DE102009052263B4

DE102009052263B4 - Faserverbundmaterial, Herstellung eines textilen Flächengebildes hierfür, sowie daraus hergestellte Bauteile und deren Verwendung

Info

Publication number: DE102009052263B4
Application number: DE102009052263.8A
Authority: DE
Inventors: Thomas Bürger; Peter Faulhaber; Franz Maidl
Original assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2009-11-06
Filing date: 2009-11-06
Publication date: 2017-06-22
Anticipated expiration: 2029-11-07
Also published as: DE102009052263A1

Abstract

Flächiges Bauteil (20), wenigstens teilweise hergestellt aus einem Faserverbundmaterial mit einer Matrix und Fasern, die in Form wenigstens eines aus textilen Liniengebilden (12, 14) hergestellten textilen Flächengebildes (10) in der Matrix eingebettet sind, wobei ein Teil der Liniengebilde (14) im Vergleich zu den restlichen Liniengebilden (12) ein erhöhtes mechanisches Dämpfungsvermögen besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass die Liniengebilde (14) mit dem erhöhten mechanischen Dämpfungsvermögen nur in bestimmten Bauteilflächenbereichen (22) vorgesehen sind oder in diesen Bauteilflächenbereichen (22) einen wesentlich höheren Anteil besitzen als in anderen Bauteilflächenbereichen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Faserverbundmaterial mit einer Matrix und Fasern, die in Form wenigstens eines aus textiler) Liniengebilden hergestellten textilen Flächengebildes in der Matrix eingebettet sind. Ferner betrifft die Erfindung aus einem derartigen Faserverbundmaterial hergestellte Bauteile und deren Verwendung, sowie ein Verfahren zur Herstellung des textilen Flächengebildes.
Der Begriff „textiles Liniengebilde” bezeichnet hier ganz allgemein eine langgestreckte (insbesondere quasi-endlose), aus einer oder mehreren Fasern gebildete Struktur. Darunter fällt insbesondere jede Art von Garn bzw. Faden sowie ein so genanntes „Roving”, also ein Bündel von quasi-endlosen, unverdrehten Fasern.
Der Begriff ”textiles Flächengebilde” bezeichnet hier ganz allgemein eine aus solchen Liniengebilden hergestellte, flächig ausgedehnte Struktur. Insbesondere fällt darunterjede Art von Gewebe, Geflecht oder Gelege.
Zur Herstellung eines faserverstärkten Bauteils (Faserverbundbauteil) ist es bekannt, ein derart hergestelltes textiles Flächengebilde als Fasermaterialhalbzeug vorzufertigen und dieses Halbzeug durch Infiltration mit zunächst flüssigem oder zähflüssigem Matrixmaterial (z. B. Kunstharz) und anschließendem Aushärten (z. B. thermisch) zum Faserverbundbauteil weiterzuverarbeiten.
Faserverbundmaterialien werden in vielen Bereichen der Industrie als Konstruktionswerkstoff verwendet. Die Vorteile liegen unter anderem in der hohen spezifischen (gewichtsbezogenen) Steifigkeit und Festigkeit und dem hohen Energieabsorptionsvermögen. Durch gegenseitige Wechselwirkungen zwischen der Matrix und den darin eingebetteten Fasern erhält ein Faserverbundmaterial höherwertigere Eigenschaften als jede der beiden einzeln beteiligten Komponenten.
In vielen Anwendungsfällen besteht ein Bedürfnis für ein Faserverbundmaterial bzw. ein daraus hergestelltes Bauteil, welches besonders gute mechanische Dämpfungseigenschaften besitzt, etwa zur Verminderung von Vibrationen und/oder abgestrahltem Schall während des Einsatzes in entsprechend vibrations- bzw. schallbehafteten Installationsumgebungen (z. B. in Luftfahrzeugen).
Eine derzeit übliche Verfahrensweise zur Erhöhung der Dämpfung von Faserverbundmaterialien ist das nachträgliche Aufbringen von dämpfenden Belägen. Dies bedeutet jedoch einen zusätzlichen Arbeitsschritt in der Fertigung. Häufig sind außerdem weitere Zwischenschritte erforderlich, wie z. B. das Zuschneiden von Dämpfungsbelägen auf Maß, da diese häufig aufgrund von anderen Einbauten oder Aussparungen nicht einfach vollflächig an einem flächig ausgedehnten Faserverbundmaterial verlegt werden können. Bei d1er Herstellung von flächigen Bauteilen, z. B. Paneelen, stellt die oftmals erhebliche Picke eines benötigten Dämpfungsbelages einen in der Praxis oftmals gravierenden Nachteil dar, weil damit der benötigte Bauraum entsprechend vergrößert wird und zusätzliches Gewicht anfällt.
In dem Fachartikel ”Dipa Ray et al: Modification of the dynamic damping behaviour of jute/vinylester composites with latex interlayer, in: Composits, Part B 38 (2007), Seiten 380–385” wird über Versuche einer Erhöhung der inneren Dämpfung eines Jute/Vinylester-Faserverbundmaterials durch Einbringung von Zwischenschichten aus mit Latex beschichteten Jutelagen in das Grundmaterial (Jute/Vinylester-Verbund) berichtet. Nachteilig sind hierbei jedoch neben dem fertigungstechnischen Aufwand zur Herstellung und Einbringung der zusätzlichen Dämpfungsschichten zum einen die nicht durchgängige Verbesserung der Dämpfungseigenschaften (im ganzen Volumen) und zum anderen die Gefahr einer Delamination der Lagenstruktur an den in der Matrix geschaffenen Grenzflächen.
Die Druckschrift AT 47 560 E beschreibt ein Verstärkungselement, das dazu bestimmt ist, in ein Harz eingebettet zu werden, in Form eines Vlieses aus Verstärkungsfasern, die in mindestens eine Richtung ausgerichtet sind.
Aus der Druckschrift DE 697 32 664 T2 ist eine triaxial geflochtene Hülle bekannt, welche erste Schrägstränge, die in eine erste spiralige Richtung verlaufen, zweite Schrägstränge, die in eine zweite spiralige Richtung verlaufen, die unterschiedlich von der erwähnten ersten spiraligen Richtung ist, sowie axiale Verstärkungsstränge beinhaltet.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Weg zur Verbesserung der mechanischen Dämpfungseigenschaften von Faserverbundmaterialien der eingangs genannten Art und daraus hergestellten Bauteilen aufzuzeigen, wobei insbesondere eine einfache Fertigung von flächig ausgedehnten Bauteilen ermöglicht werden soll, ohne deren Bauraumerfordernisse nachteilig zu erhöhen.
Gemäß eines ersten Aspekts der Erfindung ist ein flächiges Bauteil vorgesehen, wenigstens teilweise hergestellt aus einem Faserverbundmaterial mit einer Matrix und mit Fasern, die in Form wenigstens eines aus textilen Liniengebilden hergestellten textilen Flächengebildes in der Matrix eingebettet sind, wobei ein Teil der Liniengebilde im Vergleich zu den restlichen Liniengebilden ein erhöhtes mechanisches Dämpfungsvermögen besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass die Liniengebilde mit dem erhöhten mechanischen Dämpfungsvermögen nur in bestimmten Bauteilflächenbereichen vorgesehen sind oder in diesen Bauteilflächenbereichen einen wesentlich höheren Anteil besitzen als in anderen Bauteilflächenbereichen.
Die Grundidee der Erfindung ist somit eine Erhöhung der inneren Dämpfung des Faserverbundmaterials durch Einbringung von zusätzlichen, ein erhöhtes mechanisches Dämpfungsvermögen besitzenden textilen Liniengebilden in das textile Flächengebilde (bzw. durch Ersatz eines Teils der herkömmlichen textilen Liniengebilde durch stärker dämpfende textile Liniengebilde in dem textilen Flächengebilde).
Die Erfindung ermöglicht somit in einfacher Weise eine Erhöhung der inneren Dämpfung von an sich schwach gedämpften Faserverbundmaterialien.
Mit dem erfindungsgemäß vorgesehenen Anteil (max. 50%) an Liniengebilden eines erhöhten mechanischen Dämpfungsvermögens lassen sich im Einsatz des Faserverbundmaterials bzw. eines daraus hergestellten Bauteils vorteilhaft Vibrationen und abgestrahlter Schall verringern. Die Fertigung des Faserverbundmaterials erfordert in der Praxis keinen nennenswerten Mehraufwand. Bei der ohnehin erforderlichen Herstellung des textilen Flächengebildes ist lediglich ein Teil der hierfür verwendeten Liniengebilde durch die Liniengebilde eines erhöhten mechanischen Dämpfungsvermögens zu ersetzen. Vorteilhaft kann damit die innere Dämpfung des Materials durchgängig verbessert werden. Außerdem werden keine nachteiligen Grenzflächen innerhalb der Matrix geschaffen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Flächengebilde ein Gewebe, ein Geflecht oder ein Gelege.
Die Liniengebilde eines erhöhten mechanischen Dämpfungsvermögens, nachfolgend der Einfachheit halber auch als ”Dämpfungsfäden” bezeichnet, können direkt mit den übrigen Liniengebilden, nachfolgend der Einfachheit halber auch als „Verstärkungsfäden” bezeichnet, verwoben, verflochten bzw. verlegt werden.
Vibrationen und Körperschall erzeugen in einem derartigen textilen Flächengebilde unter anderem Scherbewegungen, welche durch die eingebrachten Dämpfungsfäden effizient gedämpft werden, etwa durch zusätzliche Reibung zwischen den vorhandenen Fäden und/oder durch Dämpfung im Material der Dämpfungsfäden. Infolgedessen ist mit einer Minderung der Oberflächenschnelle und damit einer Reduzierung des abgestrahlten Schalls zu rechnen.
Die Dämpfungsfäden wie auch die Verstärkungsfäden können z. B. jeweils als Garn bzw. Faden oder als Roving ausgebildet sein. Der Querschnitt jedes Dämpfungsfadens kann grundsätzlich beliebig gewählt werden, ist jedoch vorzugsweise kreisförmig oder rechteckig (z. B. streifenförmiges Roving).
Hinsichtlich der Wahl des Fasermaterials der Verstärkungsfäden und des Matrixmaterials kann vorteilhaft auf an sich bekannte Materialien bzw. Materialkombinationen zurückgegriffen werden.
Als Fasern für die Verstärkungsfäden kommen beispielsweise Glasfasern, Kohlenstofffasern, synthetische Kunststofffasern (z. B. Aramidfasern), Stahlfasern oder Naturfasern in Betracht.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Verstärkungsfäden aus Glasfasern, Kohlenstofffasern oder Aramidfasern gebildet sind.
Als Matrixmaterial sind insbesondere Kunststoffe wie z. B. duroplastische Kunststoffe (Kunstharze) interessant. In einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich um eine Matrix auf Basis von Epoxidharz.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Dämpfungsfäden aus Fasern gebildet sind, die eine erhöhte Dichte und/oder eine erhöhte Elastizität und/oder eine viskose oder viskoelastische Eigenschaft besitzen (jeweils betrachtet im Vergleich zum Material der Fasern der Verstärkungsfäden).
In dieser Hinsicht können die Dämpfungsfäden beispielsweisejeweils elastische Fasern aus einem vernetzten Polymer (z. B. Gummi, Latex etc.), hergestellt z. B. aus natürlichem oder aus synthetischen Kautschuk, umfassen oder ausschließlich aus solchen Fasern bestehen.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Dämpfungsfäden aus synthetischen Fasern gebildet sind, z. B. schmelzgesponnenen Fasern aus einem elastischen Polymer.
Bei einem Polymer zur Herstellung der Dämpfungsfäden kann es sich insbesondere um einen Thermoplasten wie z. B. Polyurethan, Polyamid etc. handeln.
Die Dämpfungsfäden können z. B. als ein Gespinst aus elastischen Fasern oder als ein Mischgespinst mit einem erheblichen Anteil an elastischen Fasern (z. B. mehr als 30%, insbesondere mehr als 50%) hergestellt sein.
Die Dämpfungsfäden können z. B. als verzwirnte Garne ausgebildet sein, da verzwirnte Garne in der Regel elastischer als unverzwirnte Garne sind.
Je nach Materialdichte und Menge der verwendeten Dämpfungsfäden kann sich die Masse eines erfindungsgemäß damit hergestellten Bauteils erhöhen, was jedoch dem angestrebten Vorteil einer Vibrationsdämpfung bzw. einer Schalldämmung zuträglich ist.
Das Bauteil kann als tragendes oder nicht-tragendes Strukturbauteil einer technischen Einrichtung wie insbesondere z. B. eines Fahrzeuges (einschließlich Luftfahrzeuges) vorgesehen sein. Zur weiteren Erhöhung der Dämpfung kann das erfindungsgemäße Bauteil auch mit zusätzlich angebrachten (z. B. angeklebten) Dämpfungsmatten (z. B. aus Gummi, Latex etc.) bedampft werden.
Insbesondere kann mit der Erfindung ein flächiges Bauteil, z. B. ein Paneel hergestellt werden. Damit sind insbesondere Bauteile gemeint, bei denen die Quadratwurzel der Bauteilfläche wenigstens 5 Mal, insbesondere mindestens 10 Mal so groß wie die Bauteildicke (bzw. gegebenenfalls gemittelte Bauteildicke) ist. In vielen Anwendungsfällen, etwa für Schallschutzpaneele in Luftfahrzeugen, kann die Bauteildicke im Bereich von 0,5 bis 3 cm, insbesondere im Bereich von 1 bis 1,5 cm liegen, und die Bauteilfläche z. B. größer als 1 m² sein.
Insbesondere kann ein solches Paneel z. B. im Deckenbereich von Hubschrauberkabinen eingesetzt werden, da sich dort die Hauptlärmquellen (Motor und Getriebe) befinden.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass in wenigstens einem Bauteilbereich Dämpfungsfäden vorhanden sind, wohingegen in wenigstens einem anderen Bauteilbereich keine bzw. ein wesentlich geringerer Anteil an Dämpfungsfäden vorgesehen sind. Dies trägt vorteilhaft dem Umstand Rechnung, dass die Entstehung wie auch die Ausbreitung von Vibrationen bzw. Schall in einer bestimmten Anwendungsumgebung des Bauteils im Allgemeinen nicht homogen bzw. isotrop stattfindet. Für eine effektive Dämpfung bei gleichzeitig möglichst geringer Beeinträchtigung der Bauteilfestigkeit kann gemäß dieser Weiterbildung somit eine lokale Anpassung der Faserverbundeigenschaften an den konkreten Anwendungsfall erfolgen.
So kann z. B. durch gezieltes Einbringen (z. B. Einflechten) von Dämpfungsfäden nur in einem oder mehreren Teilbereichen des Bauteils das dynamische Verhalten der Bauteilstruktur verändert bzw. optimiert werden.
Bei einem flächigen Bauteil können Teilflächen des Bauteils mit den zusätzlichen bzw. die herkömmlichen Verstärkungsfäden ersetzenden Dämpfungsfäden eine örtlich höhere mechanische Impedanz in der Bauteilstruktur bewirken. Die an geeigneter Stelle vorgesehene höhere mechanische Impedanz kann z. B. dazu genutzt werden, eingeleitete Schwingungen bzw. Körperschall zu reflektieren und/oder die Weiterleitung zu kanalisieren oder zu erschweren.
Die Teilfläche bzw. die Teilflächen, welche mit den Dämpfungsfäden versehen sind (oder mit einem wesentlich höheren Anteil an Dämpfungsfäden versehen sind), können Im Inneren einer Bauteilfläche und/oder unmittelbar am Rand der Bauteilfläche vorgesehen sein.
Die Integration von Dämpfungsfäden im Randbereich von flächigen Bauteilen ist insbesondere auch deshalb interessant, weil in vielen Anwendungsfällen (z. B. Innenpaneele von Flugzeugen) solche Bauteile an deren Seitenrändern mit einer tragenden Struktur (z. B. so genannte Stringer und/oder Spanten eines Flugzeugrumpfes) verbunden werden. Wenngleich z. B. im Falle eines Innenpaneels eines Luftfahrzeuges eine derartige Verbindung mit der Hauptstruktur oftmals über so genannte ”Shockmounts”, Klettbänder oder dergleichen erfolgt, so kann ein gemäß der Erfindung im Randbereich mit Dämpfungsfäden ausgestattetes Paneel einen von der Hauptstruktur ausgehenden Eintrag schädlicher bzw. unerwünschter Schwingungen in das Paneel weiter erschweren. Der Effekt kann hier im Wesentlichen auch auf den erhöhten Impedanzsprung zurückzuführen sein. Bei Flugzeugen wird ein Luftschallpfad von der Flugzeugaußenstruktur über einen Luftzwischenraum zu einem Innenpaneel oftmals bereits mit schallabsorbierenden oder schalldämmenden Matten bekämpft wobei jedoch aufgrund der Anbindung der Paneelränder noch Potenzial für eine Körperschallübertragung gegeben ist. Derartige Körperschallpfade können jedoch durch eine erfindungsgemäße Ausbildung dämpfender Bauteilränder effizient behindert werden.
Eine weitere Anwendung der oben beschriebenen Weiterbildung, gemäß derer die Dämpfungsfäden nur in bestimmten Bauteilbereichen vorgesehen sind bzw. in diesen Bereichen einen wesentlich höheren Anteil besitzen (z. B. mindestens doppelt so großer Anteil), ist die Bedämpfung modaler Eigenschwingungen des Bauteils, z. B. einer Platte. Hierfür kann die Integration der Dämpfungsfäden z. B. bevorzugt an den Schwingungsbäuchen bzw. den Schnellemaxima vorgesehen sein. Die Lage solcher Maxima in einem Bauteil bzw. auf einer Bauteilfläche eines Paneels kann z. B. bereits bei der Konstruktion ermittelt oder zumindest abgeschätzt werden (z. B. durch Finite-Elemente-Analysen). Alternativ oder zusätzlich könne solche Maxima oder andere geeignete Stellen in oder auf der Struktur experimentell ermittelt oder abgeschätzt werden (z. B. durch ortsaufgelöste Schwingungsmessungen).
Das erfindungsgemäße Faserverbundmaterial kann die Dämpfungsfäden in einem einzigen textilen Flächengebilde oder verteilt über mehrere solcher textilen Flächengebilde aufweisen. Auch kann das Faserverbundmaterial eine Vielzahl von textilen Flächengebilden enthalten, von denen einige lediglich Verstärkungsfäden enthalten und andere zusätzlich oder ausschließlich Dämpfungsfäden enthalten. Schließlich kann die erfindungsgemäße Gestaltung des Faserverbundmaterials auch mit der eingangs erläuterten Maßnahme aus dem Stand der Technik kombiniert werden, bei welcher das Faserverbundmaterial bzw. ein daraus gebildetes Bauteil mit wenigstens einem nachträglich aufgebrachten Dämpfungsbelag (z. B. aus einem vulkanisierten Polymer wie Gummi, Latex etc.) versehen ist.
Gemäß einer Ausführungsform des Bauteils besitzt dieses wenigstens eine, entlang des textilen Flächengebildes sich flächig erstreckende Dämpfungsschicht, Eine solche Dämpfungsschicht kann z. B. zwischen zwei mit Dämpfungsfäden ausgebildeten textilen Flächengebilden zwischengefügt sein. Insbesondere ist eine Kombination aus wenigstens einer eingelagerten vollflächigen dämpfenden Zwischenschicht, welche herkömmliche Verstärkungsfasern jedoch ein besonders dämpfend gewähltes Matrixmaterial enthält (wie z. B. in dem eingangs erwähnten Fachartikel beschrieben), und der hier erfindungsgemäß vorgeschlagenen Gestaltung wenigstens eines textilen Flächengebildes denkbar. Die sich flächig erstreckende Dämpfungsschicht kann alternativ oder zusätzlich auch eine äußere Schicht (Decklage) des Bauteils bilden.
Gemäß einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass zur Herstellung des Bauteils ein transparentes Matrixmaterial verwendet wird und wenigstens ein Teil der Dämpfungsfäden, insbesondere sämtliche Dämpfungsfäden eine andere Farbe besitzen oder andersfarbig eingefärbt sind als die im selben textilen Flächengebilde verwendeten Verstärkungsfäden. Damit ergibt sich eine besondere visuelle Gestaltung des Faserverbundmaterials bzw. des damit hergestellten Bauteils. Andersfarbige bzw. geeignet eingefärbte Dämpfungsfäden können somit zu Designzwecken oder z. B. auch zur Markierung sicherheitsrelevanter Bereiche von Bauteilen vorgesehen sein.
In einer Weiterbildung des Faserverbundmaterials ist vorgesehen, dass zusätzlich die innere Dämpfung des Materials weiter dadurch erhöht wird, dass ein so genannter Weichmacher in das betreffende Matrixsystem (z. B. Epoxidharzsystem) zugegeben wird. Der Weichmacher wird in das Trägerharz eingebaut. Der dadurch erzeugte Matrixwerkstoff besitzt eine höhere Dehnfähigkeit d. h. die Bruchdehnung wird erhöht. Im Rahmen der Erfindung ergibt sich damit auch eine weitere Verbesserung der mechanischen Dämpfungseigenschaften des Faserverbundmaterials bzw. des damit hergestellten Bauteils. Insbesondere kann ein Mischungsverhältnis zwischen Harz und Weichmacher (Flexibilisator) so gewählt werden, dass es zu einer merkbaren Erhöhung der Dämpfung ohne nennenswerte Einbußen von Festigkeit und z. B. Wärmebeständigkeit kommt.
Das in dem erfindungsgemäßen Bauteil verwendete Faserverbundmaterial kann sowohl für monolithische Bauteile, insbesondere flächige Bauteile, als auch für einzelne Schichten einer aus einer Mehrzahl von Schichten bestehenden Faserverbundstruktur verwendet werden.
So kann z. B. ein erfindungsgemäßes Bauteil in Sandwichbauweise hergestellt werden, wobei wenigstens eine Bauteilschicht aus einem Faserverbundmaterial der oben beschriebenen Art gebildet ist. Bei einer Sandwichbauweise im engeren Sinne, d. h. mit drei Schichten, kann das oben beschriebenen Faserverbundmaterial z. B. wenigstens eine der beiden Deckschichten ausbilden.
Aus dem Stand der Technik sind in Sandwichbauweise hergestellte flächige Bauteile bekannt bei denen eine aus vorgetränktem (Phenolharz) Papier hergestellte mittlere Wabenstruktur beiderseits mit flächigen CFK bzw. GFK Deckschichten zusammengefügt und mit einem auszuhärtenden Matrixmaterial getränkt wird.
Gemäß der Erfindung kann ein derartiges Sandwichbauteil vorgesehen sein, bei welchem wenigstens eine der herkömmlichen Deckschichten durch ein Faserverbundmaterial der oben beschriebenen Art, also Dämpfungsfäden enthaltend, ersetzt ist. Damit kann die vorteilhaft hohe spezifische Festigkeit einer derartigen Wabenstruktur mit einer Erhöhung der Dämpfungseigenschaften (insbesondere hinsichtlich Vibrationen und Schall) kombiniert werden.
Gemäß einer Weiterbildung eines derart modifizierten Sandwichbauteils mit Wabenkern ist vorgesehen, dass der Wabenkern und wenigstens eine der beiden Deckschichten separat voneinander ausgehärtet werden und erst nach erfolgter Aushärtung mittels eines dauerelastischen Klebers verbunden werden. Beispielsweise kommt hierfür ein geeignet formulierter Epoxidharzklebefilm oder ein elastischer Silikonkleber in Betracht.
In praktischen Versuchen hat sich gezeigt dass durch eine derartige elastische Entkoppelung wenigstens einer Deckschicht gegenüber dem Wabenkern die Schalldämmung einer Sandwichplatte erheblich verbessert werden kann. Dies beruht wohl darauf, dass mit dem elastischen Kleber eine elastische Schicht etabliert wird, die einerseits eine mechanische Anbindung der betreffenden Deckschicht bzw. beider Deckschichten an den Wabenkern bewerkstelligt, zusätzlich aber das Gesamtsystem (Sandwichplatte) auf Grund der elastischen Eigenschaft des Klebers stärker als üblich bedämpft bzw. schwingungstechnisch entkoppelt.
Als hierfür geeignete elastische Schicht zwischen dem Wabenkern und wenigstens einer Deckschicht kann z. B. ein Silikonklebstoff der Art verwendet werden, wie dieser unter dem Handelsnamen ”Naftoseal MC-780” kommerziell erhältlich ist. Im Stand der Technik wird dieser Klebstoff in der Regel zum Abdichten verwendet. Der Kleber sollte elastisch bleiben, um Wabe und Deckschicht zu entkoppeln. Dies wird typischerweise durch vernetzte, hochdehnfähige (ε >> 10%) Klebstoffe auf Elastomer-Basis erzielt.
Zur Herstellung eines derartigen Sandwichbauteils kann z. B. wie folgt vorgegangen werden: Zunächst wird auf einem ebenen Feld eine Kleberschicht ausgebildet, z. B. indem der Kleber, z. B. mit einer Spachtel, auf dem Feld verstrichen wird. Sodann wird der (bevorzugt bereits ausgehärtete oder zumindest teilausgehärtete) Wabenkern mit einer seiner Flachseiten in das Kleberfeld gedrückt, so dass die Wabenstruktur an den entsprechenden Kontaktlinien mit dem Kleber benetzt wird. Gegebenenfalls wird mit der zweiten Flachseite des Wabenkerns genauso verfahren (falls diese nicht in andere Weise, z. B. mittels ”Co-Bonding”, anzubinden ist oder bereits angebunden ist). Die (bevorzugt wieder bereits zumindest teilausgehärtete) Decklage aus Faserverbundmaterial kann dann mit relativ geringem Druck auf die mit Kleber benetzte Flachseite des Wabenkerns gedrückt und z. B. Im Autoklaven durch thermische Behandlung mit dem Wabenkern verbunden werden. Die Menge des an dem Wabenkern aufgebrachten elastischen Klebers kann z. B. durch entsprechende Ausbildung des oben genannten Kleberfeldes eingestellt werden (z. B. durch entsprechende Wahl der Form und Höhe einer zum Verstreichen verwendeten Zahnspachtel).
Bei der Herstellung eines für die Erfindung benötigten textilen Flächengebildes enthaltend Dämpfungsfäden, welche bevorzugt eine erhöhte Elastizität und/oder eine viskose oder viskoelastische Eigenschaft besitzen, können beim Einbringen (z. B. Einflechten) der Dämpfungsfäden praktische Schwierigkeiten entstehen, die insbesondere durch eine höhere Reibung und die eventuelle Elastizität bedingt sind.
Um derartige Schwierigkeiten zu vermeiden, kann ein Verfahren zur Herstellung eines textilen Flächengebildes für die Herstellung eines Faserverbundmaterials der oben beschriebenen Art verwendet werden.
Das nicht erfindungsgemäße Herstellungsverfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Arten von textilen Liniengebilden, die sich in ihrem mechanischen Dämpfungsvermögen voneinander unterscheiden, zu dem textilen Flächengebilde verwoben oder verflochten werden, wobei die das erhöhte Dämpfungsvermögen besitzenden Liniengebilde vor dem Verweben bzw. Verflechten einer reibungsmindernden Vorbehandlung unterzogen werden. Alternativ oder zusätzlich zu der reibungsmindernden Vorbehandlung kann auch vorgesehen sein, dass beim Webvorgang bzw. Flechtvorgang jedes das erhöhte Dämpfungsvermögen besitzende Liniengebilde, also jeder „Dämpfungsfaden”, nicht als solcher sondern stets mit einem parallel (unmittelbar daneben verlaufenden) „Verstärkungsfaden” dem betreffenden Vorgang zugeführt wird.
Mit dem nicht erfindungsgemäßen Verfahren kann z. B. im Augenblick eines Einflechtens oder Einwebens der Dämpfungsfäden sichergestellt werden, dass der Flecht- bzw. Webvorgang unproblematisch verläuft.
Ais reibungsmindernde Vorbehandlung kann z. B. eine Vorbehandlung durch eine hierfür geeignete Flüssigkeit oder ein Pulver vorgesehen sein. Beispielsweise können der oder die bei der Herstellung des textilen Flächengebildes verwendeten Dämpfungsfäden bei ihrem Zulauf in eine betreffende Flecht- bzw. Webstation durch ein entsprechendes Flüssigkeitsbad bzw. Pulverbad (z. B. Talkumpulver, Graphit, Wachs) hindurchgeführt werden.
Die derart hergestellten Bauteile können vielseitig verwendet werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Verwendung als Innenraumpaneel eines Fahrzeuges, insbesondere Luftfahrzeuges (z. B. Flugzeug oder Hubschrauber) vorgesehen. Alternativ kommt auch eine Verwendung als so genanntes Hautfeld in Betracht.
Vorteilhaft ergibt sich im Vergleich zum Stand der Technik für vorgegebene Dämpfungseigenschaften eine geringere Bauhöhe derartiger Paneele, wobei oftmals auf einen zusätzlichen Dämpfungsbelag verzichtet werden kann. Wie oben bereits erwähnt, spart die gemäß der Erfindung vorgesehene integrative Lösung mit eingearbeiteten (z. B. eingeflochtenen oder eingewobenen) Dämpfungsfäden die arbeitsintensiven Fertigungsschritte eines Zuschneidens und Aufklebens dämpfender Zusatzbeläge.
Die geringere Bauhöhe von vibrations- und/oder schalldämmenden Paneelen kann z. B. für die Anwendung von Deckenpaneelen in Hubschrauberkabinen vorteilhaft ausgenutzt werden. In diesem Anwendungsfall ist die Höhe eines für das Paneel zur Verfügung stehenden Bauraumes oftmals auf 2 cm oder weniger als 1,5 cm beschränkt.
Die Verwendung erfindungsgemäß hergestellter Paneele als Kabinenverkleidung, insbesondere Kabinendeckenpaneel, schafft bei vorgegebener Paneeldicke eine Verbesserung der Schalldämmung.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben. Es stellen dar:
1 eine Draufsicht auf ein Fasermaterialhalbzeug mit eingeflochtenen Dämpfungsfäden,
2 eine schematische Draufsicht eines flächigen Faserverbundbauteils gemäß eines Ausführungsbeispiels,
3 eine schematische Draufsicht eines flächigen Faserverbundbauteils gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels,
4 eine schematische Draufsicht (teilweise aufgeschnitten) eines flächigen Faserverbundbauteils gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels (Sandwichbauteil), und
5 eine Schnittansicht längs der Linie V-V in 4.
1 zeigt einen Ausschnitt eines textilen Flächengebildes 10, beispielsweise eines Geflechtes, welches aus zwei verschiedenen Arten von textilen Liniengebilden 12 und 14 hergestellt ist und als Fasermaterialhalbzeug zur Herstellung eines Faserverbundmaterials oder Faserverbundbauteils vorgesehen ist.
Zur Herstellung des Faserverbundmaterials bzw. Faserverbundbauteils wird das in 1 dargestellte Geflecht 10 in an sich bekannter Weise, einzeln oder mit weiteren textilen Flächengebilden dieser oder einer anderen Art gestapelt oder „drapiert”, mit einem flüssigen oder zähflüssigen Matrixmaterial (z. B. Epoxidharzsystem) infiltriert gegebenenfalls kompaktiert und/oder geformt, und schließlich ausgehärtet (z. B. thermisch). Hierfür kann auf alle Arten von an sich aus der Faserverbundtechnologie bekannten Herstellungstechnologien zurückgegriffen werden. Beispiele hierfür sind Spritzpressen (RTM, ”resin transfer moulding”), Vakuum-Infusion (z. B. VAP, VARI etc.) und deren Weiterentwicklungen (z. B. SLI, LRI, DP-RTM) etc.
Die textilen Liniengebilde 12 und 14 können jeweils z. B. als Faden oder Roving ausgebildet sein, wobei das Material der textilen Liniengebilde 14 im Vergleich zum Material der Liniengebilde 12 ein erhöhtes mechanisches Dämpfungsvermögen besitzt.
Die textilen Liniengebilde 14 mit dem erhöhten mechanischen Dämpfungsvermögen werden hier daher auch kurz als ”Dämpfungsfäden” bezeichnet wohingegen die textilen Liniengebilde 12 hier auch kurz als „Verstärkungsfäden” bezeichnet werden.
Die Verstärkungsfäden 12 sind im dargestellten Ausführungsbeispiel als streifenförmige Rovings von jeweils einigen 1000 quasi-endlosen Kohlenstofffasern gebildet. Dieses Roving besitzt einen etwa rechteckigen Querschnitt. Alternativ könnten die Verstärkungsfäden 12 auch z. B. als Garn bzw. Faden (im engeren Sinne) ausgebildet sein und aus anderen Fasern wie z. B. Glasfasern, Aramidfasern etc. bestehen.
Die Dämpfungsfäden 14 sind im dargestellten Ausführungsbeispiel jeweils ebenfalls als Roving eines etwa rechteckigen Querschnittes ausgebildet, bestehen jedoch aus Fasern mit erhöhtem Dämpfungsvermögen, hier z. B. aus einer Vielzahl (z. B. einigen 100) Fasern eines vulkanisierten Polymeres (z. B. Gummi oder dergleichen).
Das mit einer oder mehreren Lagen des Flächengebildes 10 hergestellte Faserverbundmaterial besitzt eine erhöhte innere Dämpfung, so dass für viele Anwendungsfälle vorteilhaft die Vibration und abgestrahlter Schall beträchtlich vermindert sind.
Ganz allgemein eignen sich zur Bildung der Dämpfungsfäden 14 insbesondere synthetische Fasern, die eine erhöhte Dichte und/oder eine erhöhte Elastizität und/oder eine viskose oder viskoelastische Eigenschaft besitzen.
Bei dem in 1 dargestellten Beispiel verläuft jedem Dämpfungsfaden 14 unmittelbar benachbart ein Verstärkungsfäden 12 durch das Geflecht 10.
Bei der nachfolgenden Beschreibung von weiteren Ausführungsbeispielen werden für gleichwirkende Komponenten die gleichen Bezugszahlen verwendet, jeweils ergänzt durch einen kleinen Buchstaben zur Unterscheidung der Ausführungsform. Dabei wird im Wesentlichen nur auf die Unterschiede zu dem bzw. den bereits beschriebenen Ausführungsbeispielen eingegangen und im Übrigen hiermit ausdrücklich auf die Beschreibung vorangegangenen Ausführungsbeispiele verwiesen.
2 zeigt ein flächiges Bauteil 20a, beispielsweise zur Verwendung als ein Schallschutzpaneel, welches im dargestellten Ausführungsbeispiel insgesamt als Faserverbundbauteil mit einer Matrix und darin eingebetteten Fasern ausgebildet ist, wobei dieses Faserverbundmaterial jedoch überwiegend herkömmlich (mit Verstärkungsfäden) und nur in Teilbereichen 22a in der besonderen, beispielhaft bereits mit Bezug auf 1 beschriebenen Weise ausgebildet ist.
In diesen Teilbereichen 22a enthält das Bauteil 20a jeweils wenigstens ein textiles Flächengebilde 10a (bevorzugt einen mehrlagigen Stapel solcher Flächengebilde), bei welchem ein Teil der verwendeten textilen Liniengebilde im Vergleich zu den restlichen textilen Liniengebilden ein erhöhtes mechanisches Dämpfungsvermögen besitzt. Dementsprechend kann jedes textile Flächengebilde 10a z. B. aus dem mit Bezug auf 1 jeweils beschriebenen Flächengebilde 10 gebildet sein.
Die Teilbereiche 22a sind im dargestellten Beispiel auf einem zweidimensionalen Gitter über die Fläche des Bauteils 20a verteilt angeordnet, und zwar derart, dass die Teilbereiche 22a sich jeweils an denjenigen Stellen befinden, die beim Einsatz des Bauteils 20a in einer vibrationsbehafteten Instillationsumgebung Schwingungsbäuche ausbilden.
Mit der in 2 veranschaulichten, lediglich teilweisen Verwendung von dämpfenden Fasermaterialbereichen können somit Vibrationen mit geringer Beeinträchtigung der Festigkeit bzw. Steifigkeit des Bauteils 20a reduziert werden.
Bei dem in 2 dargestellten Bauteil 20a sind die dämpfend ausgebildeten Teilbereiche 22a im Inneren der Bauteilfläche verteilt angeordnet. Alternativ oder zusätzlich können diese Teilbereiche auch am Rand eines betreffenden Bauteils vorgesehen sein. Ein Beispiel hierfür, ist in 3 dargestellt.
3 zeigt ein flächiges Bauteil 20b mit einem am Rand umlaufenden Teilbereich 22b enthaltend das dämpfende textile Flächengebilde 10b.
Eine derartige Vibrationsdämpfung am Rand des Bauteils 20b ist insbesondere für diejenigen Anwendungsfälle besonders vorteilhaft, bei denen das Bauteil 20b an seinem Rand mit einer tragenden Struktur, beispielsweise eines Fahrzeuges (einschließlich Luftfahrzeuges) verbunden wird. Eine Vibrations- bzw. Körperschallübertragung von der tragenden Struktur auf das Bauteil 20b wird damit effizient reduziert.
Abweichend von den Beispielen gemäß der 2 und 3 können die dämpfenden Teilbereiche selbstverständlich auch sowohl innerhalb der Bauteilfläche als auch an einer oder mehreren Stellen des Bauteilrandes vorgesehen sein. In dieser Hinsicht ist zu bedenken, dass es auch Anwendungsfälle gibt in denen eine Anbindung des flächigen Bauteils alternativ oder zusätzlich Befestigungsstellen involvieren kann, die sich innerhalb der Bauteilfläche befinden.
4 zeigt ein flächiges Bauteil 20c, hergestellt in Sandwichbauweise aus drei Schichten, nämlich einem Wabenkern 30c und beiderseits damit verklebten Deckschichten 32c und 34c.
Wenigstens eine der Deckschichten 32c, 34c ist als ein Faserverbundmaterial enthaltend Dämpfungsfäden ausgebildet, also z. B. von der Art wie bereits mit Bezug auf die 1 beschrieben.
Die Schnittansicht von 5 veranschaulicht die Anbindung der oberen und unteren Deckschichten 32c und 34c über jeweils eine Kleberschicht 36c bzw. 38c an den Wabenkern 30c.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Schichten 30c, 32c und 34c jeweils aus einem Fasermaterial gefertigt und vor ihrer Verklebung jeweils mit einem Kunstharz infiltriert und wenigstens teilweise ausgehärtet. Als Fasermaterial ist z. B. Karton geeignet, wobei jedoch wenigstens eine der Deckschichten 32c, 34c, bevorzugt beide, als ein Faserverbundmaterial enthaltend Dämpfungsfäden ausgebildet sind, also z. B. von der Art wie bereits mit Bezug auf die 1 beschrieben.
Die Kleberschichten 36c und 38c sind jeweils von einem elastischen Silikonkleber gebildet.

Claims

Flächiges Bauteil (20), wenigstens teilweise hergestellt aus einem Faserverbundmaterial mit einer Matrix und Fasern, die in Form wenigstens eines aus textilen Liniengebilden (12, 14) hergestellten textilen Flächengebildes (10) in der Matrix eingebettet sind, wobei ein Teil der Liniengebilde (14) im Vergleich zu den restlichen Liniengebilden (12) ein erhöhtes mechanisches Dämpfungsvermögen besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass die Liniengebilde (14) mit dem erhöhten mechanischen Dämpfungsvermögen nur in bestimmten Bauteilflächenbereichen (22) vorgesehen sind oder in diesen Bauteilflächenbereichen (22) einen wesentlich höheren Anteil besitzen als in anderen Bauteilflächenbereichen.
Bauteil (20) nach Anspruch 1, wobei das Flächengebilde (10) ein Gewebe, ein Geflecht oder ein Gelege ist.
Bauteil (20) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Liniengebilde (12, 14) jeweils als Faden oder als Roving ausgebildet sind.
Bauteil (20) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die restlichen Liniengebilde (12) aus Glasfasern, Kohlenstofffasern oder Aramidfasern gebildet sind.
Bauteil (20) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die das erhöhte Dämpfungsvermögen besitzenden Liniengebilde (14) aus Fasern gebildet sind, die eine erhöhte Dichte und/oder eine erhöhte Elastizität und/oder eine viskose oder viskoelastische Eigenschaft besitzen.
Bauteil (20) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die das erhöhte Dämpfungsvermögen besitzenden Liniengebilde (14) aus synthetischen Fasern gebildet sind.
Bauteil (20) nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit wenigstens einer, entlang des textilen Flächengebildes (10) sich flächig erstreckenden Dämpfungsschicht.
Bauteil (20) nach einem der vorangehenden Ansprüche, hergestellt in Sandwichbauweise.
Verwendung eines Bauteils (20) nach einem der vorangehenden Ansprüche als Innenraumpaneel eines Fahrzeuges, insbesondere Luftfahrzeuges.