DE102011120636A1 - Faserverbundbauteilanordnung mit mindestens zwei plattenförmigen Faserverbundbauteilen sowie Verfahren zur Herstellung derselben - Google Patents

Faserverbundbauteilanordnung mit mindestens zwei plattenförmigen Faserverbundbauteilen sowie Verfahren zur Herstellung derselben Download PDF

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Thomas Kruse
Paulin Fideau
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Airbus Operations GmbH
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Faserverbundbauteilanordnung mit mindestens zwei plattenförmigen Faserverbundbauteilen (1, 2), die jeweils aus in Kunstharz (7) eingebetteten Fasern (4) hergestellt und stoffschlüssig über eine dazwischen angeordnete Klebschicht (6) und zusätzlichen mechanischen Verstärkungsmitteln miteinander verbunden sind, wobei die Faserverbundbauteile (1, 2) mehrere miteinander in fluchtende Übereinstimmung bringbare und beabstandet zueinander angeordnete kunstharzlose Teilbereiche (3a, 3b) aufweisen, durch welche die nachträglich mit Kunstharz (7) einklebbaren mechanischen Verstärkungsmittel hindurchgeführt sind.

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft eine Faserverbundbauteilanordnung mit mindestens zwei plattenförmigen Faserverbundbauteilen, die jeweils aus in Kunstharz eingebetteten Fasern hergestellt und stoffschlüssig über eine dazwischen angeordnete Klebschicht und zusätzlichen mechanischen Verstärkungsmitteln miteinander verbunden sind. Weiterhin betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Faserverbundbauteilanordnung.
  • Das Einsatzgebiet der Erfindung erstreckt sich vornehmlich auf den Flugzeugbau. Insbesondere bei der Herstellung von Strukturbauteilen für Flugzeugrümpfe und dergleichen können plattenförmige Faserverbundbauteile verwendet werden. Speziell kommen hier vermehrt kohlefaserverstärkte Kunststoffe (CFK) zum Einsatz, bei denen meist die in Form eines Geleges vorliegenden Kohlenstofffasern mehrlagig als Verstärkung in eine Kunststoffmatrix eingebettet werden. Die Kunststoffmatrix besteht meist aus Duromeren, beispielsweise Epoxidharz. Bei Verwendung derartiger Faserverbundwerkstoffe zur Herstellung von Strukturbauteilen werden auch Versteifungselemente, wie Stringer oder Spanten, während der Herstellung mit in das Strukturbauteil integriert. Die auf diese Weise hergestellten plattenförmigen Faserverbundbauteile sind, beispielsweise zur Bildung eines Rumpfsegments, miteinander zu verbinden.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Zur Verbindung von plattenförmigen Faserverbundbauteilen kann gemäß des allgemein bekannten Standes der Technik zusätzlich zu einer randseitigen Verklebung der Faserverbundbauteile eine zusätzliche mechanische Sicherung der Verbindungsnaht vorgenommen werden, welche in Form von Vernietungen ausgeführt sein kann.
  • Eine Vernietung erfüllt verschiedene Funktionen. So werden Schälbelastungen am Auslauf von Versteifungselementen, beispielsweise Stringern, übernommen, welche zusätzlich ein schadentolerantes Verhalten der Verbindung sicherstellt, um die Verklebung zusätzlich zu sichern.
  • Beim Einsatz von Faserverbundbauteilen, deren Fasern aus Kohlenstoff bestehen, ist eine Vernietung zur zusätzlichen Verstärkung der Verbindungsstelle deshalb problematisch, weil CFK nicht ein isotroper Werkstoff ist und daher ein quasi isotroper Lagenaufbau benötigt wird, um eine für Vernietungen ausreichende Lochlaibungsfestigkeit zu erreichen. Zudem müssen Vernietungsarbeiten aufgrund des bei der Vernietung entstehenden Bohrstaubes vor Beginn der Systemmontage abgeschlossen sein, was den fertigungstechnischen Aufwand erhöht.
  • Andererseits lassen sich andere allgemein bekannte mechanische Verstärkungsmittel, wie beispielsweise Verstiftungen, Vernähungen und dergleichen nicht in bereits ausgehärtete Faserverbundbauteile einbringen und sind somit bislang auf den Einsatz bei Einzelteilen oder großformatigen Integralstrukturen beschränkt.
  • Aus der DE 10 2005 008 252 A1 geht eine Faserverbundbauteilanordnung zwischen zwei plattenförmigen Faserverbundbauteilen hervor, welche anstelle von herkömmlichen mechanischen Verstärkungsmitteln, wie Nieten, Verstiftungen oder Vernähungen, eine zusätzliche formschlüssige Verbindung zwischen den beiden plattenförmigen Faserverbundbauteilen nutzt, um die primäre Verklebung zusätzlich zu sichern. Eine Faserverbundbauteilanordnung mit zwei plattenförmigen Faserverbundbauteilen, welche unterschiedlich aushärten, lässt sich mit der gewünschten erhöhten Verbindungsstabilität dadurch herstellen, dass zusätzlich die Kunststoffmatrix des einen Faserverbundbauteils verflüssigt wird und dabei unregelmäßig in den Bereich des anderen Faserverbundbauteils eindringt. Anschließend wird die Kunststoffmatrix des anderen Faserverbundbauteils verflüssigt, wonach beide Faserverbundbauteile ausgehärtet werden. Es entstehen hierdurch unregelmäßige Grenzflächen an der Verbindungsstelle, welche eine Verzahnung oder Verhakung der beiden Faserverbundbauteile zueinander erzeugt, wodurch eine Verbindungsstelle erhöhter Scherfestigkeit entsteht.
  • Da diese technische Lösung allerdings primär auf einer Erhöhung der Scherfestigkeit beruht, ist der Einsatz auf spezielle Anwendungsfälle beschränkt, welche eine solche erhöhte Scherfestigkeit einer Klebverbindung zwischen zwei plattenförmigen Faserverbundbauteilen erfordert.
  • Kurze Beschreibung der Erfindung
  • Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine primär durch Verkleben hergestellte stoffschlüssige Verbindung zwischen zwei plattenförmigen Verbundbauteilen zur Erzeugung einer Faserverbundbauteileanordnung auf fertigungstechnisch einfache Weise zusätzlich mechanisch zu sichern, um eine hohe Belastung und Schadenstoleranz der geklebten Verbindungsstelle sicherzustellen.
  • Die Aufgabe wird ausgehend von einer Faserverbundbauteilanordnung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst.
  • Die nachfolgenden abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder. Verfahrenstechnisch wird die Aufgabe nach Anspruch 8 gelöst.
  • Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass die Faserverbundbauteile mehrere miteinander in fluchtende Übereinstimmung bringbare und beabstandet zueinander angeordnete kunstharzlose Teilbereiche aufweist, in welche nachträglich Verstärkungsmittel hindurchgeführt werden können.
  • Mit anderen Worten ermöglicht die erfindungsgemäße Lösung eine lokale Einbringung von mechanischen Verstärkungsmitteln, welche an sich für unausgehärtete Faserverbundbauteile genutzt werden in bereits ausgehärtete Faserverbundbauteile, ohne, dass die Handhabung der Faserverbundbauteile im Montageprozess massiv beeinflusst wird, wie dies bei vollständig unausgehärteten Faserverbundbauteilen der Fall wäre.
  • Im Prinzip wird zur Einbringung der lokalen mechanischen Verstärkungsmittel im Bereich der Verbindungsstelle zwischen den beiden plattenförmigen Faserverbundbauteilen lokal eine Aushärtung des Faserverbundes mit dem Kunstharz verhindert, um zunächst in diese kunstharzlosen Teilbereiche die mechanischen Verstärkungsmittel einzubringen, wonach dann die Infusion der trockenen Teilbereiche mit Kunstharz mit anschließender Aushärtung erfolgt.
  • Die im Anfangszustand trockenen Teilbereiche können beispielsweise durch Einsetzen eines Füllstoffes während der Herstellung des Faserverbundbauteils aus Fasern und Kunststoff erzeugt werden. Daneben ist auch eine Überpressung einer trockenen Preform, eine thermische Behandlung und Fließfrontmanagement beim Infusionsprozess oder andere dem jeweiligen Fertigungsprozess angepasste Maßnahmen denkbar.
  • Vorzugsweise ist jeder kunstharzlose Teilbereich der Faserverbundbauteile von einem ausgehärteten Bereich des Faserverbundbauteils vollständig umschlossen und bildet eine rechteckförmige oder oval bis runde Form. Daneben ist es jedoch auch denkbar, dass die kunstharzlosen Teilbereich zumindest größtenteils vom ausgehärteten Bereich des Faserverbundbauteils umschlossen sind, um die vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Vorteile zu realisieren. Weiterhin ist es auch denkbar, dass die kunstharzlosen Teilbereiche eine unregelmäßige Form besitzen oder mit Hinterschneidungen zum benachbarten ausgehärteten Bereich versehen sind, um die Stabilität der Verbindung zu erhöhen. Somit wird wirksam ein unkontrolliertes Verfilzen oder Verwirren der einzelnen Fasern oder Gewebestränge des kunstharzlosen Teilbereichs verhindert und die Faserausrichtung wird in diesem Bereich fixiert. Ein vollständig von einem ausgehärteten Bereich des Faserverbundbauteils umschlossener kunstharzloser Teilbereich bewirkt zudem eine strukturmechanisch wirksame Verstärkung, welche ein unkritisches Handling des Faserverbundbauteils während der Montage ermöglicht. Es ist auch eine in Dickenrichtung partielle Infusion und Aushärtung mit Kunstharz als optionale geometrische Gestaltung denkbar.
  • Als zusätzliche mechanische Verstärkungsmittel kommen vornehmlich Stifte zur Bildung einer Stiftverbindung zur Anwendung. Daneben ist es auch möglich, die zusätzlichen mechanischen Verstärkungsmittel als Fäden zur Bildung einer Nähverbindung auszuführen. Prinzipiell sind alle mechanischen Verstärkungsmittel geeignet, welche für die Verbindung unausgehärteter Faserverbundbauteile verwendbar sind.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die beiden plattenförmigen Faserverbundbauteile in Form einer Überlappverbindung miteinander zusammengefügt, wobei die kunstharzlosen Teilbereiche in Reihe angeordnet sind und mit einem Randabstand a zum Bauteilrand und einem Stegabstand b untereinander relativ zum Faserverbundbauteil positioniert sind. Durch den Randabstand a und den Stegabstand b der Reihe von kunstharzlosen Teilbereichen lässt sich in einfacher Weise der Grad der zusätzlichen mechanischen Verstärkung sowie die Robustheit des Kantenbereichs an die konstruktiven Erfordernisse anpassen. Es wird eine individuelle Definition der Balance zwischen einem notwendigen Bedarf an trockenen Teilbereichen sowie der Robustheit durch Größe der ausgehärteten Randbereiche a und die Breite der Stegverbindung b in einfacher Weise definierbar.
  • Vorzugsweise sind die miteinander zu verbindenden Faserverbundbauteile als textile Infusionsbauteile ausgebildet. Es ist jedoch auch möglich, die erfindungsgemäße Lösung im Zusammenhang mit vorimprägnierten Faserverbundwerkstoffen, sogenannte Prepregs zu verwenden.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnung
  • Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:
  • 1 eine perspektivische, schematische Darstellung zweier miteinander zu verbindender Faserverbundbauteile, und
  • 2 einen Querschnitt durch die miteinander verbundenen Faserverbundbauteile zur Herstellung einer Faserverbundteileanordnung.
  • Detailbeschreibung der Zeichnung
  • Gemäß 1 weisen zwei plattenförmige Faserverbundbauteile 1 und 2 einer – nicht weiter dargestellten Flugzeugstruktur – im Randbereich mehrere miteinander in fluchtende Übereinstimmung bringbare und beabstandet zueinander angeordnete Teilbereiche 3a bzw. 3b auf. Während die Faserverbundbauteile 1 und 2 außerhalb dieser Teilbereiche 3a und 3b ausgehärtet sind, verlaufen durch die Teilbereiche 3a und 3b lediglich Fasern 4 ohne Kunstharzmatrix.
  • Dies bildet die Voraussetzung dafür, die beiden plattenförmigen Faserverbundbauteile 1 und 2 über zusätzliche mechanische Verstärkungsmittel in Form von Stiften 5 bei der Montage zusätzlich zur Verklebung miteinander zu verbinden. Jeder kunstharzlose Teilbereich 3a, 3b ist bei diesem Ausführungsbeispiel vollständig von einem ausgehärteten Bereich des Faserverbundbauteils 1 bzw. 2 umschlossen und bildet jeweils einen im Wesentlichen rechteckförmigen Bereich aus. Die kunstharzlosen Teilbereiche 3a und 3b sind jeweils in Reihe zueinander mit einem Randabstand a und einem Stegabstand b angeordnet.
  • Nach 2 sind die beiden plattenförmigen Faserverbundbauteile 1 und 2 in Form einer Überlappverbindung miteinander zusammengefügt. Primär sind die beiden Faserverbundbauteile über eine dazwischen angeordnete Klebschicht 6 stoffschlüssig miteinander verbunden. Die Klebschicht 6 wirkt zwischen den jeweils ausgehärteten Bereichen der Faserverbundbauteile 1 und 2, welche um die kunstharzlosen Teilbereiche 3a und 3b herum angeordnet sind. Die ausgehärteten Bereiche der Faserverbundbauteile 1 und 2 bestehen aus in Kunstharz 7 eingebetteten Fasern, hier Kohlenstofffasern, so dass die Faserverbundbauteile 1 und 2 kohlefaserverstärkte Verbundbauteile sind.
  • Bei der hier dargestellten Ausführungsform der Faserverbundbauteilanordnung sind die kunstharzlosen Teilbereiche 3a und 3b über mechanische Verstärkungsmittel in Form von Fäden 8 zur Bildung einer Nähverbindung ausgeführt.
  • Zur Herstellung der Faserverbundbauteilanordnung werden die beiden Faserverbundbauteile 1 und 2 zunächst zueinander positioniert, indem die jeweils hierin eingebrachten kunstharzlosen Teilbereiche 3a und 3b in fluchtende Übereinstimmung zueinander gebracht werden. Hierbei werden die beiden Faserverbundbauteile 1 und 2 über eine im Überlappungsbereich zwischen den gehärteten Bauteilbereichen angeordnete Klebschicht 6 miteinander stoffschlüssig verbunden.
  • Anschließend werden die mechanischen Verstärkungsmittel durch die kunstharzlosen Teilbereiche 3a und 3b hindurchgeführt, um die zusätzliche mechanische Verbindung zu erzeugen. Schließlich werden die trockenen Teilbereiche 3a und 3b ebenfalls mit Kunstharz versehen, und zwar durch Infusion. Nach Aushärtung des in die Teilbereiche 3a und 3b eingebrachten Kunstharzes ist die sichere stoffschlüssige sowie mechanische Verbindung zwischen den beiden Faserverbundbauteilen 1 und 2 hergestellt.
  • Die im Anfangszustand trockenen Teilbereiche 3a und 3b können durch Einsetzen eines Füllstoffes während der Herstellung der Faserverbundbauteile 1 und 2 aus Fasern 4 und Kunstharz 7 erzeugt werden.
  • Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass „umfassen” keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „eine” oder „ein” keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden ist, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer über beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    erstes Faserverbundbauteil
    2
    zweites Faserverbundbauteil
    3
    kunstharzloser Teilbereich
    4
    Fasern
    5
    Stifte
    6
    Klebschicht
    7
    Kunstharz
    8
    Fäden
    a
    Wandabstand
    b
    Stegabstand
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102005008252 A1 [0007]

Claims (9)

  1. Faserverbundbauteilanordnung mit mindestens zwei plattenförmigen Faserverbundbauteilen (1, 2), die jeweils aus in Kunstharz (7) eingebetteten Fasern (4) hergestellt und stoffschlüssig über eine dazwischen angeordnete Klebschicht (6) und zusätzlichen mechanischen Verstärkungsmitteln miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserverbundbauteile (1, 2) mehrere miteinander in fluchtende Übereinstimmung bringbare und beabstandet zueinander angeordnete kunstharzlose Teilbereiche (3a, 3b) aufweisen, durch welche die nachträglich mit Kunstharz (7) einklebbaren mechanischen Verstärkungsmittel hindurchgeführt sind.
  2. Faserverbundbauteilanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder kunstharzlose Teilbereich (3a, 3b) von einem ausgehärteten Bereich des Faserverbundbauteils (1, 2) zumindest größtenteils bis vollständig umschlossen ist.
  3. Faserverbundbauteilanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der kunstharzlose Teilbereich (3a, 3b) im wesentlichen rechteckförmig oder oval bis rund ausgestaltet ist.
  4. Faserverbundbauteilanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzlichen mechanischen Verstärkungsmittel als Stifte (5) zur Bildung einer Stiftverbindung ausgeführt sind.
  5. Faserverbundbauteilanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzlichen mechanischen Verstärkungsmittel als als Fäden (8) zur Bildung einer Nähverbindung ausgeführt sind.
  6. Faserverbundbauteilanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden plattenförmigen Faserverbundbauteilen (1, 2) in Form einer Überlappverbindung miteinander zusammengefügt sind, wobei die kunstharzlosen Teilbereiche (3a, 3b) in Reihe mit einem Randabstand (a) und einem Stegabstand (b) angeordnet sind.
  7. Faserverbundbauteilanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserverbundbauteile (1, 2) als textile Infusionsbauteile ausgebildet sind.
  8. Verfahren zur Herstellung einer Faserverbundbauteilanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: – Positionieren der Faserverbundbauteile (1, 2) durch zueinander in fluchtende Übereinstimmung gebrachte kunstharzlosen Teilbereiche (3a, 3b), – Verkleben der beiden positionierten Faserverbundbauteile (1, 2) über die dazwischen angeordnete Klebschicht (6), – Einbringen der mechanischen Verstärkungsmittel durch die kunstharzlosen Teilbereiche (3a, 3b) hindurch, – Infusion der trockenen Teilbereiche (3a, 3b) mit Kunstharz, und – Aushärtung des in die Teilbereiche (3a, 3b) eingebrachten Kunstharzes.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die im Anfangszustand trockenen Teilbereiche (3a, 3b) durch Einsetzen eines Füllstoffes während der Herstellung des Faserverbundbauteils (1, 2) aus Fasern (4) und Kunstharz (7) erzeugt werden.
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