DE102009014973A1

DE102009014973A1 - Schalungselement

Info

Publication number: DE102009014973A1
Application number: DE102009014973A
Authority: DE
Inventors: Christof Kindervater; Rüdiger Keck; Niko Seeger
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2009-03-18
Filing date: 2009-03-18
Publication date: 2010-09-23
Anticipated expiration: 2029-03-19
Also published as: DE102009014973B4

Abstract

Um ein nicht-metallisches Schalungselement zur Verfügung zu stellen, welches eine erhöhte Widerstandsfähigkeit gegen dynamische Krafteinwirkungen aufweist, wird vorgeschlagen, dass das Schalungselement (i) eine äußere Wandung umfassend ein faserverstärktes Polymermaterial und (ii) eine innere Wandung umfassend einen mit thermoplastischen Fasern verstärkten Thermoplast umfasst, wobei die äußere und die innere Wandung zumindest bereichsweise miteinander verbunden sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schalungselement, insbesondere ein Schalungselement für Land-, Luft- oder Raumfahrzeuge.
In verschiedenen technischen Bereichen, insbesondere in der Luftfahrttechnik, werden Schalungselemente auf der Basis von Kunststoffmaterialien als Alternative zu Schalungselementen aus Metall eingesetzt. Dabei kann die Außenhülle z. B. eines Flugzeuges vollständig oder überwiegend aus einem oder mehreren derartigen Schalungselementen aufgebaut sein, oder die Schalungselemente werden nur für bestimmte Bereiche des Flugzeugs oder für Anbauten an demselben verwendet. Die Abkehr von metallischen Materialien erfolgt in erster Linie, um eine zum Teil deutliche Gewichtsverringerung zu erreichen. Der Verzicht auf eine Außenhülle aus Metall kann jedoch auch erforderlich sein, um radartransparente Strukturen zu erhalten oder den Einsatz von Messgeräten (z. B. in Aufklärungsflugzeugen) zu ermöglichen.
Bei den beschriebenen Schalungselementen handelt es sich insbesondere um selbsttragende Strukturen, d. h. die Schalungselemente weisen eine ausreichende statische Belastbarkeit auf, um als das einzige oder wesentliche Strukturelement der entsprechenden Konstruktionseinheit dienen zu können. Diese Anforderungen werden in hohem Maße von Faserverbundwerkstoffen erfüllt, insbesondere von glasfaser- oder kohlenstofffaserverstärkten Polymermaterialien (GFK bzw. CFK), die in diesem Bereich seit Längerem eingesetzt werden. Schalungselemente aus GFK oder CFK weisen eine hohe Steifigkeit und eine hohe statische Tragfähigkeit auf.
Die hohe Steifigkeit von GFK und CFK bringt jedoch auch einen entscheidenden Nachteil mit sich. Durch die geringe Bruchdehnung verhalten sich diese Materialien sehr spröde und können einer dynamischen Krafteinwirkung nur unzureichend Stand halten. Beim Einschlag eines Fremdobjekts mit hoher Ge schwindigkeit (High Velocity Impact, HVI), wie dies insbesondere in der Luftfahrt z. B. in Form eines Vogel- oder Reifenschlags eintreten kann, wird ein Schalungselement aus GFK oder CFK vollständig durchbrochen und das Fremdobjekt dringt in den Innenraum ein.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein nicht-metallisches Schalungselement zur Verfügung zu stellen, welches eine erhöhte Widerstandsfähigkeit gegen dynamische Krafteinwirkungen aufweist.
Diese Aufgabe wird bei dem Schalungselement der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Schalungselement eine äußere Wandung und eine innere Wandung umfasst, die zumindest bereichsweise miteinander verbunden sind, wobei die äußere Wandung ein faserverstärktes Polymermaterial umfasst und die innere Wandung einen mit thermoplastischen Fasern verstärkten Thermoplast umfasst.
Bei dem erfindungsgemäßen Schalungselement trägt in erster Linie das faserverstärkte Polymermaterial der äußeren Wandung zur statischen Belastbarkeit und Tragfähigkeit bei, während der mit thermoplastischen Fasern verstärkte Thermoplast der inneren Wandung aufgrund seiner besonderen Eigenschaften, die nachfolgend im Einzelnen beschrieben werden, dynamische Krafteinwirkungen aufnehmen kann und insbesondere das Durchbrechen des Schalungselements im Falle eines HVI verhindert. Das Schalungselement kann hierbei verschiedene Formen aufweisen und insbesondere sowohl eben als auch gekrümmt ausgebildet sein.
Bevorzugt ist die innere Wandung im Wesentlichen vollständig aus dem mit thermoplastischen Fasern verstärkten Thermoplast gebildet. Dieses Material ist plastisch verformbar und weist eine hohe Bruchdehnung und Reißfestigkeit auf, sodass die innere Wandung in der Lage ist, die Energie eines einschlagenden Fremdobjekts (nach dessen Durchbruch durch die äußere Wandung) durch eine plastische Verformung aufzunehmen. Trotz einer Beschädigung der äußeren Wandung wird somit ein vollständiges Durchschlagen des Schalungs elements und ein Eindringen des Fremdobjekts in den Innenraum verhindert. Diese vorteilhaften Eigenschaften, d. h. in erster Linie die hohe Bruchdehnung, ergeben sich insbesondere durch die Verstärkung des Thermoplasten mit thermoplastischen Fasern. Gleichzeitig ist jedoch die Steifigkeit und statische Belastbarkeit dieses Materials relativ gering, sodass die Herstellung eines Schalungselements ausschließlich aus diesem Material für die eingangs beschriebenen Anwendungsgebiete nicht in Frage kommt. Nachteilig wäre in diesem Fall auch die schlechte bzw. fehlende Lackierbarkeit der entsprechenden thermoplastischen Materialien. Erst durch die erfindungsgemäße Kombination der aus unterschiedlichen Materialien gebildeten äußeren und inneren Wandung kann ein Schalungselement mit den gewünschten Eigenschaften zur Verfügung gestellt werden.
Als Matrixmaterial der inneren Wandung können verschiedene Thermoplaste eingesetzt werden. Vorzugsweise umfasst der Thermoplast Polyethylen, Polypropylen und/oder einen Polyester. Diese Materialien können auf einfache Weise verarbeitet werden und weisen eine geringe Dichte auf.
Die thermoplastischen Fasern, mit denen der Thermoplast der inneren Wandung verstärkt ist, umfassen bevorzugt verstreckte Polyethylen-, Polypropylen- und/oder Polyesterfasern. Besonders bevorzugt ist der Einsatz eines selbstverstärkten Thermoplasten, also z. B. eines mit verstreckten Polyethylenfasern verstärkten Polyethylens. Hierbei ist es günstig, wenn die verstreckten Fasern einen höheren Schmelzpunkt aufweisen als der entsprechende unverstreckte Thermoplast. Eine solche Schmelzpunkterhöhung ergibt sich durch den Verstreckungsvorgang und erlaubt die Verarbeitung des Thermoplasten in der Schmelze, z. B. mittels Autoklavprozess, ohne dass die zugesetzten Verstärkungsfasern ebenfalls aufschmelzen.
Ein mit verstreckten Polypropylenfasern verstrecktes Polypropylen wird beispielsweise von der Firma Milliken & Company hergestellt und unter der Bezeichnung TEGRIS angeboten.
Die äußere Wandung des erfindungsgemäßen Schalungselements ist bevorzugt selbsttragend. Als das faserverstärkte Polymermaterial können insbesondere solche Materialien zum Einsatz kommen, die eine hohe Steifigkeit und statische Tragfähigkeit aufweisen, wie sie gemäß dem Stand der Technik z. B. im Luftfahrtbereich eingesetzt werden. Bevorzugt ist die äußere Wandung im Wesentlichen vollständig aus dem faserverstärkten Polymermaterial gebildet.
Günstig ist es, wenn die äußere Wandung einen Duroplast umfasst. Duroplaste weisen typischerweise eine hohe Festigkeit und Steifigkeit auf. Bevorzugte Duroplaste sind insbesondere Epoxidharze (EP), Vinylesterharze (VE), Bismaleinimidharze (BI), ungesättigte Polyesterharze (UP) und Mischungen hiervon, wobei Epoxidharze besonders bevorzugt sind.
Als Alternative zu Duroplasten kann das Polymermaterial der äußeren Wandung auch einen thermoplastischen Hochleistungskunststoff umfassen. Auch mit solchen Kunststoffen, die gegenüber gewöhnlichen Thermoplasten verbesserte mechanische und thermische Eigenschaften aufweisen, können die an die äußere Wandung zu stellenden Anforderungen erreicht werden. Bevorzugte Hochleistungskunststoffe im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind insbesondere Polyphenylensulfide (PPS), Polyetherketone (umfassend Polyetherketone im engeren Sinn (PEK), Polyetheretherketone (PEEK) und Polyetherketonketone (PEKK)), Polyetherimide (PEI), Polyethersulfone (PES) und Mischungen hiervon. Besonders bevorzugt sind Polyphenylensulfide.
Als Verstärkungsfasern in dem Polymermaterial der äußeren Wandung können insbesondere Glasfasern oder Kohlenstofffasern zum Einsatz kommen. Möglich ist auch die Verwendung von Aramidfasern, die jedoch wesentlich teurer sind.
Günstigerweise handelt es sich bei den Fasern um so genannte Endlosfasern, d. h. Fasern mit einer Länge von mehr als ca. 50 mm. Die Fasern können in dem Polymermaterial der äußeren Wandung als uni-, bi- oder multidirektionales Gelege oder als Gewebe vorliegen.
Bei dem erfindungsgemäßen Schalungselement weisen die äußere und die innere Wandung im Wesentlichen zueinander kongruente Formen auf, wobei die beiden Wandungen sowohl unmittelbar aneinander anliegend als auch voneinander beabstandet sein können, und wobei die zumindest bereichsweise Verbindung auf verschiede Art und Weise ausgeführt sein kann.
Besonders günstig ist es, wenn die äußere und die innere Wandung flächig miteinander verbunden sind. Das Schalungselement bildet in diesem Fall ein Laminat.
Die Verbindung zwischen der äußeren und der inneren Wandung, insbesondere eine flächige Verbindung, wird vorzugsweise mittels eines Klebemittels verwirklicht. Das Klebemittel umfasst bevorzugt einen Reaktionsklebstoff, insbesondere einen Epoxidharz-, Acrylat-, Cyanacrylat oder Polyurethanklebstoff. Besonders bevorzugt ist ein Epoxidharzklebstoff, insbesondere wenn die äußere Wandung ein faserverstärktes Epoxidharz umfasst.
Eine Verklebung zwischen der äußeren und der inneren Wandung ist günstigerweise so ausgelegt, dass sich die innere Wandung im Falle eines HVI von der äußeren Wandung lösen kann. Ein Fremdobjekt, welches über einen ausreichend hohen Impuls verfügt, um die äußere Wandung zu durchschlagen, wird dabei von der inneren Wandung aufgefangen, welche sich durch die Einschlagsenergie von der äußeren Wandung löst und plastisch verformt. Durch die vorgesehene Lösung der Verbindung zwischen den beiden Wandungen wird die äußere Wandung, abgesehen von dem Einschlagloch des Fremdobjekts, durch die plastische Verformung der inneren Wandung nicht weiter beschädigt.
Das Klebemittel zur Verbindung der beiden Wandungen kann günstigerweise auch ein Elastomermaterial umfassen. Bevorzugte Elastomermaterialien sind dabei insbesondere Nitrilkautschuk (NBR) und/oder Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM). Durch ein elastomeres Klebemittel als Zwischenschicht zwischen der äußeren und der inneren Wandung kann eine gewisse Entkopplung erreicht werden, sodass z. B. statische Spannungen, die auf eine der Wandungen einwirken, nicht oder nicht in vollem Umfang auf die andere Wandung übertragen werden. Bevorzugt sind dabei die äußere und die innere Wandung durch eine Vulkanisation des Elastomermaterials stoffschlüssig mit diesem verbunden. Die Vulkanisation des Elastomermaterials wird also erst nach der Herstellung des Laminats durchgeführt, wobei gegebenenfalls zuvor eine Teilvulkanisation erfolgen kann.
Alternativ oder zusätzlich können die äußere und die innere Wandung auch mittels mechanischer Befestigungselemente verbunden sein. Bei dieser Ausführungsform kann insbesondere eine nur bereichsweise Verbindung vorliegen, d. h. eine Verbindung im Bereich der einzelnen Befestigungselemente. Geeignete Befestigungselemente umfassen bevorzugt Nieten und/oder Schrauben.
Bei Verwendung von mechanischen Befestigungselementen können die äußere und die innere Wandung unmittelbar aneinander anliegen, oder voneinander beabstandet sein. Auch in diesem Fall sollte die Verbindung so ausgelegt sein, dass eine Trennung der inneren Wandung von der äußeren Wandung als Folge eines HVI erfolgen kann, wobei es insbesondere vorteilhaft ist, wenn sich die Verbindung zwischen den mechanischen Befestigungselementen und der inneren Wandung löst, sodass die äußere Wandung durch ein Ausbrechen bzw. Ausreißen der Befestigungselemente nicht zusätzlich beschädigt wird.
Die beschriebenen Vorteile des erfindungsgemäßen Schalungselements können bereits mit einer relativ geringen Gesamtdicke erreicht werden. Bevorzugt liegt die Dicke des Schalungselements im Bereich von ca. 4 bis ca. 7 mm. Insbesondere die äußere Wandung, die nur statische Belastungen aufnehmen muss, kann relativ dünn ausgeführt sein, wobei das Verhältnis der Dicke der äußeren Wandung zur Dicke der inneren Wandung vorzugsweise ca. 1:1 bis ca. 1:4 beträgt. Durch den erfindungsgemäßen Aufbau des Schalungselements ergibt sich damit zusätzlich zu den oben beschriebenen Vorteilen auch eine Gewichtsreduktion im Vergleich zu einem vollständig aus GFK oder CFK bestehenden Schalungselement, da der mit thermoplastischen Fasern verstärkte Thermoplast der inneren Wandung eine wesentlich geringere Dichte aufweist (in der Regel < 1 g/cm³) als GFK oder CFK, die gemäß der Erfindung nur in der relativ dünnen äußeren Wandung eingesetzt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das Schalungselement mindestens eine Schutzwand, die auf der Seite der inneren Wandung von dieser beabstandet angeordnet ist. Das Vorsehen einer oder mehrerer Schutzwände dient dazu, im Falle eines HVI die plastische Verformung der inneren Wandung zu begrenzen. Der Schutz, den das Schalungselement gegen ein vollständiges Durchbrechen des Fremdobjektes bietet, kann auf diese Weise noch weiter erhöht werden.
Die mindestens eine Schutzwand umfasst bevorzugt einen mit thermoplastischen Fasern verstärkten Thermoplast, und günstigerweise umfassen die innere Wandung und die mindestens eine Schutzwand dasselbe Material, also z. B. ein selbstverstärktes Polypropylen oder Polyethylen. Durch die hohe Reißfestigkeit dieser Materialien kann somit auch die mindestens eine Schutzwand unter plastischer Verformung einen Teil der kinetischen Energie des einschlagenden Fremdobjekts aufnehmen.
Sofern mehrere Schutzwände vorgesehen sind, sind diese bevorzugt voneinander beabstandet angeordnet. Die Anzahl und Anordnung der Schutzwände kann dabei je nach dem vorgesehenen Einsatzgebiet des Schalungselements flexibel gewählt werden.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform weisen die äußere und die innere Wandung eine nach innen gekrümmte Form auf, und die mindestens eine Schutzwand ist im Wesentlichen eben ausgebildet und zumindest teilweise mit der inneren Wandung verbunden. Beispielsweise können die äußere und die innere Wandung die Form eines Kugelsegments aufweisen, und eine oder mehrere Schutzwände können kreisförmig ausgebildet und entlang ihres Umfangs mit der inneren Wandung verbunden sein. Selbstverständlich sind hier eine Vielzahl von weiteren, insbesondere auch unregelmäßigen Formen möglich, wobei die Gestalt der äußeren und der inneren Wandung sowie die Anordnung der mindestens einen Schutzwand an die jeweiligen Gegebenheiten angepasst werden können.
Falls die mindestens eine Schutzwand aus demselben Material gebildet ist wie die innere Wandung, so ist sie vorzugsweise einstückig mit dieser ausgebildet. Hierdurch wird einem einschlagenden Fremdobjekt ein besonders hoher Widerstand entgegengesetzt.
Das erfindungsgemäße Schalungselement kann in verschiedenen Bereichen eingesetzt werden, insbesondere für Land-, Luft- oder Raumfahrzeuge, um deren Beschädigung durch den Einschlag von Fremdobjekten zu minimieren. Die vorteilhafte Schutzwirkung des erfindungsgemäßen Schalungselements macht sich insbesondere ab hohen Einschlaggeschwindigkeiten im Bereich von ca. 100 bis 150 m/s oder mehr bemerkbar.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft die Verwendung der oben beschriebenen Schalungselemente für die Außenhülle von Luftfahrzeugen. Die Schalungselemente können dabei für die gesamte Außenhülle oder nur für besonders sensible Bereiche eingesetzt werden, z. B. für Teile des Luftfahrzeugs, die der Aufnahme von Messinstrumenten oder dergleichen dienen, sowie für besonders HVI-gefährdete Bereiche wie z. B. Vorderkantenstrukturen.
Im Rahmen der Luftfahrt bietet das erfindungsgemäße Schalungselement insbesondere einen besonders guten Schutz bei einem Vogelschlag- oder Reifenschlag (d. h. Schäden durch Teile eines geplatzten Reifens beim Start oder bei der Landung).
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Schalungselements können auch ausgenutzt werden, um das Luftfahrzeug im Falle eines Aufpralls auf eine Wasseroberfläche (bei einer Notlandung oder auch einem Absturz) gegen das Eindringen von Wasser zu schützen. Der Einsatz des Schalungselements bietet sich unter diesem Aspekt insbesondere für die Unterseite des Passagierraums von Helikoptern an. Durch einen Wasseraufprall bilden sich in bekannten Scha lungselementen aus GFK oder CFK Risse, und das eindringende Wasser kann zu einem relativ schnellen Sinken des Luftfahrzeugs führen. Bei dem erfindungsgemäßen Schalungselement hält die innere Wandung einer derartigen Belastung in einem wesentlich höheren Ausmaß Stand und kann somit das Eindringen von Wasser verhindern, selbst wenn die äußere Wandung beschädigt wurde.
In der Raumfahrttechnik kann das erfindungsgemäße Schalungselement insbesondere für die Außenhülle von Satelliten verwendet werden. Hier kann die Beschädigung des Satelliten durch eine Kollision mit so genanntem Weltraummüll vermieden bzw. deren Auswirkung auf die Funktionsfähigkeit des Satelliten reduziert werden.
Schließlich lässt sich das erfindungsgemäße Schalungselement auch im militärischen Bereich in vielfältiger Weise einsetzen. Ein Aspekt der Erfindung betrifft in diesem Zusammenhang die Verwendung des Schalungselements als Panzerung gegen Geschosse. Hierbei kann es sich um die Panzerung von Fahrzeugen oder sonstigen Objekten handeln. Wie dies oben im Zusammenhang mit HVI im Bereich der Luftfahrt beschrieben wurde, können auch Geschosse – zumindest bis zu einem gewissen Ausmaß – durch die plastische Verformbarkeit und die hohe Bruchdehnung der inneren Wandung an einem vollständigen Durchschlagen des Schalungselements gehindert werden.
Diese und weitere Vorteile der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen im Einzelnen:
1: einen Querschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Schalungselements;
2: eine schematische Darstellung des Einschlags eines Fremdobjekts bei dem Schalungselement der 1;
3: einen Querschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Schalungselements;
4: einen Querschnitt durch ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Schalungselements; und
5: einen Querschnitt durch ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Schalungselements.
Die 1 zeigt einen Querschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Schalungselements 10 in schematischer Darstellung. Das Schalungselement 10 ist eben ausgebildet und umfasst eine äußere Wandung 12 und eine innere Wandung 14, welche flächig miteinander verbunden sind. Die äußere Wandung 12 umfasst ein faserverstärktes Polymermaterial, wie z. B. ein mit Glas- oder Kohlenstofffasern verstärktes Epoxidharz. Die innere Wandung 14 umfasst einen mit thermoplastischen Fasern verstärkten Thermoplast, wie z. B. ein mit verstreckten Polypropylenfasern verstrecktes Polypropylen, welches von der Firma Milliken & Company unter der Bezeichnung TEGRIS angeboten wird.
Die flächige Verbindung zwischen der äußeren Wandung 12 und der inneren Wandung 14 wird durch ein Klebemittel 16 bewirkt, bei dem es sich im um einen Reaktionsklebstoff wie z. B. einen Epoxidharzklebstoff oder um ein Elastomermaterial wie z. B. einen Nitrilkautschuk handeln kann.
Durch die hohe Steifigkeit und statische Belastbarkeit des faserverstärkten Polymermaterials der äußeren Wandung 12 kann das Schalungselement 10 hohe statische Belastungen aufnehmen und als Strukturelement bzw. lasttragendes Element eingesetzt werden. Gleichzeitig verleiht das Material der inneren Wandung 14 dem Schalungselement 10 eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen dynamische Krafteinwirkungen.
Die gesamte Dicke des Schalungselements 10 liegt typischerweise im Bereich von ca. 4 bis ca. 7 mm, wobei das Verhältnis der Dicke der äußeren Wandung 12 zur Dicke der inneren Wandung 14 ca. 1:1 bis ca. 1:2 beträgt.
Die 2 zeigt das Schalungselement 10 nach dem Einschlag eines Fremdobjekts 18. Die Darstellung ist rein schematisch und zeigt insbesondere kein realistisches Größenverhältnis des Fremdobjekts 18 zur Dicke des Schalungselements 10. In der Praxis ist vielmehr von wesentlich größeren Fremdobjekten auszugehen.
Bei der in 2 dargestellten Situation trifft das Fremdobjekt 18 mit hoher Geschwindigkeit in der durch den Pfeil 20 angedeuteten Richtung auf die äußere Wandung 12 und durchschlägt diese aufgrund der spröden Materialeigenschaften des faserverstärkten Polymermaterials. Das Einschlagloch 22 in der äußeren Wandung 12 ist im Idealfall nicht wesentlich größer als das Fremdobjekt 18.
Ein vollständiger Durchbruch des Fremdobjekts 18 durch das Schalungselement 10 und ein Eindringen in den Innenraum wird durch die innere Wandung 14 verhindert, die die kinetische Energie des Fremdobjekts 18 aufnimmt. Dabei erfolgt eine Ablösung der inneren Wandung 14 von der äußeren Wandung 12 im Bereich des Einschlaglochs 22 sowie eine plastische Verformung der inneren Wandung 14. Dadurch, dass eine teilweise Ablösung der inneren Wandung 14 von der äußeren Wandung 12 erfolgt, wird die äußere Wandung 12 abgesehen von dem Einschlagloch 22 nicht weiter beschädigt bzw. verformt und wird somit in ihrer statischen Funktion nur in geringem Umfang beeinträchtigt.
Die Dicke der äußeren Wandung 12 und der inneren Wandung 14 sowie die Festigkeit der durch das Klebemittel 16 hergestellten Verbindung sind günstigerweise aufeinander abgestimmt, um ein möglichst optimales Verhalten des Schalungselements 10 bei dem zu erwartenden Impuls des Einschlags, in Abhängigkeit vom jeweiligen Anwendungsgebiet, zu erreichen. Optimale Para meter können dabei insbesondere durch eine Computersimulation des Materialverhaltens ermittelt werden.
Die 3 zeigt einen Querschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Schalungselements 30. Das Schalungselement 30 ist wie das Schalungselement 10 des ersten Ausführungsbeispiels eben ausgebildet mit einer äußeren Wandung 12 und einer inneren Wandung 14, die jedoch voneinander beabstandet mit einem Zwischenraum 32 angeordnet sind. Die Verbindung der beiden Wandungen 12 und 14 erfolgt mittels Nieten 34 als mechanische Befestigungselemente, die in regelmäßigen Abständen angeordnet sind. Die Nieten 34 sind so ausgelegt, dass sie eher aus der inneren Wandung 14 ausreißen als aus der äußeren Wandung 12, um im Falle eines Einschlags eine plastische Verformung der inneren Wandung 14, wie im Zusammenhang mit der 2 beschrieben, zu ermöglichen.
Alternativ zu dem in der 3 dargestellten Ausführungsbeispiel können die äußere Wandung 12 und die innere Wandung 14 auch bei einer Verbindung mit mechanischen Befestigungselementen unmittelbar aneinander anliegen.
Die 4 zeigt einen Querschnitt durch ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Schalungselements 40. Das Schalungselement 40 ist nach innen gekrümmt und weist im Wesentlichen die Form eines Kugelsegments auf. Es umfasst eine äußere Wandung 42 und eine innere Wandung 44, die wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel der 1 aufgebaut sind und mittels eines Klebemittels 46 flächig miteinander verbunden sind.
Auch die Darstellung der 4 ist rein schematisch und zeigt insbesondere kein realistisches Verhältnis des Krümmungsradius des Schalungselements 40 zur Dicke der Wandungen 42 und 44.
Das Schalungselement 40 umfasst zusätzlich eine ebene Schutzwand 48, die in dem von dem Schalungselement umschlossenen Innenraum angeordnet ist. Die Schutzwand 48 ist aus demselben mit thermoplastischen Fasern verstärk ten Thermoplast gebildet wie die innere Wandung 44 und mit dieser einstückig ausgebildet.
Durch die Schutzwand 48 wird die Widerstandfähigkeit des Schalungselements 40 gegen ein von vorne auftreffendes Fremdobjekt (angedeutet durch den Pfeil 50) weiter erhöht. Nach dem Durchschlagen der äußeren Wandung 42 durch ein Fremdobjekt, wie im Zusammenhang mit der 2 beschrieben, verformt sich der entsprechende Bereich der inneren Wandung 44 nach hinten in Richtung auf die Schutzwand 48. Diese Verformung wird durch die Schutzwand 48 gebremst, wobei sich auch letztere verformt. Durch die Schutzwand 48 dringt ein Fremdobjekt weniger weit in den von dem Schalungselement 40 umgebenen Innenraum ein, sodass dieser insgesamt noch besser geschützt ist.
Durch die integrale Verbindung der Schutzwand 48 mit der inneren Wandung 44 wird die beschriebene Schutzwirkung besonders gut erreicht, da die Schutzwand 48 einem auftreffenden Fremdobjekt so den maximalen Widerstand entgegensetzt. Alternativ kann die Schutzwand 48 z. B. auch mittels mechanischer Befestigungselemente mit der inneren Wandung 44 und/oder der äußeren Wandung 42 verbunden werden, insbesondere wenn eine einstückige Herstellung aufgrund komplizierterer geometrischer Strukturen nicht ohne Weiteres möglich ist.
Die 5 zeigt einen Querschnitt durch ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Schalungselements 60. Das Schalungselement 60 dient zur Aufnahme von Messinstrumenten bei einem Aufklärungs- oder Forschungsflugzeug und ist an der Unterseite des Flugzeugrumpfes 62 angeordnet. Zusammen mit dem Flugzeugrumpf 62 umschließt das Schalungselement 60 einen Innenraum 64, in dem die Messinstrumente (in der Figur nicht dargestellt) angeordnet sind.
Das Schalungselement 60 umfasst eine äußere Wandung 66 und eine innere Wandung 68, die jeweils wie die äußere bzw. innere Wandung der ersten drei Ausführungsbeispiele aufgebaut sind, und z. B. ein glasfaserverstärktes Epoxidharz bzw. ein selbstverstärktes Polypropylen umfassen. Die flächige Verbindung zwischen der äußeren Wandung 66 und der inneren Wandung 68 wird durch ein Klebemittel, z. B. einen Epoxidharzklebstoff oder ein Elastomermaterial, bewirkt.
Das Schalungselement 60 weist eine wannenförmige Gestalt auf, deren größte Abmessung sich in Längsrichtung des Flugzeugrumpfes 62 erstreckt. Die 5 zeigt einen Schnitt durch das Schalungselement 60 entlang der Flugrichtung, wobei das linke Ende des Schalungselements 60 nach vorne (d. h. in Flugrichtung) orientiert ist.
Um einen besonders guten Schutz gegen einen HVI durch von vorne auftreffende Fremdobjekte (z. B. Vögel) zu bieten (angedeutet durch den Pfeil 70), umfasst das Schalungselement 60 zwei Schutzwände 72, die in dem am meisten gefährdeten vorderen Bereich des Schalungselements 60 angeordnet sind. Die Schutzwände 72 sind aus demselben Material gebildet wie die innere Wandung 68 und mit dieser einstückig ausgebildet. Die nicht mit der inneren Wandung 68 verbundenen Bereiche der Schutzwände 72 sind mit der Unterseite des Flugzeugsrumpfes 62 verbunden.
Die Schutzwände 72 begrenzen die Verformung des vorderen Bereichs der inneren Wandung 68 im Fall eines HVI, z. B. bei einem Vogel- oder Reifenschlag. Das Eindringen eines Fremdobjekts in den Innenraum 64 und eine damit einhergehende Beschädigung der dort angeordneten Instrumente kann hierdurch sehr zuverlässig verhindert werden.

Claims

Schalungselement (10; 30; 40; 60), insbesondere für Land-, Luft- oder Raumfahrzeuge, umfassend (i) eine äußere Wandung (12; 42; 66) umfassend ein faserverstärktes Polymermaterial und (ii) eine innere Wandung (14; 44; 68) umfassend einen mit thermoplastischen Fasern verstärkten Thermoplast, wobei die äußere Wandung (12; 42; 66) und die innere Wandung (14; 44; 68) zumindest bereichsweise miteinander verbunden sind.
Schalungselement (10; 30; 40; 60) nach Anspruch 1, wobei der Thermoplast der inneren Wandung (14; 44; 68) Polyethylen, Polypropylen und/oder einen Polyester umfasst.
Schalungselement (10; 30; 40; 60) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die thermoplastischen Fasern verstreckte Polyethylen-, Polypropylen- und/oder Polyesterfasern umfassen.
Schalungselement (10; 30; 40; 60) nach Anspruch 3, wobei die verstreckten Fasern einen höheren Schmelzpunkt aufweisen als der entsprechende unverstreckte Thermoplast.
Schalungselement (10; 30; 40; 60) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die äußere Wandung (12; 42; 66) selbsttragend ist.
Schalungselement (10; 30; 40; 60) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Polymermaterial der äußeren Wandung (12; 42; 66) einen Duroplast umfasst.
Schalungselement (10; 30; 40; 60) nach Anspruch 6, wobei der Duroplast ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Epoxidharze, Vinylesterharze, Bismaleinimidharze, ungesättigte Polyesterharze und Mischungen hiervon.
Schalungselement (10; 30; 40; 60) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Polymermaterial der äußeren Wandung (12; 42; 66) einen thermoplastischen Hochleistungskunststoff umfasst.
Schalungselement (10; 30; 40; 60) nach Anspruch 8, wobei das Polymermaterial der äußeren Wandung (12; 42; 66) ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Polyphenylensulfide, Polyetherketone, Polyetherimide, Polyethersulfone und Mischungen hiervon.
Schalungselement (10; 30; 40; 60) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Polymermaterial der äußeren Wandung (12; 42; 66) mit Glasfasern, Kohlenstofffasern und/oder Aramidfasern verstärkt ist.
Schalungselement (10; 30; 40; 60) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Fasern in dem Polymermaterial der äußeren Wandung (12; 42; 66) eine Länge von mehr als ca. 50 mm aufweisen.
Schalungselement (10; 30; 40; 60) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Fasern in dem Polymermaterial der äußeren Wandung (12; 42; 66) als uni-, bi- oder multidirektionales Gelege oder als Gewebe vorliegen.
Schalungselement (10; 30; 40; 60) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die äußere Wandung (12; 42; 66) und die innere Wandung (14; 44; 68) flächig miteinander verbunden sind.
Schalungselement (10; 40; 60) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die äußere Wandung (12; 42; 66) und die innere Wandung (14; 44; 68) mittels eines Klebemittels (16; 46) verbunden sind.
Schalungselement (10; 40; 60) nach Anspruch 14, wobei das Klebemittel (16; 46) einen Reaktionsklebstoff umfasst, insbesondere einen Epoxidharz-, Acrylat-, Cyanacrylat- oder Polyurethanklebstoff.
Schalungselement (10; 40; 60) nach Anspruch 14, wobei das Klebemittel (16; 46) ein Elastomermaterial umfasst, insbesondere einen Nitrilkautschuk und/oder einen Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk.
Schalungselement (10; 40; 60) nach Anspruch 16, wobei die äußere Wandung (12; 42; 66) und die innere Wandung (14; 44; 68) durch eine Vulkanisation des Elastomermaterials stoffschlüssig mit diesem verbunden sind.
Schalungselement (30) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die äußere Wandung (12) und die innere Wandung (14) mittels mechanischer Befestigungselemente (34) verbunden sind.
Schalungselement (30) nach Anspruch 18, wobei die Befestigungselemente (34) Nieten und/oder Schrauben umfassen.
Schalungselement (10; 40; 60) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die äußere Wandung (12; 42; 66) und die innere Wandung (14; 44; 68) unmittelbar aneinander anliegen.
Schalungselement (30) nach Anspruch 18 oder 19, wobei die äußere Wandung (12) und die innere Wandung (14) voneinander beabstandet sind.
Schalungselement (10; 30; 40; 60) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Schalungselement (10; 30; 40; 60) eine Dicke von ca. 4 bis ca. 7 mm aufweist.
Schalungselement (10; 30; 40; 60) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Verhältnis der Dicke der äußeren Wandung (12; 42; 66) zur Dicke der inneren Wandung (14; 44; 68) ca. 1:1 bis ca. 1:4 beträgt.
Schalungselement (40; 60) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Schalungselement (40; 60) mindestens eine Schutzwand (48; 72) umfasst, die auf der Seite der inneren Wandung (44; 68) von dieser beabstandet angeordnet ist.
Schalungselement (40; 60) nach Anspruch 24, wobei die mindestens eine Schutzwand (48; 72) einen mit thermoplastischen Fasern verstärkten Thermoplast umfasst.
Schalungselement (60) nach Anspruch 24 oder 25, wobei mehrere Schutzwände (72) voneinander beabstandet angeordnet sind.
Schalungselement (40; 60) nach einem der Ansprüche 24 bis 26, wobei die äußere Wandung (42; 66) und die innere Wandung (44; 68) eine nach innen gekrümmte Form aufweisen, und wobei die mindestens eine Schutzwand (48; 72) im Wesentlichen eben ausgebildet und zumindest teilweise mit der inneren Wandung (44; 68) verbunden ist.
Schalungselement (40; 60) nach Anspruch 26 oder 27, wobei die mindestens eine Schutzwand (48; 72) einstückig mit der inneren Wandung (44; 68) ausgebildet ist.
Verwendung eines Schalungselements nach einem der Ansprüche 1 bis 28 für die Außenhülle von Luftfahrzeugen.
Verwendung eines Schalungselements nach einem der Ansprüche 1 bis 28 für die Außenhülle von Satelliten.
Verwendung eines Schalungselements nach einem der Ansprüche 1 bis 28 als Panzerung gegen Geschosse.