DE102010035324A1

DE102010035324A1 - Strukturelement aus einem Hybridlaminat

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Publication number: DE102010035324A1
Application number: DE102010035324A
Authority: DE
Inventors: Dr.-Ing. Kolesnikov Boris; Dr.-Ing. Fink Axel; Dr.-Ing. Hühne Christian; Dipl.-Ing. Stefaniak Daniel; Dipl.-Ing. Borgwardt Henrik
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2010-08-24
Filing date: 2010-08-24
Publication date: 2012-03-01

Abstract

Ein Strukturelement aus einem Hybridlaminat besitzt alternierend angeordnete Schichten (30, 40), nämlich Schichten (30) aus Faserverbundwerkstoffen und Schichten (40) aus metallischen Werkstoffen. Jede Schicht (30) aus Faserverbundwerkstoff weist unidirektional ausgerichtete Fasern (32) auf. Die unidirektional ausgerichteten Fasern (32) aller Schichten (30) aus Faserverbundwerkstoffen sind in der gleichen Richtung ausgerichtet. Jede Schicht (30) aus Faserverbundwerkstoffen weist eine Schichtdicke von zumindest 75 μm auf. Die Schichtdicke jeder Schicht (40) aus dem metallischen Werkstoff ist geringer als 75 μm.

Description

Die Erfindung betrifft ein Strukturelement aus einem Hybridlaminat, mit alternierend angeordneten Schichten, nämlich Schichten aus Faserverbundwerkstoffen und Schichten aus metallischen Werkstoffen, wobei jede Schicht aus Faserverbundwerkstoffen unidirektional ausgerichtete Fasern aufweist.
Faserverbundwerkstoffe werden zunehmend eingesetzt, unter anderem auch für Strukturelemente im Flugzeugbau, aber auch in anderen Gebieten der Luft- und Raumfahrttechnik oder auch in der Fahrzeugtechnik generell, also im Kraftfahrzeugbau und im Schienenfahrzeugbau. Dabei werden insbesondere Faserverbundwerkstoffe in Form von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) eingesetzt. Derartige kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe sind anisotrope Werkstoffe. Strukturelemente aus Faserverbundwerkstoffen sind insbesondere leicht und werden daher eingesetzt, wenn es auf ein geringes Gewicht der Strukturelemente ankommt. Dabei besitzen Strukturelemente aus Faserverbundwerkstoffen auch sehr gute Eigenschaften hinsichtlich von Steifigkeit und Festigkeit. Die Strukturelemente werden in Form eines Laminataufbaus gestaltet, der aus einer Reihe von Schichten besteht, die miteinander verbunden sind.
An sich würden unidirektional aufgebaute kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe besonders gute Möglichkeiten bieten, denn sie weisen hervorragende spezifische Eigenschaften für Zug- und Druckbeanspruchung auf. Sie sind daher im Prinzip sehr attraktiv gerade für einen Einsatz im Leichtbau, etwas im Flugzeugbau.
Um die maximalen Festigkeiten und Steifigkeiten dieser unidirektionalen kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffe ausnutzen zu können, muss jedoch eine vollständig unidirektionale Orientierung aller Faserbündel des Laminataufbaus in Belastungsrichtung vorliegen. Es wird also ein rein unidirektionales Laminat für diese Zwecke benötigt.
Ein Einsatz derartiger Werkstoffe wird beispielsweise in der DE 43 29 744 C1 oder der DE 195 29 706 C2 beschrieben und vorgeschlagen. Der Einsatz dieser Werkstoffe wäre besonders attraktiv für einachsig belastete Bauelemente, wie etwa Stringer, Longerons oder Streben. Die einachsige Belastung dieser Bauelemente erlaubt dann theoretisch die maximale Ausschöpfung des Tragvermögens und des Leichtbaupotentials von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen.
In der Praxis führt dieser an sich so gewünschte Einsatz von rein unidirektionalem Faserverbundwerkstoff jedoch zu Problemen. Dieser Werkstoff besitzt nämlich Nachteile hinsichtlich der Schadenstoleranz.
Der Grund hierfür ist die starke Empfindlichkeit von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen gegenüber einer sogenannten Impact-Belastung. Bei einer Impact-Belastung wird ein relativ großer Schaden in dem Werkstoff aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff generiert, welcher dann die Kennwerte der Restfestigkeit entscheidend herabsetzt, und zwar zum einen hinsichtlich der Zugbelastung, mehr noch und ganz entscheidend aber auch hinsichtlich der Druckbelastung.
Dabei ist der am meisten gefährdete Laminataufbau hinsichtlich einer solchen Impact-Belastung ausgerechnet derjenige mit vollständiger unidirektionaler Orientierung. Da gerade auch im Flugzeugbau erhebliche Anforderungen an eine Schadenstoleranz gestellt werden, werden in der Praxis doch keine reinen unidirektionalen (UD-)Laminate eingesetzt. Real werden Strukturelemente verwendet, die kohlenstofffaserverstärkte Werkstoffe mit Fasern in verschiedenen Orientierungen enthalten, nämlich Laminate mit typischerweise in vier unterschiedlichen Richtungen orientierten Fasern, die Orientierungen von 0°, +/–45°, und 90° besitzen. Die maximale Dicke eines jeden Lagenpakets gleicher Orientierung in einer bestimmten Richtung wird dabei begrenzt.
Dadurch können die maximalen strukturmechanischen Potentiale des Werkstoffes jedoch nicht ausgenutzt werden. Die Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften in der 0°-Faserrichtung werden durch das Vorhandensein von entsprechend weichen +/–45°- und 90° Schichten reduziert. Infolgedessen wird die Effektivität von zug- und druckbeanspruchten und in der 0° Faserrichtung orientierten Strukturelementen in der Praxis deutlich verringert.
Die Empfindlichkeit gegenüber Impact-Belastung wird jedoch deutlich verbessert.
Zur weiteren Verbesserung der Impact-Resistenz von Laminaten mit kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen werden Mischlaminate eingesetzt, insbesondere mit einer geschichteten Mischung aus kohlenstofffaserverstärkten Faserverbundwerkstoffen mit metallischen Werkstoffen. So wird zur Verbesserung der Kopplungseigenschaften von derartigen Strukturelementen mit anderen Elementen in der EP 1 082 217 B1 , der US 7,115,323 B2 und der EP 1 801 427 A1 vorgeschlagen, lokale Einbettungen von Metallschichten in bestimmten Bereichen vorzusehen, durch die Bolzenverbindungen für eine Verbindung mit anderen Bauteilen vorgesehen werden.
Ein weiterer, aus der EP 0 783 960 B1 oder der DE 697 34 616 T2 bekannter Vorschlag möchte die thermomechanischen Eigenschaften von Werkstoffen aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff verbessern. Er schlägt einen geschichteten Hybridwerkstoff vor, der aus wabenartig aufgebauten Kernen mit je einer Schicht aus einer Titanlegierung und einer Schicht aus einem Faserverbundwerkstoff auf jeder Seite abgedeckt wird.
Bei diesem geschichteten Hybridlaminat tragen die beiden Metallschichten, die Wabenschicht und die beiden Schichten aus Faserverbundwerkstoff jeweils einen gleichwertigen Anteil der Belastung. Die Schicht aus der Titanlegierung ist zwischen 80 μm und 250 μm dick, die Schichten aus den kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff besitzen Fasern, die in den meisten erörterten Ausführungsbeispielen in unterschiedlichen Richtungen orientiert sind. In einer Ausführungsform wird zwischen dicken Metallschichten eine parallel ausgerichtete Faserstruktur vorgeschlagen.
Die Titanschichten sollen in der Ebene die auftretenden Transversalspannungen senkrecht zu etwaigen Faserrichtungen und die Schublasten übernehmen.
Außen sind Schichten aus Titanlegierungen vorgesehen.
Problematisch bei der Herstellung von diesem oder auch anderen Hybridlaminaten ist auch eine recht komplizierte Herstellung, wie sie etwa in der EP 1 103 370 B1 beschrieben wird.
Wünschenswert wäre es, Strukturelemente zu haben, die die Vorteile von Hybridlaminaten mit den Vorteilen von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen verknüpfen können, und dabei andere Möglichkeiten bieten.
Diese Aufgabe wird mit der Erfindung bei einem gattungsgemäßen Strukturelement dadurch gelöst, dass die Fasern aller Schichten aus Faserverbundwerkstoffen in der gleichen Richtung ausgerichtet sind, dass jede Schicht aus Faserverbundwerkstoffen eine Schichtdicke von zumindest 75 μm aufweist, und dass die Schichtdicke jeder Schicht aus dem metallischen Werkstoff geringer ist als 75 μm.
Mit der Erfindung wird ein Strukturelement vorgeschlagen, das insbesondere für einachsig belastete Bauteile im Flugzeugbau ein erhebliches Potential besitzt.
Es verwendet nämlich ganz überwiegend die eingangs erwähnten kohlenstofffaserverstärkten Faserverbundwerkstoffe mit unidirektional ausgerichteten Fasern, wobei die Fasern in sämtlichen Schichten in die gleiche Richtung ausgerichtet sind.
Die erwähnte bisher in der Praxis erforderliche Schwächung der Festigkeitseigenschaften gegenüber Zug- und Druckbeanspruchungen durch Fasern anderer Richtungen entfällt damit. Es kann wiederum die optimale Zug- und Druckbeanspruchung berücksichtigt werden.
Zwischen diesen Schichten mit ihren unidirektional ausgerichteten Fasern befinden sich nun außerordentlich dünne Schichten aus einem metallischen Werkstoff, und zwar bevorzugt wesentlich dünner als etwa in den Konzepten nach der EP 0 783 960 B1 und der DE 697 34 616 T2 .
Diese dünnen Schichten müssen nämlich erfindungsgemäß fast keine Lasten übernehmen, sondern haben ausschließlich die Aufgabe, die Rissfortpflanzung im Falle einer Impact-Beanspruchung zu vermeiden.
Besonders bevorzugt ist es, wenn der Volumenanteil der Schichten aus dem metallischen Werkstoff an dem gesamten Hybridlaminat weniger als 10%, insbesondere weniger als 7%, beträgt.
Insbesondere ist es dabei von Vorteil, wenn die Schichtdicke jeder Schicht aus dem metallischen Werkstoff geringer ist als 25 μm, insbesondere geringer ist als 15 μm.
Bei Modellrechnungen hat sich gezeigt, dass Metallfolien mit Schichtdicken von 10 μm ausgezeichnete Werte liefern und sowohl als Rissstopper als auch hinsichtlich der weiteren gewünschten Eigenschaften gute Ergebnisse zeigen.
Da die Anzahl der Schichten aus dem metallischen Werkstoff relativ groß gehalten werden kann, weil jede einzelne dieser Schichten sehr dünn ist, wird auf diese Weise eine optimale Eigenschaft als Rissstopper realisierbar.
Etwa mögliche Schäden oder Risse im Falle eines Impacts können sich nur durch eine einzelne unidirektionale Schicht aus einem Faserverbundwerkstoff verbreiten, weil diese Schicht auf beiden Seiten durch je eine dünne Metallschicht als Rissstopper abgegrenzt wird.
Je größer die Anzahl der sehr dünnen Metallschichten oder Rissstopper ist, desto größer ist auch die Energiedissipation bei Impact und Crash durch Umformung und Delamination und desto deutlicher zeichnet sich ein entsprechendes Fail-Safe-Prinzip ab.
Durch die physische Trennung jeder einzelnen Schicht aus unidirektional orientiertem Faserverbundwerkstoff müssen die Risse in jeder derartigen Schicht einzeln und erneut im Schadensfall initiiert werden, was einen erhöhten Energiebedarf erfordert und somit die Rissausbreitung hemmt.
Dadurch, dass die metallischen Schichten sehr dünn sind, kommen andererseits die gewünschten Eigenschaften der unidirektionalen Fasern umso stärker zur Geltung.
Besonders bevorzugt ist es, wenn außerhalb von zumindest einer der beiden äußeren Schichten aus Faserverbundwerkstoff eine Schicht mit einem Maschendraht aus Kupfer angeordnet ist.
Auf diese Weise entsteht eine Möglichkeit für einen integralen Blitzschutz. Der Maschendraht kann in die äußerste Schicht aus dem Faserverbundwerkstoff integriert oder auf diese aufgelegt werden und mit dieser gemeinsam polymerisiert werden. Die elektrische Leitfähigkeit von Kupfer ist um den Faktor 20 oder mehr höher als die von üblichen Titanlegierungen. Da nur eine einzige Schicht mit dem Kupfermaschendraht vorgesehen wird, entsteht nur eine minimale Beeinträchtigung des Leichtbaupotentials, gleichwohl aber ein sehr effektiver Blitzschutz, der dem Blitzschutz in herkömmlichen Hybridlaminaten unter Titanverwendung weit überlegen ist.
Weiter ist in einer vorteilhaften Ausführungsform vorgesehen, dass das Strukturelement lokale Ankopplungsbereiche für andere Strukturelemente der gleichen oder anderer Art aufweist, dass in diesen lokalen Ankopplungsbereichen eine oder mehrere Niet- oder Bolzenverbindungen zur Verbindung mit dem oder den anderen Strukturelementen vorgesehen ist, dass in dem lokalen Ankopplungsbereich eine Aufdickung vorgesehen ist, dass die Aufdickung mindestens eine zusätzliche lokale Schicht aus einem metallischen Werkstoff aufweist und dass diese Schicht aus metallischem Werkstoff außerhalb einer der beiden äußeren Schichten aus Faserverbundwerkstoff des Strukturelements angeordnet ist.
Auf diese Weise wird es möglich, in besonders praktischer Form auch die Vorteile einer Bolzenverbindung mit anderen Bauelementen vorzusehen, und dabei die erfindungsgemäßen Strukturen besonders gut zur Geltung kommen zu lassen.
Dies wird insbesondere dadurch gefördert, dass die Aufdickung eine oder mehrere alternierende Schichten aus metallischen Werkstoffen und Faserverbundwerkstoffen aufweist.
Besonders bevorzugt ist es ferner, wenn der Faserverbundwerkstoff ein kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff ist.
Für die Schichten aus metallischem Werkstoff wird in bevorzugter Form eine Titanlegierung eingesetzt. Alternativ oder in Kombination ist auch der Einsatz von Edelstahl, Nickel, Nickellegierungen, Kobalt oder Kobaltlegierungen von Vorteil.
Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass der Querschnitt des Strukturelementes kreisförmig ist und die Schichten umlaufend angeordnet sind.
Gerade bei einer derartigen Anordnung mit umlaufenden Schichten kommen die Vorteile der Erfindung besonders gut zur Geltung. Durch die Kreisform wird die Steifigkeit und Festigkeit zusätzlich unterstützt und durch die Schichten aus metallischen Werkstoffen, die ebenfalls umlaufen, wird rund um eine Rissfortpflanzung sicher vermieden.
Im Folgenden werden anhand der Zeichnung Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine perspektivische Darstellung eines Bauteils mit einem erfindungsgemäßen Strukturelement;
2 eine schematische Darstellung eines Aufbaus eines erfindungsgemäßen Strukturelementes; und
3 eine schematische perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Strukturelementes angekoppelt an ein anderes Bauteil.
In der 1 ist ein Bauteil 10 dargestellt, das beispielsweise ein Flugzeugrumpf oder ein Teil eines Flugzeugrumpfes sein kann. Das Bauteil 10 besitzt eine Längsrichtung 11, die beispielsweise parallel zur Achse des Flugzeugrumpfes oder Bauteiles 10 verlaufen kann. Das Bauteil 10 in Form eines Flugzeugrumpfes ist insbesondere Biegebelastungen ausgesetzt.
Angedeutet ist nun ein erfindungsgemäßes Strukturelement 20. Dieses ist hier in laschenähnlicher Form dargestellt und als Verstärkung des Bauteils 10 vorgesehen. Es ist aber auch eine ganz andere Anordnung möglich. Die Ausführungsform in der 1 veranschaulicht, dass auf das Strukturelement 20 bei einer Biegebelastung des Bauteils 10 für dieses Element zu einer Zug- oder Druckbelastung führt, und zwar zu einer Zug- oder Druckbelastung in Längsrichtung 11, nämlich in Richtung der Achse des Bauteils 10. Dieser Belastung in der Richtung 11 ist das erfindungsgemäße Strukturelement 20 ausgesetzt und hierauf ist auch die folgende Erläuterung bezogen.
Das Strukturelement aus der 1 oder auch ein anderes ist in der 2 vergrößert darstellt. Dabei gibt es neben der wiederum zu erkennenden Richtung 11 eine senkrecht auf dieser Richtung stehende Richtung 12, welche zugleich das Maß für die Dicke des Strukturelements 20 ist und auch die Stärke der noch im Folgenden erörterten Schichten innerhalb des Strukturelements 20 erkennen lässt.
Wendet man sich zunächst dem in der 2 untersten Bereich des Strukturelements 20 zu, so befindet sich hier eine Schicht 30. Die Schicht 30 besteht aus einer Matrix 31, in welche unidirektional ausgerichtete Fasern 32 eingebettet sind. Man sieht, dass die Richtung der unidirektional ausgerichteten Fasern 32 exakt der Richtung 11 entspricht, in der die Zug- und Druckbelastungen des eingebauten Strukturelements 20 auftreten werden.
Die Dicke der Schicht 30 in der Richtung 12 beträgt mehr als 75 μm, beispielsweise 125 μm entsprechend 0,125 mm oder 0,005 inch. In anderen, nicht dargestellten Ausführungsformen sind noch stärkere Schichtdicken vorgesehen.
Die Schicht 30 wird von einer Schicht 40 aus einem metallischen Werkstoff nach oben abgedeckt. Die Schicht 40 besteht insbesondere aus einer Titanlegierung. Diese stellt also eine interlaminare Phase aus Metall in Form einer dünnen Folie dar.
Die Schicht 40 aus dem metallischen Werkstoff ist in der Richtung 12 dünner als 75 μm, bevorzugt auch dünner als 25 μm, und kann beispielsweise in einer Größenordnung von 10 μm liegen.
Auf die Schicht 40 aus dem metallischen Werkstoff folgt dann wiederum eine Schicht 30 aus dem Faserverbundwerkstoff mit einer Matrix 31 und unidirektional ausgerichteten Fasern 32, wobei die Fasern 32 in der gleichen Richtung 11 ausgerichtet sind, wie die Fasern 32 in der untersten Schicht 30.
Es folgt dann wiederum eine Schicht 40 aus dem metallischen Werkstoff.
Insgesamt sind in der Ausführungsform sechs Schichten 30 aus Faserverbundwerkstoff mit unidirektional ausgerichteten Fasern 32 dargestellt, zwischen denen je eine dünne Folie als Schicht 40 aus metallischem Werkstoff angeordnet ist.
Die Schichten 30 sind jeweils untereinander von etwa gleicher Schichtdicke, ebenso sind auch die Schichten 40 von untereinander gleicher Schichtdicke.
Es entsteht also ein geschichteter Aufbau des Strukturelements 20 über die gesamte Dicke in der Richtung 12. Das Strukturelement 20 ist aus unidirektional, metallmodifizierten Faserverbundlaminaten aufgebaut, wobei insgesamt nur eine Orientierung für die Faser 32 in allen Schichten 30 aus dem Faserverbundmaterial auftritt, wobei diese Orientierung mit der Belastungsrichtung 11 übereinstimmt. Ferner ist eine interlaminare Phase aus Metall in Form von dünnen Folien vorgesehen. Der Gesamtwerkstoff weist eine alternierende Schichtung von Faserverbundmaterial und dünner metallischer Folien auf. Dieser metallmodifizierte Unidirektionalverbund des Strukturelements 20 besitzt nur sehr dünne Metallschichten mit Stärken von weniger als 75 μm und insbesondere weniger als 25 μm.
Der metallische Volumenanteil in dem Gesamtlaminat ist geringfügig und beträgt bevorzugt weniger als 10%, insbesondere weniger als 7%. Er kann daher die vorteilhaften Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften des Faserverbundmaterials mit den unidirektional orientierten Fasern nicht beeinträchtigen. Der Beitrag der metallischen Phase auch bei der Lastaufnahme des Laminats ist somit klein. Für die metallische Phase wird fast keine globale lasttragende Funktion vorgesehen. Der Metallvolumenanteil des modifizierten unidirektionalen Laminats des Strukturelements 20 beträgt in dem dargestellten und mit Zahlen umrissenen Fall etwa 6,25%.
Für den Aufbau des Hybridlaminats wird insbesondere vorgesehen, dass die beiden äußeren Schichten des Hybridlaminats jeweils Schichten aus Faserverbundwerkstoffen sind. Dies verbessert in erheblichem Maße die Ankoppelbarkeit des Strukturelements 20 an andere Elemente. Es sorgt außerdem dafür, dass jede Schicht 40 aus einem metallischen Werkstoff zwischen zwei Schichten 30 aus Faserverbundmaterial angeordnet ist.
Grundsätzlich denkbar ist es, mehrere Schichten 30 aus Faserverbundmaterial aufeinander zu legen, wenn dies aus herstellungstechnischen oder anderen Gründen gewünscht ist.
Wenn zwischen je zwei aufeinanderfolgende Schichten 30 aus Faserverbundmaterial je eine dünne Schicht 40 aus einem metallischen Werkstoff angeordnet ist, wirkt die Vielzahl an dünnen Metallschichten in dem Hybridlaminat des Strukturelements 20 als Rissstopper. Sie übernehmen damit die Funktion der herkömmlichen +/–45°- und 90°-Schichten aus den Strukturelementen in herkömmlicher Faserverbundwerkstoff-Bauweise. Der große Vorteil der Metallschichten gegenüber diesen herkömmlichen +/–45°- und 90°-Schichten besteht aber darin, dass in dem erfindungsgemäßen Strukturelement 20 als Ganzem keine Verringerung der Festigkeit und Steifigkeit in der 0° Faserrichtung, hier also der Richtung 11, erfolgt.
Werden mehrere Schichten 30 aus Faserverbundmaterial aufeinander gelegt, sodass es mehr Schichten aus Faserverbundmaterial als aus metallischen Werkstoff gibt, so reduzieren sich die einen Riss stoppenden Eigenschaften, zugleich reduziert sich allerdings auch das Gesamtgewicht. Hier ist es möglich, je nach gewünschtem Verwendungszweck Optimierungen vorzunehmen und zugleich Serienfertigungen von bestimmten Schichttypen vorzusehen.
Durch die Schichten 40 aus dem metallischen Werkstoff mit den sehr geringen Schichtdicken von weniger als 75 μm, insbesondere weniger als 25 μm, und der Positionierung dieser Schichten 40 aus dem metallischen Werkstoffen zwischen je aufeinanderfolgenden Schichten 30 mit den Faserverbundwerkstoffen und den unidirektional ausgerichteten Fasern 32 ergeben sich eine Vielzahl von vorteilhaften Effekten.
Durch den niedrigen Metallvolumenanteil werden die spezifischen Kennwerte des kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffes mit seinem Unidirektionalmaterial nur minimal beeinträchtigt. Die maximalen Potentiale des Faserverbundmaterials hinsichtlich von Festigkeit und Steifigkeit können ausgeschöpft werden.
Zugleich wird die Schadenstoleranz des Faserverbundwerkstoffes mit den unidirektionalen Fasern 32 verbessert. Diese Verbesserung ergibt sich sowohl durch eine Reduktion der Gesamtdicke einer jeweiligen Schicht 30 mit einem UD(Unidirektional)-Lagenpaket zwischen zwei angrenzenden Schichten 40 aus metallischem Werkstoff, als auch durch die Vergrößerung der Anzahl der Schichten 40 als Rissstopper.
Hierzu sind in der 2 mögliche Schäden oder Risse 15 angedeutet. Ein möglicher Schaden oder Riss kann sich nur durch und innerhalb einer Schicht 30 aus Faserverbundmaterial mit unidirektionalen Fasern 32 verbreiten. Auf beiden Seiten der Schicht 30 befindet sich je eine Schicht 40 aus dünnem metallischen Werkstoff als Rissstopper. Je größer die Anzahl der Schichten 40 aus metallischem Werkstoff beziehungsweise die Anzahl der Rissstopper ist, desto höher ist die Energiedissipation bei Impact und Crash durch Umformung und Delamination und desto deutlicher zeichnet sich ein Fail-Safe-Prinzip ab.
Stellt man sich eine der Beschädigungen 15 vor, so läuft innerhalb der Schicht 30 aus dem Faserverbundwerkstoff ein Kraftfluss 16 in und durch die angrenzenden Schichten 40 aus metallischem Werkstoff in die nächste angrenzende Schicht 30 aus Faserverbundwerkstoff. Durch die physische Trennung jeder Schicht 30 aus Faserverbundwerkstoff müssen jedoch Risse 15 in jeder derartigen Schicht 30 einzeln und erneut initiiert werden, was einen erhöhten Energiebedarf erfordert und somit die Rissausbreitung hemmt.
Die Dicke der Lagenpakete mit Fasern 32 gleicher Orientierung wird minimiert. Das führt dazu, dass gleichzeitig die sogenannten „in-situ”-Effekte von Faserverbundwerkstoffen ausgenutzt werden können, die bekanntlich zu höheren Tragfähigkeiten führen. Die Transversalfestigkeit, die Druckfestigkeit in Faserrichtung 11 und die Scherfestigkeit in der Ebene hängen nämlich von der Dicke des Lagenpakets gleicher Orientierung der Fasern 32 ab, wenn dieses Lagenpaket zwischen Schichten verschiedener Orientierung oder wie im vorliegenden Fall zwischen einer seitlichen Abgrenzung durch die Schichten 40 eingebettet ist.
Diese mechanischen Kennwerte nehmen hierbei deutlich mit abnehmender Schichtdicke zu. Die metallische Phase grenzt diskrete Lagen mit unidirektional orientierten Fasern 32 voneinander ab und sorgt daher für die Ausnutzung maximaler in-situ-Festigkeiten. Somit können mit dem modifizierten, überwiegend aus Faserverbundwerkstoffen mit unidirektional orientierten Fasern 32 ausgebildeten Strukturelement 20 sogar höhere Festigkeitskennwerte erreicht werden, als im Vergleich zu einem reinen Laminat mit unidirektional ausgerichteten Fasern gleicher Gesamtdicke ohne Modifizierung mittels Schichten aus metallischen Werkstoffen. Gleichzeitig dazu können die beschriebenen erhöhten und gewünschten Eigenschaften hinsichtlich der Schadenstoleranz verwirklicht werden.
Dadurch, dass das Laminat aus den erwähnten Schadenstoleranzgründen nun keine Lagen mehr aus Faserverbundwerkstoff mit Fasern mit einer anderen Orientierung als in der 0°-Richtung 11 aufweist, treten auch keine Probleme mehr in den Randbereichen des Strukturelementes 20 auf, die herkömmlich mit den unterschiedlichen Querkontraktionen von Fasernverbundwerkstoffen oder –lagen mit verschiedener Orientierung verbunden sind. Diese herkömmlichen Randeffekte sind häufig Quellen für eine Randdelamination des Strukturelementes und setzen in der Praxis gewisse Anforderungen an den Laminataufbau und die Stapelfolge.
Da jedoch die Quer-Längs-Querkontraktion von den Schichten 30 aus Faserverbundwerkstoff mit unidirektional orientierten Fasern 32 und den Schichten 40 aus metallischen Werkstoffen nahezu identisch sind, tauchen diese Probleme im erfindungsgemäßen Fall nicht auf.
In der Anordnung des Strukturelementes 20, die in der 2 dargestellt ist, ist gut zu erkennen, dass die äußeren Schichten, also die oberste und die unterste Schicht, jeweils Schichten 30 aus einem Faserverbundwerkstoff sind.
In diesem Fall gibt es die Möglichkeit einer bevorzugten Ausführungsform, die auch einen integralen Blitzschutz ermöglicht. Hierzu wird in die äußerste Schicht 35 aus Faserverbundwerkstoff ein Kupfer-Maschendraht 36 integriert. Dieser wird durch eine weitere Zusammenpolymerisation aufgetragen.
Die elektrische Leitfähigkeit des Kupfers des Kupfermaschendrahtes 36 ist um den Faktor 20 oder mehr höher als der entsprechende Parameter für eine Titanlegierung. Durch diese konstruktive Maßnahme entsteht eine minimale Beeinträchtigung des Leichtbaupotentials und zugleich ein effektiver Blitzschutz.
Es wird also erfindungsgemäß erstmals ein realer Einsatz eines nahezu reinen unidirektionalen Werkstoffes aus Faserverbundwerkstoffen mit unidirektional angeordneten Fasern für einachsig belastete Strukturelemente möglich, da zugleich die Anforderungen an schadenstolerante Eigenschaften erfüllt werden können.
In der 3 wird eine Möglichkeit dargestellt, wie an ein erfindungsgemäßes Strukturelement 20 ein anderes Bauteil 50 lokal angekoppelt werden kann. Das erfindungsgemäße Strukturelement 20 ist hier als eine Art Stringer vorgesehen, der an eine Haut 14 angekoppelt ist.
Das andere Bauelement 50 soll mittels einer Bolzenverbindung 51 an dem Strukturelement 20 befestigt werden. Das Bauteil 50 kann zum Beispiel Bestandteil einer Befestigung beliebiger Geräte in einem Rumpf oder Flügel eines Flugzeuges eingesetzt werden.
Im Kopplungsbereich zwischen dem erfindungsgemäßen Strukturelement 20 und dem weiteren Bauteil 50 ist zur Steigerung der Tragfähigkeit der Bolzenverbindung 51 zusätzlich zu den in der 2 beschriebenen Maßnahmen an dem Strukturelement 20 eine weitere Einrichtung vorgesehen.
Hierzu werden auf den äußeren Schichten 30 beziehungsweise deren Oberflächen des Gurtes des als Stringer eingesetzten Strukturelementes 20 jeweils zusätzliche Schichten 21 aus metallischem Werkstoff vorgesehen, die Aufdickungen 22 bilden.
Da die Außenschichten des Strukturelementes 20 jeweils Schichten 30 aus Faserverbundwerkstoff sind, können die zusätzlichen lokalen Metallschichten 21 durch die gleiche Fertigungstechnologie mit demselben Verfahren wie für die anderen Schichten in das Strukturelement 20 eingebracht werden. Es müssen also keine zusätzlichen oder besonderen Arbeitsschritte vorgesehen werden. Auch die Werkstoffe müssen nicht besonders ausgewählt werden und die Kosteneffizienz der Fertigung wird kaum beeinträchtigt.
Strukturmechanisch und aus Leichtbaugründen sieht diese technische Lösung auch sehr attraktiv aus, weil die Schichten 30 und 40 des Strukturelements 20 durch den lokalen Ankopplungsbereich für die Bolzenverbindung 51 ohne Exzentrizitäten oder zusätzliche Biegebeanspruchungen hindurch laufen.
Die Aufdickungen 22 können auch durch alternierende Schichten aus metallischen und Faserverbundwerkstoffen gebildet und an den äußeren Schichten 30 aus Faserverbundwerkstoff des Strukturelementes 20 angeordnet werden.
Die sehr dünnen Schichten 40 aus metallischem Werkstoff des Strukturelementes 20 vereinfachen den Fertigungsprozess der verschiedenen Profile durch die Vermeidung von plastischen Formänderungen. Weder müssen ganze Schichtpakete des Strukturelementes 20 noch einzelne Schichten 40 aus metallischem Werkstoff wie herkömmlich in mehreren aufeinanderfolgenden Umformschritten behandelt werden. Dadurch wird erfindungsgemäß eine deutliche Reduktion der Herstellungskosten erreicht.
Als Faserverbundwerkstoff für das Strukturelement 20 wird bevorzugt ein kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK) eingesetzt. Diese Werkstofffamilie besitzt sehr hohe spezifische Eigenschaften für die Festigkeiten und Steifigkeiten und zugleich ein sehr hohes Leichtbaupotential.
Als metallischer Werkstoff für die Schichten 40 des Strukturelements 20 wird bevorzugt eine Titanlegierung eingesetzt. Titanlegierungen besitzen im Vergleich zu kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen ähnliche Steifigkeiten und relativ geringe Unterschiede zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten, was zu minimalen Thermospannungen im Strukturelement führt.
Alternativ kann als metallsicher Werkstoff für die Schichten 40 des Strukturelements 20 ein Edelstahl verwendet werden. In diesem Fall gibt es die Möglichkeit, das Strukturelement 20 noch steifer und fester zu gestalten und andererseits durch die hohe Festigkeit von Edelstahl die Anzahl der Schichten 40 aus metallischen Werkstoffen beziehungsweise den Fertigungsaufwand im lokalen Kopplungsbereich etwa für die Bolzenverbindungen 51 zu reduzieren. Durch den erheblich niedrigeren Preis von Edelstahl im Vergleich zu Titanlegierungen ist der Einsatz von Edelstahl erheblich kosteneffizienter, wenn dieser für die einzusetzenden Ausführungsformen in Betracht kommt.
Angesichts der besseren elektrischen Leitfähigkeiten können in bestimmten Ausführungsformen auch Nickel oder nickelbasierte Legierungen zum Einsatz kommen. Kommt es insbesondere auf eine hohe Festigkeit und Steifigkeit an, sind auch Kobalt und kobaltbasierte Legierungen eine Möglichkeit, die jedoch vergleichsweise kostspielig ist.
Bezugszeichenliste

10: Bauteil
11: Längsrichtung
12: Richtung der Schichtdicke
14: Haut
15: Risse
16: Kraftfluss
20: Strukturelement
21: zusätzliche Schichten aus metallischem Werkstoff
22: Aufdickungen
30: Schicht aus Faserverbundwerkstoff
31: Matrix
32: Fasern
35: Schicht aus Faserverbundwerkstoff als äußerste Schicht
36: Kupfermaschendraht
40: Schicht aus metallischem Werkstoff
50: weiteres Bauteil
51: Bolzenverbindung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 4329744 C1 [0005]
DE 19529706 C2 [0005]
EP 1082217 B1 [0011]
US 7115323 B2 [0011]
EP 1801427 A1 [0011]
EP 0783960 B1 [0012, 0022]
DE 69734616 T2 [0012, 0022]
EP 1103370 B1 [0016]

Claims

Strukturelement aus einem Hybridlaminat, mit alternierend angeordneten Schichten (30, 40), nämlich Schichten (30) aus Faserverbundwerkstoffen und Schichten (40) aus metallischen Werkstoffen, wobei jede Schicht (30) aus Faserverbundwerkstoffen unidirektional ausgerichtete Fasern (32) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (32) aller Schichten (30) aus Faserverbundwerkstoffen in der gleichen Richtung ausgerichtet sind, dass jede Schicht (30) aus Faserverbundwerkstoffen eine Schichtdicke von zumindest 75 μm aufweist, und dass die Schichtdicke jeder Schicht (40) aus dem metallischen Werkstoff geringer ist als 75 μm.
Strukturelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden äußeren Schichten des Hybridlaminats jeweils Schichten (30) aus Faserverbundwerkstoffen sind.
Strukturelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass außerhalb von zumindest einer der beiden äußeren Schichten (30) aus Faserverbundwerkstoff eine Schicht mit einem Maschendraht (36) aus Kupfer angeordnet ist.
Strukturelement nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturelement lokale Ankopplungsbereiche für andere Strukturelemente (50) der gleichen oder anderer Art aufweist, dass in diesen lokalen Ankopplungsbereichen eine oder mehrere Niet- oder Bolzenverbindungen (51) zur Verbindung mit dem oder den anderen Strukturelementen (50) vorgesehen ist, dass in dem lokalen Ankopplungsbereich eine Aufdickung (22) vorgesehen ist, dass die Aufdickung (22) mindestens eine zusätzliche lokale Schicht (21) aus einem metallischen Werkstoff aufweist und dass diese Schicht (21) aus metallischem Werkstoff außerhalb einer der beiden äußeren Schichten (30) aus Faserverbundwerkstoff des Strukturelements angeordnet ist.
Strukturelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufdickung (22) eine oder mehrere alternierende Schichten (21) aus metallischen Werkstoffen und Faserverbundwerkstoffen aufweist.
Strukturelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenanteil der Schichten (40) aus dem metallischen Werkstoff an dem gesamten Hybridlaminat weniger als 10%, insbesondere weniger als 7%, beträgt.
Strukturelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke jeder Schicht (40) aus dem metallischen Werkstoff geringer ist als 25 μm, insbesondere geringer ist als 15 μm.
Strukturelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (32) der Schichten (30) aus Faserverbundwerkstoffen in der Richtung (11) der Zug-Druckbeanspruchung des Strukturelementes ausgerichtet sind.
Strukturelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten (30) aus Faserverbundwerkstoff Schichten aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) sind.
Strukturelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten (40) aus metallischem Werkstoff eine Titanlegierung, eine Edelstahllegierung und/oder Nickel und/oder eine Nickellegierung und/oder Kobalt und/oder eine Kobaltlegierung aufweisen oder aus dieser bestehen.
Strukturelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Strukturelementes kreisförmig ist und die Schichten (30, 40) umlaufend angeordnet sind.