindung zu einem anschließenden Verbundmaterial gleicher Art,
  • 7 den berechneten Verlauf der Zugspannungsüberhöhungen in Dickenrichtung an den kritischsten Querschnitten zweier Laminate im Bereich des Schichtersatzes,
  • 8 den Verlauf der Überlastungsreduktion in Abhängigkeit der Länge der Zwischenschicht,
  • 9 den Vergleich der Verläufe der Zugspannungsüberhöhungen in Dickenrichtung im Restquerschnitt für die beiden Laminate aus 7,
  • 10 die berechnete Überlastungsreduktion im Restquerschnitt in Abhängigkeit der Länge der Zwischenschicht,
  • 11 berechnete Schubspannungsverläufe am Rand einer ersetzten CFK-Schicht und einer eingebetteten Titanschicht und
  • 12 berechnete Schubspannungsmaxima in Abhängigkeit der Länge der Zwischenschicht.
  • 1 zeigt einen Faserverbund 1 gemäß dem Stand der Technik mit zahlreichen aufeinander liegenden Faserverbundschichten 2, die ein Faserverbundlaminat bilden.
  • Über einen Übergangsbereich 3 geht der Faserverbund 1 in einen Verbindungsbereich 4 über. In dem Verbindungsbereich 4 bilden durch den Übergangsbereich 3 hindurchgehende Faserverbundschichten 2 abwechselnden mit Metallschichten 5 ein Faser-Metall-Laminat 6 (Hybridbereich).
  • Die Metallschichten 5 dienen der Verstärkung des Faserverbundes 1 im Verbindungsbereich 4. Die Verbindung erfolgt vorliegend über Bolzen, deren Achsen 7 dargestellt sind. Das Einbetten der Metallschichten 5 erfolgt durch Unterbrechen einzelner Faserverbundschichten 2 und Ersetzen eines Teils dieser Faserverbundschichten 2 durch die Metallschichten 5.
  • Die nicht durchgehende Faserverbundschicht 2 und die entsprechende Metallschicht 5 werden so zueinander angeordnet, dass sie an der Stelle der Unterbrechung, einem so genannten Schichtersatzpunkt (auch Stoßstelle genannt), auf Stoß angeordnet werden. Fertigkeitsbedingt ist jedoch nicht zu vermeiden, dass an der Stoßstelle ein geringer Zwischenraum 8 entsteht. In dem dargestellten Faserverbund 1 haben alle Schichten, einschließlich der Metallschichten 5, die gleiche Dicke.
  • Der Übergangsbereich 3 ist zwischen dem Faserverbund 1 und dem Faser-Metall-Laminat 6 ausgebildet. Der Übergangsbereich 3 umfasst alle Schichtersatzbereiche 9 und stellt einen Übergang vom Faserverbund 1 zum Faser-Metall-Laminat 6 mit der Bolzenverbindung dar.
  • Die Schichtersatzbereiche 9 sind zueinander gestuft angeordnet. Eine vergleichbare Anordnung ist ebenso bei einer gewöhnlichen Spleißverbindung in Faserverbundlaminaten vorzufinden. Bei einer Spleißverbindung sind die Metallschichten 5 durch Faserverbundschichten beliebiger Orientierung ersetzt. Spleißverbindungen in der gewöhnlichen Faserverbundtechnik ergeben sich aus Einschränkungen in den Ausmaßen von Faserhalbzeugen: große Strukturen mit größeren Ausmaßen als die der verfügbaren Faserhalbzeuge erfordern eine Stückelung und somit das Einbringen von Spleißstellen.
  • 2 zeigt einen der Schichteratzbereiche 9 aus 1 in vergrößerter Darstellung. Die Faserverbundschicht 2 ist an dem Schichtersatzpunkt unterbrochen. Sie wird durch die eingebettete Metallschicht 5 fortgeführt. Die Metallschicht 5 und die Faserverbundschicht 2 sind auf Stoß zueinander angeordnet. Die Faserverbundschicht 2 und die Metallschicht 5 weisen die gleiche Schichtdicke auf. Der Rand 10 („ply drop off”) der unterbrochenen Faserbundschicht 2 und der Rand 11 („ply add an") der eingebettenen Metallschicht 5 fallen bei dieser Anordnung – bis auf den fertigungsbedingten Zwischenraum 8 – zusammen.
  • 3 zeigt schematisch den Beanspruchungszustand an dem konventionellen Schichtersatz aus 2 in Folge einer äußeren Zugbelastung 12 an der unterbrochenen Faserschicht 2 und der Metallschicht 5. Die Zugbelastung 12 führt zu einer Lastumleitung 13 über benachbarte Faserverbundschichten 14 um den Schnittersatzpunkt herum. Es ist zu erkennen, dass eine Lastableitung durch interlaminaren Schub 15 von der unterbrochenen Faserverbundschicht 2 in die benachbarte Faserverbundschicht 14 erfolgt. Der interlaminare Schub 15 ruft Schubspannungsspitzen 16 an den Rändern 10 und 11 hervor. Die Lastumleitung 13 ruft Überlastungen 17 der angrenzenden Faserverbundschichten 14 hervor.
  • Der Übersicht halber ist die Überlastung über mehrere Faserverbundschichten 14 dargestellt. In der Praxis konzentrieren sich diese Überlastungen jedoch in den unmittelbar benachbarten Faserverbundschichten 14.
  • 4 zeigt schematisch die Ausführung eines Schichtersatzes in einem erfindungsgemäßen Verbundmaterial. Ein Rand 18 einer unterbrochenen Faserverbundschicht 19 ist nicht auf Stoß mit einem Rand 20 einer eingebetteten Metallschicht 21 angeordnet. Zwischen dem Rand 18 der Faserverbundschicht 19 und dem Rand 20 der Metallschicht 21 ist ein Zwischenraum 22 (auch „gap" genannt) ausgebildet, der mit einem geeigneten Füllmaterial ausgefüllt ist. Das durch den Zwischenraum 22 geformte Füllmaterial bildet eine Zwischenschicht 23. Das Füllmaterial wird so gewählt, dass die Steifigkeit der Zwischenschicht 23 geringer ist als die Steifigkeit der eingebetteten Metallschicht 21 und der an der Zwischenschicht angrenzenden Faserverbundschicht 19.
  • Der Mindestabstand zwischen dem Rand 18 und dem Rand 20 ist primär abhängig von den Eigenschaften der durch die Metallschicht 21 ersetzten Schicht (insbesondere von deren Dicke, Steifigkeit und Belastung) und von den Eigenschaften der eingebetteten Metallschicht 21 (insbesondere von der Dicke, Steifigkeit und Belastung). Das Füllmaterial enthält vorliegend kurzfaserverstärkte Schichten. Das Verhältnis von Länge L und Dicke D der Zwischenschicht 20 beträgt etwa 7. Das Verhältnis von Dicke des Faserverbundes zu Dicke der Faserverbundschicht 2 beträgt etwa 11.
  • 5 zeigt schematisch den Beanspruchungszustand an dem erfindungsgemäßen Schichtersatz aus 4. Es ist zu erkennen, dass hier eine Lastumleitung 24 über einen größeren Bereich angrenzender Schichten 25 ausgeweitet ist. Dies rührt daher, dass für die Lastumleitung 24 mehr Freiraum in Folge der weicheren Zwischenschicht 23 zur Verfügung steht. Dies führt zu geringeren Überlastungen 26 und zu geringeren Schubspannungsspitzen 27 bei der Lastableitung bzw. Lasteinleitung durch den interlaminaren Schub.
  • 6 zeigt eine Ausführung eines Übergangsbereiches 28 aus mehreren erfindungsgemäßen Schichtersatzbereichen 29 aus 5.
  • 7 zeigt den Verlauf der Zugspannungsüberhöhungen in Dickenrichtung (senkrecht zur Längsrichtung entlang eines Pfades 30) für zwei Ausführungen eines Faserverbundlaminats. Die eine Ausführung bezieht sich auf den Stand der Technik, die andere auf die Erfindung. Die Messung erfolgt an einem Messpunkt 35 im Bereich des Schichtersatzes. Als Ordinate ist die Zugspannungsüberhöhung in kPa und als Abszisse der Abstand von dem Messpunkt in Dickenrichtung in mm aufgetragen.
  • Die Ausführung gemäß dem Stand der Technik betrifft eine unterbrochene 0°-Karbon-Schicht, in der eine 0,4 mm dicke Titanschicht eingebettet ist. Die benachbarten Schichten sind 0°-Karbon-Schichten. Zwischen der Titanschicht und der Karbon-Schicht ist ein fertigungsbedingter Zwischenraum ausgebildet.
  • Die Ausführung gemäß der Erfindung betrifft eine unterbrochene 0°-Karbon-Schicht, in der eine 0,4 mm dicke Titanschicht eingebettet ist. Die benachbarten Schichten sind 0°-Karbon-Schichten. Zwischen der Titanschicht und der Karbon-Schicht ist eine Zwischenschicht ausgebildet. Die Zwischenschicht ist mit Harz gefüllt und nicht tragend. Die Lastumleitung erfolgt über einen großen Bereich, das heißt es werden mehrere übereinander liegende Schichten des Laminats für die Lastumleitung einbezogen. Dies führt zu geringeren Zugspannungsüberhöhungen an angrenzenden Schichten als es bei der Ausführung gemäß dem Stand der Technik.
  • Ein erster Graf 32 zeigt den Verlauf für die Ausführung gemäß dem Stand der Technik, ein zweiter Graf 33 den Verlauf für die Ausführung gemäß der Erfindung. Es ist deutlich zu erkennen, dass die erfindungsgemäße Ausführung mit Zwischenraum eine Reduktion der Zugspannungsüberhöhungen an den ersten benachbarten Faserverbundschichten von etwa 18% mit sich bringt. Der schnellere Abfall des ersten Grafen 32 gegenüber dem zweiten Grafen 33 zeigt zudem, dass die Lokalisierung der Überlastungen in einem kleineren Bereich der ersten Nachbarschicht erfolgt. Zum Vergleich ist ferner ein dritter Graf 34 dargestellt, der den ungestörten Zustand, das heißt ohne Unterbrechung oder Zwischenraum in der Faserverbundschicht, wiedergibt.
  • 8 zeigt die erreichbare Reduktion der Spannungsüberhöhungen durch die vorgeschlagene erfindungsgemäße Maßnahme in Abhängigkeit der Länge des Zwischenraumes. Als Ordinate ist die Überlastreduktion in % und als Abszisse die Länge des Zwischenraumes in mm aufgetragen (entlang eines Pfades 35, beginnend bei einem Messpunkt 36). Während schon kleine Zwischenraumlängen eine deutliche Reduktion der Überlastungen hervorrufen, erzeugt eine Vergrößerung der Länge des Zwischenraumes ab einem bestimmten Wert (hier etwa 2,5 mm) keine weitere nennenswerte Verbesserung.
  • 9 zeigt im Vergleich den Verlauf der Zugspannungsüberhöhungen in Dickenrichtung (entlang eines Pfades 37). Als Ordinate ist die Zugspannung in kPa und als Abszisse der Abstand von dem dargestellten Zwischenraum in mm aufgetragen. Im Übrigen bezieht sich dieses Beispiel auf die Ausführungen aus 7. Ein erster Graf 38 bezieht sich auf eine Zwischenraumlänge von 0,2 mm, die einem fertigungsbedingten Zwischenraum gemäß dem Stand der Technik entspricht. Ein zweiter Graf 39 bezieht sich auf eine Ausführungsform der Erfindung mit einer Zwischenschichtlänge von 6,2 mm. Ein dritter Graf 40 bezieht sich auf einen ungestörten Zustand in einer Faserverbundschicht ohne Unterbrechung. Es ist deutlich zu erkennen, dass die optimierte erfindungsgemäße Ausführung mit Zwischenraum eine Reduktion der Zugspannungsüberhöhungen an den ersten benachbarten Faserverbundschichten mit sich bringt. Auch ist zu erkennen, dass die Lokalisierung dieser Überlastung in einem kleineren Bereich der ersten Nachbarschicht erfolgt.
  • 10 zeigt die erreichbare Reduktion der Spannungsüberhöhung für die Ausführung nach 9 in Abhängigkeit der Länge des Zwischenraumes. Als Ordinate ist die Überlastreduktion in % und als Abszisse die Länge des Zwischenraumes in mm aufgetragen (entlang eines Pfades 41). Es ist einerseits zu erkennen, dass bereits kleine Zwischenraumlängen eine deutliche Reduktion der Überlastungen von bis zu 50 bis 60% hervorrufen. Andererseits zeigt 10, dass eine Vergrößerung der Länge des Zwischenraumes ab einem bestimmten Wert (hier etwa 2,8 mm) keine weitere nennenswerte Verbesserung mit sich bringt.
  • 11 zeigt Schubspannungsverläufe an einem Rand (entspricht einer Hilfslinie 42 in dem Diagramm) einer ersetzten CFK-Schicht (CFK: Carbon-Faser verstärkter Kunststoff) und einer eingebetteten Titanschicht. Als Ordinate ist die Schubspannung in kPa und als Abszisse der Abstand in mm von dem Rand in Längsrichtung aufgetragen. Die CFK-Schicht ist rechts der Hilfelinie 42 angeordnet. Die Titanschicht ist links der Hilfslinie 42 angeordnet. Es sind vier Grafen 43, 44, 45, 46 für vier Zwischenräume mit Zwischenraumlängen von 0,2 mm, 2,2 mm, 4,2 bzw. 6,2 mm dargestellt. Der Zwischenraum mit einer Zwischenraumlänge von 0,2 mm ist wie zuvor dem Stand der Technik zuzuordnen.
  • 12 zeigt die Abhängigkeit einer Schubspannungsreduktion von der Länge eines Zwischenraumes. Als Ordinate ist die Schubspannungsreduktion in % und als Abszisse die Länge des Zwischenraumes in mm aufgetragen. Es ist zu erkennen, dass die Schubspannungsspitzen mit zunehmender Länge des Zwischenraumes abnehmen. Allerdings ist die erzielbare Reduktion kleiner als die erzielbare Reduktion der Überlastung. Graf 47 betrifft eine titanseitige Reduktion, Graf 48 eine CFK-seitige Reduktion.
  • 1
    Faserverbund gemäß Stand der Technik
    2
    Faserverbundschicht
    3
    Übergangsbereich
    4
    Verbindungsbereich
    5
    Metallschicht
    6
    Faser-Metall-Laminat
    7
    Bolzenachse
    8
    Zwischenraum
    9
    Schichtersatzbereich
    10
    Rand
    11
    Rand
    12
    Zugbelastung
    13
    Lastumleitung
    14
    benachbarte Faserverbundschicht
    15
    interlaminarer Schub
    16
    Schubspannungsspitze
    17
    Überlastung
    18
    Rand
    19
    Faserverbundschicht
    20
    Rand
    l
    Länge
    d
    Dicke
    28
    Übergangsbereich
    29
    Schichtersatzbereich
    30
    Pfad
    31
    Messpunkt
    32
    erster Graf
    33
    zweiter Graf
    34
    dritter Graf
    35
    Pfad
    36
    Messpunkt
    37
    Pfad
    38
    erster Graf
    39
    zweiter Graf
    40
    dritter Graf
    41
    Pfad
    42
    Hilfslinie
    43
    Graf
    44
    Graf
    45
    Graf
    46
    Graf
    47
    Graf
    48
    Graf

Claims (15)

  1. Verbundmaterial, bestehend aus – einem Faserverbund (1) einer Vielzahl von Faserverbundschichten (2, 19), – einem mit einem Verbindungsmaterial gebildeten Verbindungsbereich (4) und – ein zwischen dem Faserverbund (1) und dem Verbindungsbereich (4) ausgebildeten Übergangsbereich (3), wobei – der Verbindungsbereich (4) aus Schichten (5) aus einem Verstärkungsmaterial und die durch den Übergangsbereich (3) in den Verbindungsbereich durchgehenden Faserverbundschichten (2) gebildet ist, und – sich zwischen den durchgehenden Faserverbundschichten (2) nicht durchgehende Faserverbundschichten (2) und entsprechende Schichten aus dem Verstärkungsmaterial in den Übergangsbereich (3) hinein erstrecken, dadurch gekennzeichnet, dass – in dem Übergangsbereich (3) eine Zwischenschicht angeordnet ist, die einerseits Stoßstellen mit den nicht durchgehenden Faserverbundschichten (2) und andererseits mit den entsprechenden Schichten aus dem Verstärkungsmaterial ausbildet, und dass – die Zwischenschicht (23) eine geringere Steifigkeit aufweist als die angrenzende nicht durchgehende Faserverbundschicht (2) und die entsprechende Schicht (5) aus dem Verstärkungsmaterial.
  2. Verbundmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungsmaterial durch Faserverbundschichten (2) gebildet ist.
  3. Verbundmaterial nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungsmaterial durch Metallschichten (5, 21) gebildet ist.
  4. Verbundmaterial nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Verbindungsbereich (4) abwechselnd die durchgehenden Faserverbundschichten (2) und die Schichten aus dem Verstärkungsmaterial geschichtet sind.
  5. Verbundmaterial nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserverbundschichten (2) und die Schichten (5, 21) aus dem Verstärkungsmaterial alle eine gleiche Schichtdicke aufweisen.
  6. Verbundmaterial nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Übergangsbereich (3) Stoßstellen zwischen den Faserverbundschichten (2) und Zwischenschichten (23) einerseits und den Schichten (5, 21) aus dem Verstärkungsmaterial andererseits jeweils symmetrisch zu einer Mittelebene der Dicke des Faserverbundes (1) angeordnet sind.
  7. Verbundmaterial nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Verhältnis von Länge zu Breite der Zwischenschichten (23) zwischen 5 und 40.
  8. Verbundmaterial nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Verhältnis von Länge der Zwischenschichten (23) zu Dicke des Verbundmaterials zwischen 2 und 10.
  9. Verbundmaterial nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschichten (23) einen Harzfilm, einen Kunststofffilm, eine kurzfaserverstärkte Schicht, eine Matte, einen Vlies oder ein Glasgewebe aufweisen.
  10. Verbundmaterial nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die durchgehenden Faserverbundschichten (2) durch im Hinblick auf eine Zugbelastung feste Faserverbundschichten gebildet sind.
  11. Verbundmaterial nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die durchgehenden Faserverbundschichten (2) mit einer bezüglich der Zugbelastung eine 0°-Richtung aufweisenden Faserrichtung gebildet sind.
  12. Verbundmaterial nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Faserverbund (1) ein Anteil von Schichten (2) mit einer 90°-Faserrichtung vorgesehen ist.
  13. Verbundmaterial nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Faserverbund (1) ein Anteil von Schichten (2) mit einer +/–45°-Faserrichtung vorgesehen ist.
  14. Verbundmaterial nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Faserverbundschichten (2) mit einer schrägen Faserorientierung jeweils unmittelbar an einer Faserverbundschicht (2) der zur Längsrichtung spiegelsymmetrischen Orientierung anliegen und dass beide Faserverbundschichten (2) zusammen die Dicke einer 0°- oder 90°-Schicht aufweisen.
  15. Verbundmaterial nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Schichtdicke der Faserverbundschichten (2) und Schichten aus dem Verstärkungsmaterial zwischen 0,2 und 1 mm.
DE200710036510 2007-08-01 2007-08-01 Verbundmaterial Expired - Fee Related DE102007036510B3 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE200710036510 DE102007036510B3 (de) 2007-08-01 2007-08-01 Verbundmaterial

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE200710036510 DE102007036510B3 (de) 2007-08-01 2007-08-01 Verbundmaterial

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102007036510B3 true DE102007036510B3 (de) 2009-01-02

Family

ID=40076270

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE200710036510 Expired - Fee Related DE102007036510B3 (de) 2007-08-01 2007-08-01 Verbundmaterial

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102007036510B3 (de)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102010048365A1 (de) * 2010-10-13 2012-04-19 Airbus Operations Gmbh Flächengebilde und Flugzeugrumpf mit einem derartigen Flächengebilde
DE102011082697A1 (de) 2011-09-14 2013-03-14 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Grenzflächenschicht aus thermoplastischem Elastomer in Faser-Metal-Laminaten
US9168702B2 (en) 2010-03-30 2015-10-27 Airbus Operations Limited Composite structural member

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5160771A (en) * 1990-09-27 1992-11-03 Structural Laminates Company Joining metal-polymer-metal laminate sections
WO2000056541A1 (de) * 1999-03-20 2000-09-28 DLR Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Verbundmaterial mit einem verstärkten verbindungsbereich
WO2002078950A1 (en) * 2000-05-09 2002-10-10 Fokker Aerostructures B.V. Joint construction in a laminate of metal and plastic layer
WO2003068494A1 (en) * 2002-02-13 2003-08-21 Stork Fokker Aesp B.V. Laminated panel with discontinuous internal layer
WO2005058591A1 (en) * 2003-08-28 2005-06-30 The Boeing Company Titanium foil ply replacement in layup of composite skin
DE102006011444A1 (de) * 2005-03-14 2006-09-21 Lg Electronics Inc. Zusatzstoff-Lagerbehälteranordnung und Kühlschrank mit einem solchen

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5160771A (en) * 1990-09-27 1992-11-03 Structural Laminates Company Joining metal-polymer-metal laminate sections
WO2000056541A1 (de) * 1999-03-20 2000-09-28 DLR Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Verbundmaterial mit einem verstärkten verbindungsbereich
WO2002078950A1 (en) * 2000-05-09 2002-10-10 Fokker Aerostructures B.V. Joint construction in a laminate of metal and plastic layer
WO2003068494A1 (en) * 2002-02-13 2003-08-21 Stork Fokker Aesp B.V. Laminated panel with discontinuous internal layer
WO2005058591A1 (en) * 2003-08-28 2005-06-30 The Boeing Company Titanium foil ply replacement in layup of composite skin
DE102006011444A1 (de) * 2005-03-14 2006-09-21 Lg Electronics Inc. Zusatzstoff-Lagerbehälteranordnung und Kühlschrank mit einem solchen

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9168702B2 (en) 2010-03-30 2015-10-27 Airbus Operations Limited Composite structural member
US9987823B2 (en) 2010-03-30 2018-06-05 Airbus Operations Limited Composite structural member
DE102010048365A1 (de) * 2010-10-13 2012-04-19 Airbus Operations Gmbh Flächengebilde und Flugzeugrumpf mit einem derartigen Flächengebilde
DE102010048365B4 (de) * 2010-10-13 2012-08-23 Airbus Operations Gmbh Flächengebilde und Flugzeugrumpf mit einem derartigen Flächengebilde
DE102011082697A1 (de) 2011-09-14 2013-03-14 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Grenzflächenschicht aus thermoplastischem Elastomer in Faser-Metal-Laminaten
EP2570258A1 (de) 2011-09-14 2013-03-20 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Grenzflächenschicht aus thermoplastischem Elastomer in Faser-Metall-Laminaten
DE102011082697B4 (de) 2011-09-14 2020-04-23 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Laminat, Verfahren zu seiner Herstellung und seine Verwendung

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1082217B1 (de) Verbundmaterial mit einem verstärkten verbindungsbereich
EP1166950B1 (de) Strukturbauteil für ein Flugzeug
EP1738895B1 (de) Gelenk
EP1312467B1 (de) Metallfaserverstärkter Verbundwerkstoff sowie Verfahren zur Herstellung desselben
DE102006026167B3 (de) Leichtbau-Strukturpanel
EP2334547B1 (de) Strukturelement zur verstärkung einer rumpfzelle eines flugzeugs
DE102008024585B4 (de) Federelement für eine Feder-Dämpfer-Anordnung
DE102007036510B3 (de) Verbundmaterial
EP1666354B1 (de) Strukturbauteil, Verfahren zum Herstellen eines Strukturbauteils und Verwendung eines Strukturbauteils für eine Flugzeugschale
EP2774732A1 (de) &#34;Führungsschiene mit einer CFK-Einlage&#34;
DE102007019716A1 (de) Faser-Metall-Laminat-Panel
EP3551438B1 (de) Hinterkantengurt eines rotorblatts einer windenergieanlage, rotorblatt und verfahren zum herstellen eines hinterkantengurts
EP2720840B1 (de) Sägeseil zur verwendung in einer seilsägemaschine
DE102004045845B3 (de) Faserverbundstruktur mit einer Bolzenverbindung und Herstellungsverfahren dafür
DE60224173T2 (de) Metallverbundwerkstofflaminate und verfahren zur herstellung derselben
EP3326787B1 (de) Verbindungselement für metallischen werkstoff und faserverstärkten werkstoff
DE102010035324A1 (de) Strukturelement aus einem Hybridlaminat
DE102009007730B4 (de) Strukturbauteil
EP3885573B1 (de) Steg zur versteifung eines windenergieanlagenrotorblatts
DE102006001444A1 (de) Verbundwerkstoff
EP3067448B1 (de) Verfahren zur herstellung einer weblitze
EP2505703B1 (de) Weblitze aus Kunststoff sowie Verfahren zu deren Herstellung aus einer Folienbahn
EP2474409B1 (de) Stoffschlüssige Verbindung zwischen einem Basisbauteil und einem mehrschichtigen Faserverbundbauteil
DE102006040298B4 (de) Leichtbau-Strukturbauteil, insbesondere für Flugzeuge
DE102016115418B4 (de) Versteifungsstruktur zur Versteifung von Flächengebilden sowie Herstellungsverfahren hierzu

Legal Events

Date Code Title Description
8364 No opposition during term of opposition
R082 Change of representative

Representative=s name: GRAMM, LINS & PARTNER PATENT- UND RECHTSANWAEL, DE

R119 Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee