DE102008039223B3

DE102008039223B3 - Faserverbundstruktur und Herstellungsverfahren dafür

Info

Publication number: DE102008039223B3
Application number: DE102008039223A
Authority: DE
Inventors: Boris Dr.-Ing. Kolesnikov; Axel Dipl.-Ing. Fink; Markus Dipl.-Ing. Kleineberg; Christian Dr.-Ing. Hühne; Arne Stahl
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2008-08-22
Filing date: 2008-08-22
Publication date: 2010-01-28
Anticipated expiration: 2028-08-23
Also published as: DE102008039223B8

Abstract

Eine Faserverbundstruktur besitzt ein erstes plattenförmiges Bauteil (10) und ein zweites plattenförmiges Bauteil (20), die miteinander einen Überlappungsbereich (30) aufweisen. In dem Überlappungsbereich (30) besitzen die beiden plattenförmigen Bauteile (10, 20) miteinander eine Berührungsfläche (31), in der sie mit je einer Oberfläche aneinander grenzen. Eine Belastungsrichtung (32) verläuft in der Berührungsfläche (31), Verbindungselemente (40) verbinden die beiden Bauteile (10, 20) miteinander und ragen jeweils in beide Bauteile (10, 20) hinein. Unter den Verbindungselementen sind Heftklammern, die jeweils zwei Beine (40a, 40b, 43a, 43b, 44a, 44b) und einen die beiden Beine verbindenden Heftklammerrücken (40c, 43c, 44c) aufweisen. Zumindest eine der Heftklammern (43, 44) ist in der Faserverbundstruktur so angeordnet, dass ein Bein (43b, 44a) der Heftklammer (43, 44) durch Abschnitte von beiden Bauteilen (10, 20) und durch die Berührungsfläche (31) der beiden Bauteile (10, 20) hindurch ragt. Das andere Bein (43a, 44b) ragt nur in ein Bauteil (10) außerhalb der Berührungsfläche (31) hinein.

Description

Die Erfindung betrifft eine Faserverbundstruktur mit einem ersten plattenförmigen Bauteil, mit einem zweiten plattenförmigen Bauteil, mit einem Überlappungsbereich, in dem das erste plattenförmige Bauteil und das zweite plattenförmige Bauteil eine Berührungsfläche besitzen, in der sie mit je einer Oberfläche aneinandergrenzen, wobei eine Belastungsrichtung parallel zur Berührungsfläche der beiden Bauteile verläuft, mit Verbindungselementen, die die beiden Bauteile miteinander verbinden und jeweils in beide Bauteile hineinragen, und bei dem unter den Verbindungselementen Heftklammern sind, die jeweils zwei Beine und einen die beiden Beine verbindenden Heftklammerrücken aufweisen. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Herstellung derartiger Faserverbundstrukturen.
Bei Faserverbundstrukturen stellt sich regelmäßig das Problem der Kraftübertragung bei der Verbindung mehrerer Bauteile oder Bauelemente. Die einzelnen Bauteile sind dabei meist scheiben- oder plattenförmig, liegen nebeneinander und werden mittels eines den Spalt zwischen den plattenförmigen Bauteilen überdeckenden weiteren plattenförmigen Bauteils gleichen oder anderen Typs verbunden.
Derartige Faserverbundstrukturen können sehr zuverlässig mittels Bolzen mechanisch verbunden werden, wie beispielsweise aus der DE 199 25 953 C1 oder der DE 10 2004 045 845 B3 bekannt ist.
In den Verbindungsbereichen der Bauteile müssen verschiedenste Beanspruchungen berücksichtigt werden, beispielsweise Beanspruchungen auf Zug, Druck, durch Scherkräfte oder auch Lochleibungsbeanspruchungen. Es besteht der Wunsch, die Tragfähigkeit der Verbindungsbereiche der Bauteile trotz dieser verschiedenen Beanspruchungen möglichst weiter zu erhöhen. Bei Faserverbundwerkstoffen mit einer Variation des 0°-Schichtenanteils verändern sich die Eigenschaften der Zugfestigkeit und der Druckfestigkeit gegenläufig zur Scherfestigkeit und zur Lochleibungsfestigkeit. Dies führt dazu, dass es gerade bei tragenden Bauteilen aus Faserverbundwerkstoffen mit hohen 0°-Schichten anteilen schwierig ist, hohe Anschlussgütegrade für Bolzenverbindungen zu erreichen.
Dem wird mit verschiedenen Gedanken entgegengewirkt, etwa durch lokale Metalllaminate in den Bolzenverbindungsbereichen oder dem in der DE 10 2004 045 845 B3 erwähnten lokalen Softening.
In der WO 91/08892 A1 werden eine Reihe unterschiedlicher Verbindungselemente zur Verbindung mehrerer flach aufeinanderliegender Schichten vorgeschlagen, die in einer bestimmten elastischen Umgebung mit einer klebrigen homogenen Kunststoffmatrix verwendet werden können. Die Verbindungsmittel besitzen dabei ein oder mehrere Beine oder Schenkel, die durch Druckeinwirkung durch zwei der aufeinanderliegenden Schichten gepresst werden.
Weiter ist auch schon mit alternativen oder zusätzlichen Verbindungselementen gearbeitet worden, etwa mit den in der US 5,972,524 A vorgeschlagenen Z-Pins, also einer Vielzahl kleiner Stifte ohne Kopf und Mutter, die durch die miteinander zu verbindenden Bauteile hindurchgepresst werden. Diese Z-Pins (Z-Stifte oder Z-Stäbchen) tragen ihren Namen nicht nach einer Form, sondern nach der Richtung, mit der sie in eine in X- und Y-Richtung erstreckte Fläche gepresst werden.
Diese Z-Pins erhöhen die Scherfestigkeit von zwei miteinander zu verbindenden flächigen Bauteilen und werden deshalb zur Unterstützung einer an sich die Verbindung bewirkenden Klebung herangezogen.
Problematisch bei der Verwendung dieser Z-Pins ist, dass die die beiden Bauteile verbindenden Stifte nach ihrem Einsatz nur durch Reibung und Klebung in den Bauteilen gehalten werden, da es gerade anders als bei Bolzenverbindungen keine Muttern gibt. Es bleibt daher eine Gefahr der Trennung der verbundenen Bauteile bei einem Beanspruchungsvorgang. Nicht einfach ist es auch, entsprechende Bohrungen für die Vielzahl der Z-Pins vorzusehen oder eine andere Möglichkeit für das Einbringen und einen entsprechenden Mechanismus zu schaffen.
In der Praxis werden Z-Stiftverbindungen ebenso wie in den meisten Vorschlägen nur für bestimmte lokale Probleme etwa zwischen Häuten und Stringern eingesetzt. Sie dienen als zusätzliche Absicherungsmaßnahmen zur Erhöhung der Adhäsionsfestigkeit zwischen den beiden Bauteilen. Damit bilden sie noch keine hochbelasteten Kopplungen und die Kraftübertragung wird teilweise von anderen Verbindungen übernommen. Die Fixierung der Z-Pins wird häufig nur durch die Klebrigkeit eines bei einem Polymerisierungsvorgang der gesamten Faserverbundstruktur verwendeten Prepregharzes möglich. Verbindungen dieser Art sind dann jedoch nicht schadentolerant, da sich entstehende Risse über die Harzkopplungen in den Bereich des anderen Bauteils verbreiten können.
Aus der US 2003/0196741 A1 ist es bekannt, ein stringerförmiges Bauelement anstelle von Bolzen oder Z-Pins neben einer Klebung zusätzlich mittels Heftklammern an einer scheibenförmigen Unterlage zu befestigen. Die Heftklammern werden dabei mit ihren Beinen durch die beiden aufeinanderliegenden Bauteile hindurchgetrieben. Für diesen Spezialfall soll diese Art der Befestigung hinreichend sein; sie überzeugt jedoch nicht als allgemeine Lösung, da die Gefahr der Trennung der verbundenen Bauteile bei einem Beanspruchungsvorgang auch auf diese Weise nicht behoben wird.
Es bestehen mithin nach wie vor Wünsche, alternative Verbindungsmöglichkeiten für Bauteile aus Faserverbundwerkstoffen zu bekommen, die nicht oder nicht nur mit Bolzen als Verbindungsmitteln arbeiten.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Faserverbundstruktur vorzuschlagen, die zwei plattenförmige Bauteile und Verbindungsmittel für diese Bauteile besitzt, wobei diese Verbindungsmittel alternative Befestigungen zu herkömmlichen Bolzenverbindungen darstellen.
Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Faserverbundstruktur anzugeben.
Die erste Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Faserverbundstruktur erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zumindest eine der Heftklammern in der Faserverbundstruktur so angeordnet ist, dass ein Bein der Heftklammer durch Abschnitte von beiden Bauteilen und durch die Berührungsfläche der beiden Bauteile hindurchragt, und das andere Bein nur in ein Bauteil außerhalb der Berührungsfläche hineinragt.
Auf diese Weise wird für den Fachmann überraschend und gleichwohl überzeugend die Problematik gelöst. Die bisher als unbefriedigend betrachteten und daher in der Praxis nicht eingesetzten Verbindungsmittel in Form von Heftklammern mit zwei Beinen und einem die beiden Beine verbindenden Heftklammerrücken werden durch eine geschickte Platzierung von zumindest einer Heftklammer und bevorzugt mehreren Heftklammern gelöst.
Betrachtet man nämlich die auftretenden Belastungen bei aufeinanderliegenden platten- oder scheibenförmigen Bauteilen, so zeigt sich rasch, dass ein besonderer Problembereich dort besteht, wo die gemeinsame Berührungsfläche der beiden Bauteile miteinander endet. Die beiden Bauteile können innerhalb dieses Berührungsbereichs durch Heftklammern (und auch durch weitere und andere Verbindungsmittel) gut miteinander verbunden werden, wobei diese Verbindungsmittel, etwa weitere Heftklammern, jeweils durch beide aufeinanderliegenden scheibenförmigen Bauteile hindurchgedrückt und auf der Unterseite oder innerhalb des unteren Bauteils umgebogen werden.
Erst eine nähere Betrachtung der Kräfte und Belastungen bei einem solchen derart verbundenen Bauteil zeigt, dass an den Rändern des Überlappungsbereiches mit der Berührungsfläche hohe Kraftsprünge auftreten, wenn Kräfte in der Ebene der Berührungsfläche wirken.
Erfindungsgemäß wird nun genau in diesem Bereich vorgesehen, Heftklammern so anzuordnen, dass sie eine Art Verbindungsbrücke bilden. Mit einem Bein befinden sie sich in dem Bereich, in dem die Berührungsfläche ist, also im Überlappungsbereich, mit dem anderen Bein ragen sie außerhalb dieses Überlappungsbereiches in das einzige dort noch vorhandene und aus der Berührungsfläche herausragende Bauteil hinein.
Dadurch lenken sie den Belastungs- und Kraftfluss teilweise aus diesem Bauteil über das dort befindliche Bein in den Heftklammerrücken und von dort über das andere Bein in das andere Bauteil, und zwar gerade außerhalb des Überlappungsbereichs.
Sie tragen also Extremspitzen der Belastung ab.
Durch die Erfindung wird insbesondere die Tragfähigkeit und die Zuverlässigkeit von Verbindungen von Bauteilen aus Faserverbundwerkstoffen erhöht. Darüber hinaus kann auch der Automatisierungsgrad der Herstellungstechnik dieser Verbindungen verbessert werden.
Besonders bevorzugt ist es, wenn der die beiden Beine verbindende Heftklammerrücken von denjenigen Heftklammern, von denen ein Bein der Heftklammer durch Abschnitte von beiden Bauteilen und durch die Berührungsfläche der beiden Bauteile hindurchragt und das andere Bein nur in ein Bauteil außerhalb der Berührungsfläche hineinragt, in einer Ebene orientiert ist, die parallel zur Belastungsrichtung steht.
Eine derartige Ausrichtung der Heftklammerrücken im Wesentlichen parallel zur Belastungsrichtung trägt zu einem besonders effektiven Abbau der Belastungsspitzen bei.
Besonders bewährt hat es sich, wenn zumindest ein Pflaster vorgesehen ist, und wenn sich das Pflaster auf einem der beiden Bauteile benachbart zu der Berührungsfläche der Bauteile in dem Bereich befindet, in dem die eine Verbindungsbrücke bildende Heftklammer in das Bauteil hineinragt.
Mit derartigen Pflastern ist es möglich, den Übergangsbereich benachbart zu den Berührungsflächen so auszubilden, dass die Heftklammern keine Beeinträchtigung der Formstabilität der beiden Bauteile vornehmen. Die Pflaster gleichen den Effekt aus, dass die die beiden Bauteile überbrückenden Heftklammern ohne ein derartiges Pflaster in verschiedenen Höhenlagen angeordnet wären.
Die Pflaster haben dabei selbst keine tragende Funktion, sondern dienen lediglich diesem Formausgleich.
Eine bevorzugte Möglichkeit zur Lösung der Aufgabe besteht erfindungsgemäß bei einer gattungsgemäßen Faserverbundstruktur darin, dass die Beine von zumindest einer der Heftklammern an ihren den Heftklammerrücken abgewandten Enden um einen Winkel umgebogen sind.
Mit einer derartigen Konzeption wird das Problem dadurch gelöst, dass die Heftklammern anders als herkömmliche Z-Pins oder auch als die einzigen bisher zur Verbindung von Faserverbundstrukturen eingesetzten Heftklammern aus der US 2003/0196741 A1 jetzt eine Fixierung erhalten. Durch das Umbiegen der Beine der Heftklammern an ihren Enden wird ein Widerstand gegen das Herausziehen der Beine der Heftklammern in Richtung parallel zu den Beinen erzeugt, da dann die umgebogenen Enden auf oder in dem Bauteil gehalten werden.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Beine der Heftklammern an ihren Enden derart umgebogen sind, dass die umgebogenen Enden aufeinander zuweisen.
Auf diese Weise entsteht eine näherungsweise geschlossene Kontur einer Heftklammer, bestehend aus dem Heftklammerrücken, den beiden Beinen und den beiden aufeinander zu weisenden umgebogenen Enden der Beine. Eine solche geschlossene Kontur ist besonders kompakt und ermöglicht eine stabile und gut vorauszuberechnende Leitung der Kraftflüsse durch die Heftklammer.
Alternativ ist es jedoch auch möglich, die Beine an den Enden voneinander weg umzubiegen, um einen möglichst großen Bereich der Bauteile zur Kraftabstützung heranzuziehen.
Denkbar wäre es auch, die Beine der Heftklammern aus der Ebene der Beine und der Heftklammerrücken heraus in die gleiche oder in eine unterschiedliche Richtung umzubiegen.
Als besonders geeignet hat sich herausgestellt, die beiden alternativen Möglichkeiten zur Verbesserung der Tragfähigkeit der Verbindung der Faserverbundstrukturen miteinander zu kombinieren, also eine gattungsgemäße Faserverbundstruktur so auszubilden, dass zumindest eine der Heftklammern in der Faserverbundstruktur so angeordnet ist, dass ein Bein der Heftklammer durch Abschnitte von beiden Bauteilen und durch die Berührungsfläche der beiden Bauteile hindurchragt, und das andere Bein nur in ein Bauteil außerhalb der Berührungsfläche hineinragt und dass die Beine von zumindest einer der Heftklammern an ihren den Heftklammerrücken angewandten Enden um einen Winkel umgebogen sind.
Gerade in den Bereichen, in denen die Heftklammern in Form einer Brücke an den Rändern des Überlappungsbereiches bilden, wird durch eine zusätzliche Umbiegung der Beine der dort eingesetzten Heftklammern eine besonders gute und stabile Festigkeit mit reduzierten Kraftsprüngen möglich.
Besonders bevorzugt ist es, wenn die Heftklammerrücken von einigen der Heftklammern auf einer Seite der Berührungsfläche der plattenförmigen Bauteile angeordnet sind, und wenn die Heftklammerrücken von einigen anderen der Heftklammern auf der anderen Seite der Berührungsfläche angeordnet sind.
Auf diese Weise werden die Heftklammern abwechselnd oder jedenfalls in gemischter Reihenfolge von unterschiedlichen Seiten durch die miteinander verbundenen Bauelemente gepresst, sodass die Umbiegungen der Beine ebenfalls auf unterschiedlichen Seiten der Bauelemente zu liegen kommen. Dadurch wird eine gleichmäßige Verteilung der Kräfte gefördert. Insbesondere dann, wenn eine Ausführungsform mit weitgehend geschlossenen Konturen eingesetzt wird, werden auf diese Weise die verbleibenden Restlücken der geschlossenen Konturen abwechselnd auf die verschiedenen Seiten der miteinander verbundenen Bauelemente verteilt.
Die weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird ferner gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer Faserverbundstruktur, bei dem zunächst trockene Vorformlinge aus Bauteilen und gegebenenfalls Pflastern aus Faserverbundgeweben oder -gelegen ausgeschnitten und angeordnet werden, bei dem dann Heftklammern mittels eines Heftgerätes fixiert und verbunden werden, dass dabei zumindest einige der Heftklammern mit einem ihrer Beine durch Abschnitte von beiden Bauteilen und durch die Berührungsfläche der beiden Bauteile hindurch geführt werden und mit ihrem anderen Bein nur in ein Bauteil außerhalb der Berührungsfläche eingeführt werden und dass dann die Struktur durch ein Harzpolymer getränkt und schließlich mit oder ohne Autoklav polymerisiert wird.
Weitere bevorzugte Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Im Folgenden werden anhand der Zeichnung das Grundkonzept sowie Ausführungsbeispiele der Erfindung näher veranschaulicht und erläutert.
Es zeigen:
1 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen, Faserverbundstruktur aus zwei Bauteilen, die mit Heftklammern verbunden sind, zum einen im Schnitt und zum anderen in Draufsicht;
2 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Faserverbundstruktur aus zwei Bauteilen, die mit Heftklammern verbunden sind, zum einen im Schnitt und zum anderen in Draufsicht;
3 eine vergrößerte Darstellung des Randbereiches einer Berührungsfläche zwischen zwei Bauteilen aus einerseits der 1 und andererseits der 2, zusätzlich mit angedeuteter Kraftverteilung;
4 eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Faserverbundstruktur aus zwei Bauteilen, die mit Heftklammern verbunden sind, zum einen im Schnitt und zum anderen in Draufsicht;
5 eine vergrößerte Darstellung des Randbereiches einer Berührungsfläche zwischen zwei Bauteilen aus einerseits der 1 und andererseits der 4, zusätzlich mit angedeuteter Kraftverteilung;
6 eine vierte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Faserverbundstruktur aus zwei Bauteilen, die mit Heftklammern verbunden sind, zum einen im Schnitt und zum anderen in Draufsicht;
7 eine fünfte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Faserverbundstruktur aus zwei Bauteilen, die mit Heftklammern verbunden sind, nur im Schnitt;
8 eine nicht erfindungsgemäße Faserverbundstruktur aus zwei Bauteilen, die mit einer Haftschicht verbunden sind, im Schnitt;
9 eine sechste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Faserverbundstruktur aus zwei Bauteilen, die mit Heftklammern verbunden sind, im Schnitt;
10 eine siebte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Faserverbundstruktur aus zwei Bauteilen, die mit Heftklammern verbunden sind, im Schnitt;
11 eine vergrößerte Darstellung des Randbereiches einer Berührungsfläche zwischen zwei Bauteilen aus einerseits der 10 und andererseits der 7, zusätzlich mit angedeuteter Kraftverteilung;
12 eine vergleichende Tabelle von Anschlussgütegraden verschiedener Ausführungsformen nach dem Stand der Technik und nach der Erfindung.
Eine in der 1 dargestellte Faserverbundstruktur zeigt ein erstes Bauteil 10 aus einem Faserverbundwerkstoff sowie ein zweites Element aus einem Faserverbundwerkstoff. Das erste Bauteil 10 ist in diesem Falle scheiben- oder plattenförmig, das zweite Element weist zwei plattenförmige Bauteile 20 auf. Es besitzt hier also zwei Scheiben; es kann sich beispielsweise um einen Randabschnitt eines größeren, sich weitgehend außerhalb der Zeichnungsebene befindenden Werkstücks handeln. Das erste Bauteil 10 ragt hier in den nutartigen Bereich zwischen den beiden scheibenförmigen Bauteilen 20 hinein. Denkbar sind auch andere Fallgestaltungen mit nur einem Bauteil 20.
Gezeigt ist auch, dass die obere Darstellung in der 1 ein Schnitt längs der Linie A-A in der unteren Darstellung ist.
Die in der 1 dargestellte Konzeption ist eine erste erfindungsgemäße noch sehr einfache Ausführungsform, die im Folgenden als Vergleichsgrundlage der erfindungsgemäßen Ausführungsformen aus den weiteren Figuren dienen wird, wie noch klar werden wird.
Das Bauteil 10 und das Bauteil 20 besitzen einen Überlappungsbereich 30, der als Möglichkeit für eine Verbindung der beiden Bauteile 10 und 20 miteinander genutzt wird. In dem Überlappungsbereich 30 liegen die Bauteile 10 und 20 mit einer Berührungsfläche 31 aufeinander auf. Die Berührungsfläche 31 ist in der dargestellten Ausführungsform oberhalb und unterhalb des Bauteiles 10 gegeben, was aber nicht zwingend erforderlich ist.
Die Verbindung der beiden Bauteile 10 und 20 miteinander erfolgt durch Verbindungsmittel 40. Von den Verbindungsmitteln 40 sind in der 1 drei dargestellt, und zwar jeweils Heftklammern 40, 41 und 42. Jede dieser Heftklammern besitzt zwei Beine, von denen hier lediglich die Beine 40a und 40b näher bezeichnet sind, um die Übersicht nicht zu stören. Die beiden Beine 40a und 40b sind miteinander über einen Heftklammerrücken 40c verbunden. Unterhalb der Bauteile 10 und 20 beziehungsweise unterhalb der Faserverbundstruktur sind die beiden Beine 40a und 40b wieder aufeinander zu gebogen. Dies kann beispielsweise durch ein Heftklammergerät erfolgen, das die vorbereitete Heftklammer 40 mit ihren beiden Beinen 40a und 40b durch die Bauteile 10 und 20 und durch die Berührungsfläche 31 hindurchschiebt und auf der Unterseite oder auch innerhalb des unteren Bauteils 20 umbiegt. Es wird so eine nahezu geschlossene Kontur der Heftklammer 40 erreicht.
Dadurch, dass die unteren Enden der Beine 40a und 40b wieder aufeinander zu gebogen sind und die gesamte Heftklammer 40 eine nahezugeschlossene Kontur annimmt, entsteht eine besonders kompakte Konzeption dieses Verbindungselementes. Denkbar (nicht dargestellt) ist auch eine Umbiegung der unteren Enden der Beine 40a und 40b nach außen, also jeweils voneinander weg, oder auch aus der Zeichenebene heraus auf den Betrachter zu oder von ihm weg.
Durch das Umbiegen der unteren Enden der Beine 40a und 40b entsteht ein wesentlich höherer Widerstand der Heftklammern 40 gegenüber einem Herausziehen in Richtung der Beine 40a und 40b. Dadurch sind Heftklammern 40 den sonst verwendeten Z-Pins hinsichtlich der Fixierung deutlich überlegen.
Angedeutet ist in der 1 auch eine Belastungsrichtung 32. Es wird also angenommen, dass die Belastung die beiden Bauteile 10 und 20 voneinander wegziehen möchte, so dass die Belastung in der bzw. parallel zur Berührungsfläche 31 verläuft.
In der unteren Darstellung der 1 kann man in der Draufsicht auf den Überlappungsbereich 30 erkennen, dass einige der Heftklammern 40 mit ihren Heftklammerrücken 40c von oben und einige weitere der Heftklammern 40 von unten eingesetzt werden. Auch dadurch lässt sich die Belastungsfähigkeit der gesamten entstehenden Faserverbundstruktur verbessern. Angedeutet ist auch, dass bevorzugt die Einpressrichtung der Heftklammern abwechselnd und etwa gleich verteilt von beiden Seiten erfolgt, um auch insoweit die Belastungsfähigkeit zu vergleichmäßigen und die verbleibenden Lücken in den geschlossenen Konturen der einzelnen Heftklammern auf die beiden Seiten der zu verbindenden Bauelemente 10 und 20 zu verteilen.
Die Heftklammern 40 können im trockenen Zustand von Vorformlingen, beispielsweise aus Multiaxialgelegen, mittels eines konventionellen Heftgerätes gesetzt werden, hier also von beiden Seiten. Nach der Einbringung der Heftklammern 40, 41, 42 etc. werden ein Harzimprägnierungsprozess und eine anschließende Polymerisation in einem oder auch ohne einen Autoklaven vorgenommen. Nach der Polymerisation sind dann die Bauteile 10 und 20 nicht nur durch die Heftklammern 40, sondern außerdem auch noch durch Harzschichten 33 im Bereich der Berührungsflächen 31 im Überlappungsbereich 30 miteinander verbunden.
Die in der 1 dargestellte Faserverbundstruktur weist also gleichzeitig eine Klebeverbindung durch das Vorhandensein der Harzschichten 33 zwischen den Bauteilen 10 und 20 und auch eine Stiftverbindung durch das Vorhandensein der Beine 40a und 40b der Heftklammern 40, 41, 42 etc. auf.
In der 2 sind zwei Darstellungen gegeben, die nach Art der Wiedergabe der 1 sehr ähneln. Es geht wiederum um zwei Bauteile 10, 20, die in einem Überlappungsbereich 30 mittels Verbindungsmitteln 40, nämlich Heftklammern, verbunden werden. Die Berührungsfläche 31 und die Belastungsrichtung 32 sind ebenso vorhanden.
Die in der 2 dargestellte Ausführungsform der erfinderischen Faserverbundstruktur besitzt im Vergleich zur gewissermaßen die Basis der Erläuterung darstellenden Ausführungsform in der 1 einige wesentliche zusätzliche Ergänzungen. Dazu gehören zusätzliche äußere Heftklammern 43, 44, 45, 46, 47, 48 und 49, wobei diese Zahl nicht begrenzt ist und natürlich weitere Heftklammern vorgesehen werden können.
Auch diese Heftklammern weisen wiederum zwei Beine auf, beispielsweise die Beine 43a und 43b. Das Bein 43a der Heftklammer 43 ist außerhalb der Berührungsfläche 31 und außerhalb des Überlappungsbereiches 30 in das erste Bauteil 10 eingesteckt und dort fixiert worden. Das andere Bein 43b der gleichen Heftklammer 43 befindet sich jedoch wie die Beine 40a, 40b der meisten weiteren Heftklammern in dem Überlappungsbereich 30 und ragt durch die beiden Bauteile 10 und 20 und die Berührungsfläche 31 hindurch.
Das bedeutet, dass der Heftklammerrücken 43c dieser Heftklammer 43 als eine Art Brücke zwischen dem Überlappungsbereich 30 und den angrenzenden, ohne Berührungsfläche 31 liegenden Bauteilen 10 und 20 dient.
Eine andere Heftklammer 44 ist ebenfalls in dem Randbereich der Berührungsfläche 31 angeordnet, in dem ein Bein 44b nur in das zweite Bauteil 20 ragt, während ein erstes Bein 44a wie die Mehrzahl der weiteren Beine 40a, 40b der Heftklammern 40 im Überlappungsbereich 30 durch beide Bauteile 10 und 20 und die Berührungsfläche 31 ragt.
In der 3 sind nun schematisch die Zugspannungsverteilungen im Bauteil 10 für einerseits eine Ausführungsform aus der 1 und andererseits aus der Ausführungsform der 2 dargestellt.
Unterhalb der Zugspannungsverteilungen sind vergrößert die entsprechenden Randbereiche der Überlappungsbereiche 30 aus den 1 und 2 wiedergegeben, also zum Einen ohne eine überbrückende Heftklammer 43 entsprechend der 1 (siehe die linke Seite, 3a), andererseits mit einer solchen überbrückenden Heftklammer 43 entsprechend der 2 (vergleiche 3b).
Man sieht, dass die Verbindungstechniken aus der Ausführungsform der 1 bei einer Belastung in die Richtung 32 erhebliche Spannungskonzentrationszonen an den Rändern des Überlappungsbereiches 30 mit den beiden Verbindungen (Stiftverbindung und Klebeverbindung) besitzen: Es entstehen einerseits Steifigkeitssprünge an den Rändern durch die sprunghaften Veränderungen der Querschnittsflächen und andererseits Transferkräfte der Beine der Heftklammern, die an den Rändern stark erhöht sind. Ein sehr hoher Spitzenwert einer Belastungsspitze der Kurve 71 im Verhältnis zu der Geraden 72 außerhalb des Überlappungsbereiches 30 ist die Folge.
Rechts daneben sieht man den Effekt, den die zusätzliche Heftklammer 43 durch ihre spezielle Platzierung ausübt. Diese Heftklammer 43 transportiert durch den Heftklammerrücken 43c, der die Beine 43a und 43b verbinden, einen Teil 81 der Kraft der gesamten Zugkraft 80 direkt vom Bauteil 10 zum Bauteil 20. Damit wird die in dem kritischen Bereich der Spannungskonzentrationszone 35 am Rande des Überlappungsbereiches 30 ankommende Zugkraft 82 reduziert und damit diese Zone 35 entlastet. Eine Gerade 72 in der 3 ist eine Zugspannungsverteilung im Bauteil 10 außerhalb der Berührungsfläche 31 für den Verbindungsfall der 1 und außerhalb der äußeren Heftklammer 43 für den Verbindungsfall der 2.
Die Kurven 71 beziehungsweise 73 in der oberen Hälfte der 3 stellen den Verlauf der maximalen Zugspannungen im Bauteil 10 des Überlappungsbereiches 30 für die Verbindung ohne beziehungsweise mit äußeren Heftklammern 43 dar. Die mittlere Kurve 74 in der rechten Hälfte der 3 oben besitzt noch eine Spannungsüberhöhung 75, welche durch das Vorhandensein des Beins 43a der Heftklammer 43 hervorgerufen wird. Sie stellt den Verlauf der maximalen Zugspannungen im Bauteil 10 im Bereich der äußeren Heftklammern 43 bis 46 dar. Durch den Einsatz der äußeren Heftklammern 43 bis 46 wird die Zugspannungsspitze im Bauteil 10 um einen Betrag 76 reduziert.
Der Betrag 76 ist hier die relative Reduzierung der Zugspannungsspitze der Ausführungsform aus der 2 relativ zur 1.
Gleiches beziehungsweise ähnliches gilt auch für die interlaminare Schubspannung sowie für etwaige Schälspannungen.
Die Verbindung der Bauteile 10 und 20 im trockenen Performing-Zustand durch die Technik der Heftklammern 40, 43 etc. reduziert sehr stark den Aufwand im Vergleich zu einem konventionellen Bohrungsprozess. Es wird keine Faserganzheit der Faserverbundwerkstoffe mehr gebrochen. Darüber hinaus erlaubt dieses Vorgehen einen automatischen Verbindungsprozess. Dabei werden durch das Umbiegen der Heftklammern 40 die Bauteile 10, 20 sicher beim Fertigungsprozess fixiert und gegen das Abspalten durch Schälbeanspruchung bei einer Zugbelastung gesichert. Das nach dem Umbiegen der Heftklammern imprägnierte und polymerisierte Harz führt durch die Harz-Heftklammer-Verbindung zu einer noch weiter verbesserten Haftung und Fixierung gegenüber einem Abspalten.
In der 4 wird eine weitere Ausführungsform gezeigt, die sich als zusätzlich vorteilhaft herausgestellt hat. Die Darstellung entspricht in vielen Aspekten der Darstellung in der 2.
Bei Tests hat es sich als unter Umständen bei bestimmten Randbedingungen problematisch herausgestellt, mit einer konventionellen Heftklammertechnik die äußeren Heftklammern 43, 44 folgende ohne eine ungewünschte Verformung der Bauteile 10 und 20 in dem Randbereich des Überlappungsbereiches 30 einzubringen. Außerdem wurde erkannt, dass unter Umständen beim Harzimprägnierungsprozess im Bereich der Klammern 43, 44 folgende unnötige Harzneste entstehen.
Um dem entgegenzuwirken, sind in der 4 zusätzlich Pflaster 50, 51 vorgesehen. Diese bestehen aus einem Faserverbundwerkstoff und lösen die erörterte Problematik vollständig. Die äußeren Heftklammern 43, 44 (folgende) stören unter Berücksichtigung der Pflaster 50, 51 die Regelmäßigkeit der zu verbindenden Bauteile 10 und 20 nicht mehr. Zwei Pflaster 50 sind auf dem Bauteil 10 im Bereich der äußeren Heftklammern 43 positioniert. Die Dicke dieser beiden Pflaster 50 ist gleich der Dicke des Bauteils 20, also desjenigen Bauteils, auf dem sie nicht angeordnet sind.
Ein drittes Pflaster 51 ist zwischen den beiden Bereichen des Bauteiles 20 im Bereich der äußeren Heftklammern 44 positioniert. Die Dicke des Pflasters 51 ist gleich der Dicke des Bauteils 10, also wiederum desjenigen Bauteils, auf dem das Pflaster 51 nicht angebracht ist.
Die Pflaster 50 und 51 sind so angeordnet, dass ein Bein 43a, 44b jeder äußeren Heftklammer 43, 44 durch ein Pflaster 50, 51 hindurchgeht. Die Pflaster 50 und 51 haben ein niedrigeres Elastizitätsmodul als die Bauteile 10 und 20.
In einem trockenen Zustand von Vorformlingen zum Beispiel aus Mulitaxialgelegen werden die Pflaster 50, 51 und die Bauteile 10 und 20 mittels Heftklammern 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49 (vergl. 2) mit einem konventionellen Heftgeräte (nicht dargestellt) verbunden. Nach dem Harz- Imprägnierungsprozess und der nachfolgenden Polymerisation sind die Pflaster 50, 51 und die Bauteile 10, 20 zusätzlich durch Harzschichten 33, 54 und 55 miteinander verbunden.
Das Einbringen der Pflaster 50, 51 könnte aber unter Umständen auf Grund der Steifigkeitssprünge zusätzliche Spannungskonzentrationszonen in den Bauteilen 10 und 20 im Bereich der Ränder der Pflaster 50, 51 initiieren. Um diesen nicht gewünschten Effekt zu verringern, wird das Elastizitätsmodul des Pflasters in der Belastungsrichtung 32 möglichst niedrig im Vergleich zu dem der Bauteile 10 und 20 gewählt. Die Pflaster 50, 51 sollen noch keine tragende Funktion übernehmen, nur für die richtige Formbildung der tragenden Bauteile 10 und 20 von Nutzen sein.
In der 5 sind in ähnlicher Form wie in der 3 nun schematisch die Zugspannungsverteilungen im Bauteil 10 einerseits für eine Ausführungsform aus der 1 und andererseits für eine Ausführungsform aus der 4 dargestellt.
Unterhalb der Zugsspannungsverteilungen sind vergrößert die entsprechenden Randbereiche der Überlappungsbereiche 30 aus den 1 und 4 wiedergegeben, also zum Einen ohne eine überbrückende Heftklammer 43 entsprechend der 1 (siehe die linke Seite, 5a), andererseits mit einer solchen überbrückenden Heftklammer 43 und zusätzlich mit einem Pflaster 50 entsprechend der 4 (siehe die rechte Seite, 5b).
Die linke Hälfte der Darstellung in 5 entspricht also der linken Hälfte der Darstellung in 3.
In der rechten Hälfte entstehen ähnliche grundsätzliche Effekte wie in der 3b.
Aufgrund der Steifigkeitssprünge an der Grenze zwischen dem ersten Bauteil 10 und dem Bereich des Pflasters 50 wird das Maximum des Spannungsniveaus wiederrum höher als das Spannungsniveau im Bereich der Geraden 72 im Bereich des Bauteils 10 außerhalb des Pflasters 50 und des Überlappungsbereichs 30. Das Maximum des Spannungs- oder Belastungsniveaus ist aber niedriger als das Maximum in der 5a, weil der Steifigkeitssprung an der Grenze zwischen dem Bauteil 10 und dem Bereich des Pflaster 50 niedriger ist als der Steifigkeitssprung an der Grenze zwischen dem Bauteil und der Berührungsfläche 31. Durch den Einsatz der äußeren Heftklammern 43, 44 mit den Pflastern 50 wird die Zugspannungsspitze im Bauteil 10 auf einen niedrigeren Wert reduziert.
Der Wert 76, um den die Zugspannungsspitze der Ausführungsform aus der 5 im Verhältnis zu der Ausführungsform aus der 1 reduziert wird, ist natürlich ein anderer, als der Wert 76 aus der 3b, der die Reduzierung der Ausführungsform aus der 3 zur Ausführungsform aus der 1 angibt.
Ein Vergleich der 3b und 5b zeigt, dass die Verläufe nicht identisch sind und durch das Pflaster 50 beeinflusst werden, das jedoch der grundsätzliche Effekt etwa gleich bleibt.
In der 6 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Hier wird der Verbindungsaufwand stark reduziert, indem die Zahl der Heftklammern herabgesetzt wird. Hier werden nur die äußeren Heftklammern 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49 eingebracht. Dadurch lässt sich eine Verbindung mittels einer Harzschicht 33 als Klebeverbindung zwischen den Bauteilen 10 und 20 einsetzen und mit berücksichtigen. Es liegt daran, dass die äußeren Heftklammern 43, 44 einen Teil 81 der gesamten Zugkraft 80 direkt vom Bauteil 10 zum Bauteil 20 „abtransportieren”. Dadurch wiederum wird die Zugkraft 80 reduziert, die dazu führt, dass die Spannung in den Spannungskonzentrationszonen 35 noch kritischer wird.
Eine Verbindung der Bauteile 10 und 20 durch die Harzschicht 33 verringert allerdings eine Schadentoleranz einer Konstruktion. Etwa entstehende Risse beispielsweise im Bauteil 10 können sich über die Harzschicht 33 in das Bauteil 20 ausbreiten. Ebenso könnten sich mögliche Risse in den nicht tragenden Pflastern 50, 51 über Harzschichten 54, 55 in die tragenden Bauteile 10 und 20 ausbreiten.
Auch diesem Problem lässt sich entgegenwirken. Dies wird durch das Einbringen von Trennfolien 60, beispielsweise von Kaptonfolien, ermöglicht.
In der 7 ist eine Heftklammerverbindung dargestellt, die zwischen den Bauteilen 10 und 20 sowie zwischen den Pflastern 50 und 51 sowie den Bauteilen 10 und 20 derartige Trennfolien 60 enthält. Es ist möglich, mehrere flächenhaft nebeneinander gesetzte Trennfolien 60 einzusetzen oder auch Trennfolien 60 separat für das Pflaster 50, das Pflaster 51 und auch an der Trennfolie 60 in der Berührungsfläche 31 zwischen den Bauteilen 10 und 20 (vergl. die anderen Figuren). Grundsätzlich wäre es jedoch auch möglich, eine einzige Trennfolie 60 für die gesamten vorgenannten Bereiche einzusetzen.
In den folgenden Figuren folgen vereinfacht Darstellungen, die in erster Linie Vergleichszwecken dienen.
Dabei zeigt die 8 eine reine Klebverbindung zwischen zwei Bauteilen 10 und 20, bei der nur durch Harzschichten 33 eine Verbindung erfolgt. Heftklammern sind in dieser Konzeption nicht enthalten, die daher auch nicht erfindungsgemäß ist.
In der 9 ist eine erfindungsgemäße Ausführungsform einer Verbindung mittels Heftklammern 40, 41 dargestellt, die zwar an den Rändern der Berührungsfläche 31 angeordnet sind, jedoch nicht in überrückender Form. Pflaster sind hier dementsprechend nicht vorgesehen. Hier handelt es sich wiederum um eine Version, bei der die Heftklammern 40, 41 mit ihren Beinen am Ende aufeinander zu umgebogen sind. Auch hier ist eine Harzschicht 33, jedoch keine Trennfolie vorgesehen.
10 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführungsform einer Verbindung mit Heftklammern 40, 41 und 42, die über den gesamten Überlappungsbereich 30 verteilt sind. Hier sind keine Pflaster vorgesehen, dafür jedoch Trennfolien 60 zwischen den Bauteilen 10 und 20 in dem Bereich der Harzschicht 33 in der Berührungsfläche 31.
In der 11 sind nun schematisch die Zugspannungsverteilungen im Bauteil 10 für einerseits einer Ausführungsform aus der 10 und andererseits aus der Ausführungsform der 7 dargestellt.
Unterhalb der Zugspannungsverteilungen sind vergrößert die entsprechenden Randbereiche der Überlappungsbereiche 30 aus den 10 und 7 wiedergegeben, also auf der linken Seite ohne eine überbrückende Heftklammer 43 entsprechend der 10 (siehe die linke Seite, 11a), andererseits mit einer solchen überbrückenden Heftklammer 43, mit Pflastern 50, 51 und mit Trennfolien 60 in den oder anstelle der Harzschichten 33, 54 und 55 entsprechend der 7 (vergl. 11b).
Die linke Seite der 11a ähnelt den Darstellungen in den 3a und 5a.
Ein kleiner Unterschied zeigt sich erst bei näherem Hinsehen. In den 3a und 5a ist der Sprung der Zugspannung zwischen der Geraden 72 und der Kurve 71 genau dort angesetzt, wo die Haftschicht 33 in der Berührungsfläche 31 zwischen den Bauelementen 10 und 20 endet beziehungsweise beginnt, wie dies in der 1 auch durch die Spannungskonzentrationszone 35 verdeutlicht wird. Ein entsprechender Sprung befindet sich zwischen der Gerade 72 und der Kurve 71 in der 11 dort, wo durch das eine Bein der Heftklammer 40 die Spannungskonzentrationszone 35 jetzt leicht versetzt schon innerhalb der Berührungsfläche 31 zwischen den Bauteilen 10 und 20 angeordnet ist. Dies liegt an der Trennfolie 60, die in der Ausführungsform der 10 im Gegensatz zur Ausführungsform der 1 vorhanden ist und die somit den Rand der Verbindung zwischen den Bauelementen 10 und 20 verschiebt, da die Trennfolie 60 keine Verbindung zwischen den Bauelementen 10 und 20 durch eine Haftschicht zulässt.
Demgegenüber sieht man auf der rechten Seite, dass sich grundsätzlich wieder ein ähnlicher Abbau der Belastungsspitzen wie in den 3a und 5a. ergibt, mit Modifikationen in den Bereichen zwischen den reduzierten Belastungsspitzen.
Die Gerade 72 in der 11b zeigt wiederum die Spannungsverteilung im Bauteil 10 außerhalb der Berührungsfläche 31 der zu verbindenden Bauteile 10 und 20 und zugleich außerhalb des Berührungsbereiches mit der Trennfolie 60 zwischen dem Bauteil 10 und dem Pflaster 50. Die Kurve 71 in der 11a bzw. 73 in der 11b zeigt den Verlauf der maximalen Zugspannungen im Bauteil 10 im Bereich der Berührungsfläche 31 für die Verbindung ohne Heftklammern und Pflaster auf der linken Seite bzw. mit überbrückender Heftklammer 43 und Pflaster 50 auf der rechten Seite.
Die Trennfolie 60 im Bereich der Harzschicht 54 zwischen dem Bauteil 10 und dem Pflaster 50 verhindert eine Spannungsüberhöhung im Bauteil 10 aufgrund der Steifigkeitssprungs. Die Kurve 74 mit einer Spannungsüberhöhung 75, welche durch das Vorhandenseins des Heftklammerbeins 43a hervorgerufen wird, entspricht dem Verlauf der maximalen Zugspannungen im Bauteil 10 im Bereich der äußeren Heftklammern. Ein Unterschied etwa zur 5b entsteht durch das Nichtvorhandensein durchgängiger Harzverbindungen zwischen den Bauteilen 10 und 20 aufgrund des Vorhandenseins einer Trennfolie 60 in dem Bereich 54. Dadurch wird dieser Bereich der Verbindung in eine reine Heftklammerkopplung umgewandelt. Die äußeren Heftklammern „transportieren” einen Kraftteil 81 der gesamten Zugkraft 80 direkt vom Bauteil 10 zum Bauteil 20, wodurch die Zugkraft 82 reduziert wird, die in der Spannungskonzentrationszone 35 zu einer kritischen Spannungskonzentration führen könnte.
Durch den Einsatz von äußeren Heftklammern 43, 44 mit Pflastern 50, 51 und Trennfolien 60 im Bereich der Harzschichten 54, 55 wird die maximale Normalspannung im Bauteil 10 um einen Wert 76 reduziert.
In der 12 sind Ergebnisse für Anschlussgütegrade von getesteten zweischnittigen Verbindungsproben aus Kohlenstofffaserverbundwerkstoff (CFK) mit einem Laminataufbau 50/40/10 wiedergegeben. Dabei werden jeweils gleiche Abmessungen für die Berührungsfläche 31 zwischen den Bauteilen 10 und 20 gewählt.
Die Darstellung ist ein Balkendiagramm. Von links nach rechts sind sechs Balken dargestellt, deren Höhe jeweils den Anschlussgütegrad in Prozent angibt. Der Balken ganz links entspricht einer konventionellen dreireihigen Bolzenverbindung.
Der zweite Balken entspricht einer reinen Klebeverbindung, wie sie in der 8 dargestellt ist. Die beiden Balken mit den schlechtesten Werten 34,4 und 55,7 entsprechen also Konzeptionen, die Verbindungen aus dem Stand der Technik auf die entsprechenden Bauteile 10 und 20 anwenden.
Der dritte Balken entspricht der sehr einfachen erfindungsgemäßen Ausführungsform aus der 9. Hier sind nur wenige Heftklammern vorgesehen, die auch nicht an den überbrückenden Rändern der Überlappungsbereiche angeordnet sind, jedoch aufeinander zu weisende umgebogene Beine besitzen. Bereits durch diese Gestaltung entsteht eine deutliche Verbesserung mit einem Anschlussgütegrad von 69,6%.
Der vierte Balken entspricht einer Heftklammerverbindung entsprechend 1, bei der die Heftklammern über den gesamten Überlappungsbereich 30 verteilt sind und weder äußere Heftklammern 43, 44 noch Pflaster 50, 51 vorgesehen sind. Durch diese Konzeption erhöht sich der Anschlussgütegrad weiter auf 73,3%.
Der fünfte Balken entspricht einer Ausführungsform aus der 10, bei der Trennfolien zwischen den Bauteilen 10 und 20 vorgesehen sind. Hier steigt der Anschlussgütegrad auf 76,2%.
Der Balken ganz rechts bildet eine besonders bevorzugte erfindungsgemäße Ausführungsform ab, nämlich eine Faserverbundstruktur entsprechend 6 mit einer Heftklammerverbindung, bei der nur an den Rändern der Berührungsfläche 31 Heftklammern 43, 44 und Pflaster 50, 51 vorgesehen sind.
Der Anschlussgütegrad dieser Ausführungsform beträgt sogar 82,8% und steigt demnach gegenüber den vorherigen drei erfindungsgemäßen Ausführungsformen nochmals deutlich.
Man erkennt aus diesen Balken, dass durch die erfindungsgemäße Ausführungsform der Anschlussgütegrad gegenüber einer reinen Bolzenverbindung mit 34,4% jetzt auf 82,8% für eine erfindungsgemäße Ausführungsform ansteigen kann.
In den Experimenten konnte demonstriert werden, dass die erfindungsgemäßen Faserverbundstrukturen mit ihren Heftklammerverbindungen deutliche Vorteile im Vergleich zu herkömmlichen Bolzenverbindungen einerseits und reinen Klebeharzverbindungen andererseits besitzen. So beträgt beispielsweise die relative Verbesserung des Anschlussgütegrades für die als fünftes in der 12 dargestellte Ausführungsform entsprechend der 10 mit einer reinen Heftklammerverbindung ohne eine zusätzliche Verbindung durch ein Harz im Vergleich zu einer reinen Bolzenverbindung gemäß der Darstellung des linken Balkens in der 12 etwa 121%.
Die relative maximale bisher ermittelte und dargestellte Verbesserung des Anschlussgütegrades aus der Ausführungsform der 6 für die durch Harz- und Heftklammern kombinierte Verbindung entsprechend dem rechten Balken und der 12 beträgt im Vergleich zur reinen Kleb- beziehungsweise Harzverbindung aus der 8 aus dem zweiten Balken der 12 rund 48%.
Vergleicht man beispielsweise eine Ausführungsform, bei der nur wenige, Heftklammern eingesetzt werden, die dafür die Randbereiche der Berührungsfläche 31 zwischen den Bauteilen 10 und 20 überbrücken, die jedoch außerdem mit Pflastern 50, 51 ausgestattet sind und außerdem aufeinander zu umgebogene Beine 43a, 43b, 44a, 44b aufweisen, also eine Ausführungsform entsprechend der Darstellung in der 6, und vergleicht diese mit einer gleichmäßigen Verteilung einer größeren Anzahl von Heftklammern, die in einer ebenfalls geeigneten Ausführungsform aus der 1 ausgerüstet sind, so beträgt die relative Verbesserung gleichwohl noch etwa 13%.

10: erstes Bauteil
20: zweites Bauteil
30: Überlappungsbereich
31: Berührungsfläche
32: Belastungsrichtung
33: Harzschicht
35: Spannungskonzentrationszone
40: Heftklammer
40a: Bein
40b: Bein
40c: Heftklammerrücken
41: Heftklammer
42: Heftklammer
43: Heftklammer
43a: Bein
43b: Bein
43c: Heftklammerrücken
44a: Bein
44b: Bein
44c: Heftklammerrücken
45: Heftklammer
46: Heftklammer
47: Heftklammer
48: Heftklammer
49: Heftklammer
50: Pflaster
51: Pflaster
54: Harzschicht
55: Harzschicht
60: Trennfolie
71: Piek, Kurve
72: Gerade
73: Kurve
74: mittlere Kurve
75: Spannungsüberhöhung
76: reduzierter Betrag
80: Zugkraft
81: Teil der Kraft

Claims

Faserverbundstruktur, mit einem ersten plattenförmigen Bauteil (10), mit einem zweiten plattenförmigen Bauteil (20), mit einem Überlappungsbereich (30), in dem das erste plattenförmige Bauteil (10) und das zweite plattenförmige Bauteil (20) eine Berührungsfläche (31) besitzen, in der sie mit je einer Oberfläche aneinandergrenzen, wobei eine Belastungsrichtung (32) parallel zur Berührungsfläche (31) der beiden Bauteile (10, 20) verläuft, mit Verbindungselementen (40), die die beiden Bauteile (10, 20) miteinander verbinden und jeweils in beide Bauteile (10, 20) hineinragen, und bei dem unter den Verbindungselementen (40 bis 49) Heftklammern sind, die jeweils zwei Beine (40a, 40b, 43a, 43b, 44a, 44b) und einen die beiden Beine (40a, 40b, 43a, 43b, 44a, 44b) verbindenden Heftklammerrücken (40c, 43c, 44c) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Heftklammern (43, 44) in der Faserverbundstruktur so angeordnet ist, dass ein Bein (43b, 44a) der Heftklammer (43, 44) durch Abschnitte von beiden Bauteilen (10, 20) und durch die Berührungsfläche (31) der beiden Bauteile (10, 20) hindurchragt, und das andere Bein (43a, 44b) nur in ein Bauteil (10) außerhalb der Berührungsfläche (31) hineinragt.
Faserverbundstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der die beiden Beine (43a, 43b; 44a, 44b) verbindende Heftklammerrücken (43c; 44c) von denjenigen Heftklammern (43, 44), von denen ein Bein (43b, 44a) der Heftklammer (43, 44) durch Abschnitte von beiden Bauteilen (10, 20) und durch die Berührungsfläche (31) der beiden Bauteile (10, 20) hindurchragt und das andere Bein (43a, 44b) nur in ein Bauteil (10 oder 20) außerhalb der Berührungsfläche (31) hineinragt, in einer Ebene orientiert ist, die parallel zur Belastungsrichtung (32) steht.
Faserverbundstruktur nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heftklammern (40 bis 49) nur in äußeren Bereichen der gemeinsamen Berührungsfläche (31) der beiden Bauteile (10, 20) angeordnet sind.
Faserverbundstruktur nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Berührungsfläche (31) der beiden Bauteile (10, 20) eine Trennfolie (60) angeordnet ist.
Faserverbundstruktur nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Pflaster (50) vorgesehen ist, und dass sich das Pflaster (50) auf einem der beiden Bauteile (10, 20) benachbart zu der Berührungsfläche (31) der Bauteile (10, 20) in dem Bereich befindet, in dem die eine Verbindungsbrücke bildende Heftklammer (43, 44) in das Bauteil (10) hineinragt.
Faserverbundstruktur nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Pflaster (50) aus einem Faserverbundwerkstoff besteht.
Faserverbundstruktur nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Pflaster (50) eine Dicke aufweist, die der Dicke desjenigen plattenförmigen Bauteils (20) entspricht, auf dem das Pflaster (50) nicht aufgeklebt ist.
Faserverbundstruktur nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Pflaster (50) ein niedrigeres Elastizitätsmodul als die beiden Bauteile (10, 20) aufweist.
Faserverbundstruktur nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Auflagefläche zwischen dem ersten Bauteil (10) und dem darauf angeordneten Pflaster (50) und/oder dem anderen Bauteil (20) und dem darauf angeordneten Pflaster (51) eine oder mehrere Trennfolien (60) aufweist.
Faserverbundstruktur nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beine (40a, 40b, 43a, 43b, 44a, 44b) von zumindest einer der Heftklammern (40 bis 49) an ihren den Heftklammerrücken (40c, 43c, 44c) abgewandten Enden um einen Winkel umgebogen sind.
Faserverbundstruktur nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Beine (40a, 40b, 43a, 43b, 44a, 44b) der Heftklammern (40 bis 49) an ihren Enden derart umgebogen sind, dass die umgebogenen Enden aufeinander zuweisen.
Faserverbundstruktur nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heftklammerrücken von einigen der Heftklammern (40 bis 49) auf einer Seite der Berührungsfläche (31) der plattenförmigen Bauteile (10, 20) angeordnet sind, und dass die Heftklammerrücken von einigen anderen der Heftklammern (40 bis 49) auf der anderen Seite der Berührungsfläche (31) angeordnet sind.
Verfahren zur Herstellung einer Faserverbundstruktur nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst trockene Vorformlinge aus Bauteilen (10, 20) und gegebenenfalls Pflastern (50) aus Faserverbundgeweben oder -gelegen ausgeschnitten und angeordnet werden, dass dann Heftklammern (40 bis 49) mittels eines Heftgerätes fixiert und verbunden werden, dass dabei zumindest einige der Heftklammern (43, 44) mit einem ihrer Beine durch Abschnitte von beiden Bauteilen (10, 20) und durch die Berührungsfläche (31) der beiden Bauteile (10, 20) hindurch geführt werden und mit ihrem anderen Bein (43a, 44b) nur in ein Bauteil (10) außerhalb der Berührungsfläche (31) eingeführt werden, und dass dann die Struktur durch ein Harzpolymer getränkt und schließlich mit oder ohne Autoklav polymerisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass während des Anordnungsschrittes zwischen den Vorformlingen der Bauteile (10, 20) sowie zwischen den Vorformlingen der Bauteile (10, 20) und den Pflastern (50) Trennfolien (60) eingesetzt werden.