DE102012012930A1 - Monitoring-Schicht auf Zug- Druckstangen - Google Patents
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Abstract
Bei der Herstellung von außen bearbeiteten Zug-Druckstangen aus Faserverbundwerkstoffen besteht das Problem der Qualitätssicherung, bei der sicherzustellen ist, dass die tragenden Faserlagen auch nach der mechanischen Bearbeitung noch vollständig vorhanden sind. Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass bei Zug-Druckstangen aus Faserverbundwerkstoffen auf die tragenden Faserverbundlagen eine Monitoring-Schicht in der Weise appliziert wird, dass eine angeschnittene tragende Lage durch einfache visuelle Inspektion erkannt werden kann. Derartige Faserverbundrohre dienen insbesondere zur Führung und mechanischen Lagerung bzw. zur Abstützung, zur Verstrebung oder zur Verbindung.
Description
- Die Erfindung betrifft den Materialaufbau mit Monitoring-Schicht auf Zug-Druckstangen aus Faserverbundwerkstoffen.
- Zug-Druckstangen aus Faserverbundwerkstoffen dienen insbesondere zur Führung und mechanischen Lagerung bzw. zur Abstützung, zur Verstrebung oder zur Verbindung. Zug-Druckstangen aus Faserverbundwerkstoffen dieser Art umfassen im Allgemeinen einen im Wesentlichen rohrförmigen Körper. Diese können an den Ende mit Elementen (Krafteinleitung) zur Montage des Faserverbundrohres bestückt sein.
- Derartige Zug-Druckstangen aus Faserverbundwerkstoffen kommen in der Praxis in erheblichen Stückzahlen vor, wobei sich ein Faserverbundrohr insbesondere durch Variation der Länge auszeichnet. Die Variation der Länge wird im Wesentlichen durch Veränderung der Länge des im Allgemeinen rohrförmigen Körpers des Faserverbundrohres erreicht.
- Zug-Druckstangen aus Faserverbundwerkstoffen mit rohrförmigen Körpern aus Faserverbundwerkstoff zeichnen sich insbesondere durch ihr im Vergleich zu metallischen Rohren geringes Gewicht aus.
- So werden beispielsweise Zug-Druckstangen aus Faserverbundwerkstoffen für derartige Anwendungen im Faserwickelverfahren, Prepregverfahren oder Harzinjektionsverfahren hergestellt. Die Außenoberflächen derartiger Zug-Druckstangen aus Faserverbundwerkstoffen werden dabei nach der Herstellung in der Regel nicht mehr mechanisch bearbeitet. Vielmehr bleiben die wesentlichen Teile der Außenoberflächen unbearbeitet bzw. im Rohzustand, da somit sichergestellt wird, dass keine tragenden Laminatbereiche durch mechanische Bearbeitung verletzt werden.
- Nachteilig ist hierbei die Einschränkung in der Oberflächengestaltung. Durch nachträgliche mechanische Bearbeitung der Außenoberflächen ergeben sich Möglichkeiten der Erzeugung sehr glatter Oberflächen, der Reduktion von Toleranzfeldern sowie der Gewichtsreduktion.
- Ein Wesentlicher Aspekt der Gewichtsreduktion bei nachträglich mechanisch bearbeiteten Außenoberflächen von Faserverbundrohren für Anwendungen als Zug-Druckstangen liegt darin, dass Beschädigungen, die nach Fertigstellung des Faserverbundrohres, zum Beispiel durch Schlagbeanspruchung auftreten, durch visuelle Wahrnehmung leichter erkannt werden können. Hintergrund ist die durch nachträgliche mechanische Bearbeitung herstellbare glatte Außenoberfläche. Dadurch können derartig hergestellte Zug-Druckstangen aus Faserverbundwerkstoffen mit geringeren Wanddicken ausgelegt werden als mechanisch unbearbeitete Zug-Druckstangen aus Faserverbundwerkstoffen.
- Boeing und Airbus beispielsweise legen daher bei derartigen Bauteilen einen BVID – Level fest. BVID steht dabei für „barely visible impact damage” – übersetzt „gerade noch sichtbarer Einschlagschaden”.
- Da sich an bearbeiteten Oberflächen die Einschlagschäden früher erkennen lassen als bei unbearbeiteten Oberflächen, ergibt sich bei mechanisch bearbeiteten Zug-Druckstangen aus Faserverbundwerkstoffen ein geringeres BVID Niveau wodurch die Bauteile mit geringerer Wanddicke ausgelegt werden können und somit einen Gewichtsvorteil bieten.
- Zur Qualitätssicherung ist bei nachträglich an der Außenoberfläche bearbeiteten Zug-Druckstangen aus Faserverbundwerkstoffen sicherzustellen, dass die tragenden Faserlagen auch nach der mechanischen Bearbeitung noch vollständig vorhanden sind. Dazu gibt es verschiedene zerstörungsfreie Messmethoden wie Röntgen-, Ultraschall oder CT-Verfahren.
- Die hohen Qualitätssicherungskosten verbunden mit einem Risiko angeschnittene tragenden Faserlagen nicht zu entdecken stellt ein grundsätzliches Problem bei der oben beschriebenen Fertigungsmethode mit mechanischer Bearbeitung der Außenoberflächen von Zug-Druckstangen aus Faserverbundwerkstoffen dar.
- Die steigenden Anforderungen an Gewichts- und Kosteneinsparung führen an die Grenzen des Potentials bekannter Bauweisen und Herstellungsmethoden von Zug-Druckstangen aus Faserverbundwerkstoffen mit im Wesentlichen rohrförmigen Körpern aus Faserverbundwerkstoffen.
- Alle bisher bekannten Bauweisen für Faserverbundrohre für Anwendungen als Zug-und Druckstangen sind entweder zu aufwändig und damit zu kostenintensiv in der Herstellung oder Qualitätssicherung und/oder halten den Anforderungen bezüglich geringen Gewicht und/oder mechanischer Beanspruchungen nicht stand.
- Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Zug-Druckstangen aus Faserverbundwerkstoffen mit rohrförmigen Körpern aus Faserverbundwerkstoffen sowie das Verfahren zu deren Herstellung derart weiterzubilden, dass die dem heutigen Stand der Technik entsprechenden Nachteile vermieden werden.
- Ziel der Erfindung ist dabei, den Materialaufbau zu gestalten, dass eine angeschnittene tragende Lage durch einfache, visuelle Inspektion erkannt werden kann.
- Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass bei Zug-Druckstangen aus Faserverbundwerkstoffen auf die tragenden Faserverbundlagen eine Monitoring-Schicht in der Weise appliziert wird, dass eine angeschnittene tragende Lage durch einfache visuelle Inspektion erkannt werden kann. Die Monitoring-Schicht hat dabei nach der mechanischen Bearbeitung eine Wanddicke unter 5 mm, typischerweise eine Wanddicke im Bereich von 1 mm bis 0,01 mm. Versuche haben gezeigt, dass beispielsweise bei Einsatz von Kohlenstofffaserverstärkten Zug-Druckstangen aus Faserverbundwerkstoffen allein eine Veränderung der Faserausrichtung um mehr als 10° zu der Wesentlichen Faserausrichtung in der unmittelbar vorherigen Lage bereits dazu führt, dass durch visuelle Inspektion der Außenoberflächen von Zug-Druckstangen aus Faserverbundwerkstoffen eine durch mechanische Bearbeitung der Außenoberfläche angeschnittene tragende Lage leicht erkannt werden kann. Je größer der Unterschied in der Faserausrichtung zwischen der Tragenden Lage und der mechanisch zu bearbeitenden Monitoring-Schicht, desto besser lässt sich durch einfache visuelle Inspektion der Außenoberflächen eine angeschnittene tragende Lage erkennen. Dies erklärt sich beispielsweise durch den unterschiedlichen Brechungswinkel des Lichts in Lagen aus Faserverbundwerkstoffen mit unterschiedlichen Faserausrichtungen.
- Der erfindungsgemäße Bereich in dem auf die tragenden Faserverbundlagen eine Monitoring-Schicht auf Zug-Druckstangen aus Faserverbundwerkstoffen appliziert wird, liegt in einem Abstand ab ein Mal Aussendurchmesser gemessen ab dem jeweiligen Ende des Krafteinleitungselements des Faserverbundrohres.
- Versuche haben gezeigt, dass alternativ auch Monitoring-Schichten aus anderen Materialien bei denen beispielsweise andere Fasertypen, andere Harzsysteme, eingefärbte Harzsysteme, unverstärkte Kunststoffe, mit Faservliesen versehene Kunststoffe, Elastomere- oder Gummiwerkstoffe dazu führen, dass angeschnittene tragende Lagen durch visuelle Inspektion der Außenoberflächen gut und damit sehr wirtschaftlich erkannt werden.
- Verfahren zur Herstellung von Lagen auf Faserverbundrohren sind bekannt. Beispielsweise sind als Herstellungsverfahren das Faserspritzen, das Schleuderverfahren, das Pulltrusionsverfahren, das Flechtverfahren, das Harzinjektionsverfahren, Spritzverfahren, Vulkanisierverfahren, Handlaminierverfahren und das Faserwickelverfahren bekannt.
- Erfindungsgemäß erfolgt die Herstellung der beschriebenen Monitoring-Schicht auf Zug-Druckstangen aus Faserverbundwerkstoffen vorzugsweise im Faserwickelverfahren. Die Herstellung der beschriebenen Monitoring-Schicht erfolgt vorzugsweise unmittelbar nach Aufbringen der letzten tragenden Lagen auf das nasse tagende Laminat und hat dabei vorzugsweise eine gegenüber der Faserausrichtung der letzten tragenden Lage um mehr als 50° veränderte Faserausrichtung.
- Beträgt die Faserausrichtung der letzten tragenden Lage beispielsweise im Wesentlichen ±15° so beträgt die Faserausrichtung der Monitoring-Schicht im Wesentlichen mehr als ±65°, typischerweise ±88°. Die Faserausrichtungen ist dabei in einem Winkel gemessen zur Rohrlängsachse gemessen.
- Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher beschrieben.
- Es zeigt:
-
1 einen schematische Seitenansicht eines Faserverbundrohrs (1 ) mit einem Aufbruch, in dem die tragende Lage (2 ) sowie die Monitoring-Schicht (3 ) dargestellt ist. Der Bereich (4 ) im Abstand ab ein Mal Aussendurchmesser (6 ) gemessen ab dem jeweiligen Ende (7 ) des Krafteinleitungselements (5 ) in dem auf die tragenden Faserverbundlagen eine Monitoring-Schicht (3 ) appliziert wird, ist ebenfalls dargestellt.
Claims (5)
- Monitoring-Schicht auf Zug-Druckstangen aus Faserverbundwerkstoffen dadurch gekennzeichnet, dass auf die tragenden Faserverbundlagen eine Monitoring-Schicht in der Weise appliziert wird, dass eine durch mechanische Bearbeitung angeschnittene tragende Lage durch einfache visuelle Inspektion erkannt werden kann wobei die Monitoring-Schicht nach der mechanischen Bearbeitung eine Wanddicke unter 5 mm aufweist und die Monitoring-Schicht aus Faserverbundwerkstoff besteht bei der die wesentliche Faserausrichtung in der Monitoring-Schicht gegenüber der wesentlichen Faserausrichtung der letzten tragenden Lagen um mehr als 10° differiert und dass die Monitoring-Schicht mindestens in einem Bereich (
4 ) in einem Abstand ab ein Mal Aussendurchmesser gemessen ab dem jeweiligen Ende des Krafteinleitungselements des Faserverbundrohres aufgebracht ist. - Monitoring-Schicht auf Zug-Druckstangen aus Faserverbundwerkstoffen dadurch gekennzeichnet, dass auf die tragenden Faserverbundlagen eine Monitoring-Schicht in der Weise appliziert wird, dass eine durch mechanische Bearbeitung angeschnittene tragende Lage durch einfache visuelle Inspektion erkannt werden kann wobei die Monitoring-Schicht nach der mechanischen Bearbeitung eine Wanddicke unter 5 mm aufweist und die Monitoring-Schicht aus eingefärbten Harzsystemen, unverstärkten Kunststoffen, mit Faservliesen versehenen Kunststoffen, Elastomer- oder Gummiwerkstoffen besteht.
- Monitoring-Schicht auf Zug-Druckstangen aus Faserverbundwerkstoffen nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die wesentliche Faserausrichtung in der Monitoring-Schicht gegenüber der wesentlichen Faserausrichtung der letzten tragenden Lagen um mehr als 50° differiert.
- Verfahren zur Herstellung der Monitoring-Schicht auf Zug-Druckstangen aus Faserverbundwerkstoffen gemäß den Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Monitoring-Schicht unmittelbar nach Aufbringen der letzten tragenden Lagen auf das nasse tagende Laminat im Faserwickelverfahren appliziert wird.
- Verfahren zur Herstellung der Monitoring-Schicht auf Zug-Druckstangen aus Faserverbundwerkstoffen gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Monitoring-Schicht unmittelbar nach Aufbringen der letzten tragenden Lagen auf das nasse tagende Laminat appliziert wird.
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