DE102013008810A1

DE102013008810A1 - Krafteinleitung in Faserverbundrohre

Info

Publication number: DE102013008810A1
Application number: DE201310008810
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Ralph Funck
Current assignee: Albany Engineered Composites Inc
Priority date: 2012-06-13
Filing date: 2013-05-24
Publication date: 2013-12-19
Anticipated expiration: 2033-05-25
Also published as: DE102013008810B4

Abstract

Bei der Verwendung von Faserverbundrohren besteht das grundsätzliche Problem, Kräfte in diese Strukturen einzuleiten. Meistens werden dazu metallische Gewindeelemente verwendet, die in die Stäbe eingelassen werden. Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das Einlegelement konturnah von Faserverbundwerkstoff umgeben, wobei Fasern im konturnahmen Bereich in einem Winkel gemessen zur Rohrlängsachse zwischen 0° und +–40° ausgerichtet sind und der konturnahe Bereich der am Einlegeelement angrenzende Bereich in einem Abstand von 0 bis 0,5 mm gemessen radial ab der Außenkontur des Einlegeelements ist und die Fasern im konturnahen Bereich einen Elastizitätsmodul in Faserrichtung von 60 GPa bis 600 GPa aufweisen und das Einlegelement konturfern ebenfalls von Faserverbundwerkstoff umgeben ist, wobei Fasern im konturfernen Bereich in einem Winkel gemessen zur Rohrlängsachse zwischen ±41° und ±89° ausgerichtet sind und der konturferne Bereich in einem Abstand von 0,5 mm gemessen radial ab der Aussenkontur des Einlegeelements beginnt und Fasern im konturfernen Bereich einen Elastizitätsmodul in Faserrichtung von 200 GPa bis 700 GPa aufweisen. Derartige Faserverbundrohre dienen insbesondere zur Führung und mechanischen Lagerung bzw. zur Abstützung, zur Verstrebung oder zur Verbindung.

Description

Die Erfindung betrifft die Krafteinleitung in Faserverbundrohre sowie das Verfahren zu dessen Herstellung.
Derartige Faserverbundrohre dienen insbesondere zur Führung und mechanischen Lagerung bzw. zur Abstützung, zur Verstrebung oder zur Verbindung. Faserverbundrohre dieser Art umfassen im Allgemeinen einen im Wesentlichen rohrförmigen Körper, an dessen Ende sich jeweils ein Element (Krafteinleitung) zur Montage des Faserverbundrohres befindet.
Diese Faserverbundrohre 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. Die Krafteinleitungen sind bei einem Faserverbundrohrtyp im Wesentlichen gleich, so dass insbesondere die Krafteinleitungen in einer hohen Stückzahl vorkommen.
Faserverbundrohre mit rohrförmigen Körpern aus Faserverbundwerkstoff zeichnen sich insbesondere durch ihr im Vergleich zu metallischen Rohren geringes Gewicht aus. Stand der Technik ist, die Krafteinleitungen am Ende derartiger Faserverbundrohren metallisch auszuführen. In den meisten Fällen werden Krafteinleitungen aus Aluminium eingesetzt. Diese sind beispielsweise stoffschlüssig durch Verklebung mit dem rohrförmigen Körper aus Faserverbundwerkstoff verbunden. Nachteilig sind hierbei das hohe Gewicht der metallischen Krafteinleitungen, die schlechte Korrosionsbeständigkeit und die hohen Herstellungskosten. Die hohen Herstellungskosten werden durch in der Regel mechanische Zerspanung sowie den Aufwand, der zur Vermeidung von Kontaktkorrosion in der Fügestelle zwischen Krafteinleitung und Faserverbundrohr betrieben werden muss verursacht. In seltenen Fällen bestehen die Krafteinleitungen auch aus Faserverbundwerkstoffen, wobei sich die hohe Herstellkosten, verursacht durch begrenzte Automatisierbarkeit des Fertigungsprozesses, nachteilig auswirken.
Bei der Verwendung von Faserverbundrohren besteht das grundsätzliche Problem, Kräfte in diese Strukturen einzuleiten. Meistens werden dazu metallische Gewindeelemente verwendet, die in die Stäbe eingelassen werden. Für die problematische Verbindung von Metallelement und Faserverbundstab gibt es viele technische Lösungen, wie auch verschiedene Patente bzw. Patenanmeldungen zeigen ( EP 0 841 490 , DE 10 2006 039 565 , DE 100 58 609.0 , DE 102 47 003.0 ). Besonders häufig sind Lösungen, bei denen die Faserverbundrohre als Halbzeuge verwendet und nachträglich mit metallischen Gewindeelementen versehen werden. Hier haben sich solche Krafteinleitungen bewährt, bei denen nicht die Metallteile direkt in das Faserverbundrohr geklebt werden, sondern die eigentliche Verklebung zwischen einer Faserverbundhülse und dem Faserverbundrohr stattfindet.
Bei diesen Lösungen gilt folgendes Prinzip: Kompatible Fügeteile wie CFK/CFK werden verklebt und nicht kompatible wie CFK/Metall formschlüssig miteinander verbunden. Weiterhin sind zusätzlich im Bereich der Krafteinleitung aufgebrachte Verstärkungen zur Unterstützung des Formschlusses bekannt.
An die Faserverbundrohre werden besonders hohe Ansprüche an die Festigkeit der verwendeten Materialien bei gleichzeitig geringem Gewicht und auch an die Korrosionsbeständigkeit gestellt. Zudem müssen die Faserverbundrohre extrem widerstandsfähig gegen mechanische sowie umgebungsbedingte Beanspruchungen sein.
Die steigenden Anforderungen an Gewichts- und Kosteneinsparung führen an die Grenzen des Potentials bekannter Bauweisen der Krafteinleitung in Faserverbundrohre mit im Wesentlichen rohrförmigen Körpern aus Faserverbundwerkstoffen.
Alle bisher bekannten Bauweisen für Faserverbundrohre sind entweder zu aufwändig und damit zu kostenintensiv in der Herstellung und/oder halten den Anforderungen bezüglich geringen Gewichtes, Korrosionsfreiheit und/oder mechanischer Beanspruchungen nicht stand. Bekannt ist auch, dass die hohen Herstellkosten der Krafteinleitungen bislang durch Fertigungsmethoden wie Zerspanung auf der metallischen Seite oder Harzinjektionsverfahren auf der duromeren Faserverbundseite begründet sind, die für die benötigte Ausbringmenge an Krafteinleitungen grundlegend ungünstig sind.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Faserverbundrohre mit rohrförmigen Körpern aus Faserverbundwerkstoffen sowie das Verfahren zu deren Herstellung derart weiterzubilden, dass die dem heutigen Stand der Technik entsprechenden Nachteile vermieden werden.
Es sollen Faserverbundrohre mit rohrförmigen Körpern aus Faserverbundwerkstoffen mit geringem Eigengewicht und hoher Korrosionsbeständigkeit auf Basis eines auch für die Großserienproduktion geeigneten Fertigungsverfahrens geschaffen werden, die insbesondere erhöhten mechanischen Beanspruchungen standhalten und durch das gewählte Fertigungsverfahren kostengünstig herzustellen sind.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Krafteinleitung formschlüssig über ein Einlegelement erfolgt. Das Einlegelement ist konturnah, entlang der Außenkontur des Einlegeelements von Faserverbundwerkstoff umgeben, wobei Fasern im konturnahen Bereich entlang der Außenkontur des Einlegeelements befindlichen Bereich in einem Winkel gemessen zur Rohrlängsachse zwischen 0° und +–40° ausgerichtet sind. Fasern die genau in Rohrlängsrichtung ausgerichtet sind weisen einen Winkel von 0° auf. Fasern im konturnahen Bereich weisen typischerweise einen Elastizitätsmodul in Faserrichtung von 60 GPa bis 600 GPa auf.
Als konturnaher Bereich gilt der an der Außenkontur des Einlegeelements angrenzende Bereich in einem Abstand von 0 bis 0,5 mm gemessen radial ab der Außenkontur des Einlegeelements.
Das Einlegelement ist konturfern ebenfalls von Faserverbundwerkstoff umgeben, wobei Fasern im konturfernen Bereich in einem Winkel gemessen zur Rohrlängsachse zwischen ±41° und ±89° ausgerichtet sind. Fasern im konturfernen Bereich weisen typischerweise einen Elastizitätsmodul in Faserrichtung von 200 GPa bis 700 GPa auf und eine Zugfestigkeit in Faserrichtung von 900 MPa bis 11.900 MPa.
Der konturferne Bereich beginnt dabei in ein einem Abstand von 0,5 mm gemessen radial ab der Außenkontur des Einlegeelements.
Die Ausrichtung der Fasern im konturnahen Bereich in Kombination mit der Ausrichtung der Fasern im konturfernen Bereich sowie die dickenmäßige Aufteilung der jeweiligen Bereiche in Kombination mit den jeweiligen Fasereigenschaften sind wesentlich für die effiziente Einleitung der Kräfte vom Faserverbundrohr in das formschlüssige Einlegeelement und daher wesentlicher Bestandteil der Erfindung.
Zahlreiche Berechnungen und vielfältige Versuche haben gezeigt, dass geringfügige Abweichungen von dem Erfindungsgemäßen Laminataufbau zu erheblichen Verschlechterungen der Kraftübertragung führen. Als Laminataufbau sind insbesondere die Fasereigenschaften sowie die Aufteilung in die konturnahen sowie in die konturfernen Bereiche von besonderer Bedeutung, als auch die in den Bereichen jeweils wesentlich vorherrschende Faserausrichtung.
Ausgehend von bereits bekannten Merkmalen wie Faserverbundrohre mit einem Einlegeelement zur formschlüssigen Krafteinleitung die konturnah und konturfern von Faserverbundwerkstoff umgeben sind sowie der aus der Literatur bekannten E-Modulen für Kohlenstofffasern und der aus DE 695 32 728 T2 bekannten Kupplung führt die in der Patentanmeldung beschriebene Aufteilung der radialen Bereiche mit der Zuordnung der jeweiligen Faserwinkeln und den E-Modulen der in den jeweiligen Bereichen einzusetzenden Fasern für den Fachmann zu dem verblüffendem Ergebnis, dass durch den Einsatz von Fasern mit niedrigerem E-Modul im konturnahen Bereich bei gleichzeitigem Einsatz von Fasern mit einem höheren E-Modul im konturfernen Bereich, bessere Auszugseigenschaften erreicht werden.
Ein Ziel der Erfindung ist, die Auszugseigenschaften in Zug- und in Druckrichtung Ausgehend von der Umhüllung des Einlegelementes mit einem Faserverbundwerkstoff dessen Elastizitätsmodul in Faserrichtung über die gesamte Wanddicke gleich ist, zu verbessern.
Naheliegend ist, die Umhüllung des Einlegelementes mit einem Faserverbundwerkstoff dahingehend zu verändern, dass zur Umhüllung des Einlegeelements ein Faserverbundwerkstoff mit im Vergleich zu bisherigen Konstruktionen erhöhtem Elastizitätsmodul des Faserverbundwerkstoffes in Faserrichtung einzusetzen. Für den Fachmann verblüffend ist, dass sich die Auszugseigenschaften in Zug- und in Druckrichtung dadurch verschlechtern.
Erst durch den erfindungsgemäßen Lagenaufbau und die Umhüllung des Einlegelements im konturnahen Bereich mit einem Faserverbundwerkstoff, dessen Elastizitätsmodul in Faserrichtung geringer ist als der Elastizitätsmodul des Faserverbundwerkstoffs im konturfernen Bereich, werden die mechanischen Eigenschaften, insbesondere die Auszugseigenschaften in Zug- und in Druckrichtung, widererwartend verbessert.
Verfahren zur Herstellung von Faserverbundrohren sind bekannt. Beispielsweise sind als Herstellungsverfahren das Faserspritzen, das Schleuderverfahren, das Pulltrusionsverfahren, das Flechtverfahren, das Harzinjektionsverfahren und das Faserwickelverfahren bekannt.
Erfindungsgemäß erfolgt die Herstellung der beschriebenen Krafteinleitung in Faserverbundrohre über ein formschlüssiges Einlegelement im Faserwickelverfahren.
Das Einlegeelement wird dabei auf einer Wickelvorrichtung fixiert und anschließend im Faserwickelverfahren zunächst im konturnahen Bereich im Wesentlichen mit Faserausrichtungen in einem Winkel gemessen zur Rohrlängsachse zwischen 0° und ±40° ausgerichtet abgelegt. In einem weiteren Fertigungsschritt werden Fasern im Faserwickelverfahren im konturfernen Bereich im Wesentlichen in einem Winkel gemessen zur Rohrlängsachse zwischen ±41° und ±89° ausgerichtet abgelegt.
Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand eines Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher beschrieben.
Es zeigt:
1 einen schematischen Schnitt des Faserverbundrohrs im Bereich des Einlegeelements (1), wobei das Einlegelement (1) erfindungsgemäß im konturnahen Bereich (2) von Faserverbundwerkstoff umgeben ist, bei dem Fasern im konturnahmen Bereich in einem Winkel gemessen zur Rohrlängsachse (3) zwischen 0° und ±40° ausgerichtet sind. Das Einlegelement (1) ist im konturfernen Bereich (4) ebenfalls von Faserverbundwerkstoff umgeben, wobei Fasern im konturfernen Bereich in einem Winkel gemessen zur Rohrlängsachse (3) zwischen ±41° und ±89° ausgerichtet sind. Der Konturferne Bereich (4) beginnt dabei in ein einem Abstand von 0,5 mm gemessen radial (5) ab der Außenkontur des Einlegeelements (7). Zur Anbindung des im Schnitt dargestellten Faserverbundrohrs ist beispielhaft ein Innengewinde (6) dargestellt.
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

EP 0841490 [0005]
DE 102006039565 [0005]
DE 10058609 [0005]
DE 10247003 [0005]
DE 69532728 T2 [0018]

Claims

Faserverbundrohr mit einem Einlegeelement zur formschlüssigen Krafteinleitung, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlegelement konturnah in einem Abstand von 0 mm bis 0,5 mm gemessen radial ab der Aussenkontur des Einlegeelements von Faserverbundwerkstoff umgeben, wobei Fasern im konturnahen Bereich in einem Winkel gemessen zur Rohrlängsachse zwischen 0° und +–40° ausgerichtet sind und Fasern im konturnahen Bereich einen Elastizitätsmodul in Faserrichtung von 60 GPa bis 600 GPa aufweisen und das Einlegelement konturfern ebenfalls von Faserverbundwerkstoff umgeben ist, wobei Fasern im konturfernen Bereich in einem Winkel gemessen zur Rohrlängsachse zwischen ±41° und ±89° ausgerichtet sind und der konturferne Bereich in einem Abstand von 0,5 mm gemessen radial ab der Aussenkontur des Einlegeelements beginnt und Fasern im konturfernen Bereich einen Elastizitätsmodul in Faserrichtung von 200 GPa bis 700 GPa aufweisen.
Faserverbundrohr mit einem Einlegeelement zur formschlüssigen Krafteinleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Fasern im konturfernen Bereich eine Zugfestigkeit in Faserrichtung von 900 MPa bis 11.900 MPa aufweisen.
Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundrohres mit einem Einlegeelement zur formschlüssigen Krafteinleitung gemäß den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlegelement im Faserwickelverfahren integriert wird indem das Einlegeelement auf einer Wickelvorrichtung fixiert und anschließend im Faserwickelverfahren zunächst im konturnahen Bereich mit Faserausrichtungen in einem Winkel gemessen zur Rohrlängsachse zwischen 0° und ±40° ausgerichtet abgelegt werden und in einem weiteren Fertigungsschritt Fasern im Faserwickelverfahren im konturfernen Bereich in einem Winkel gemessen zur Rohrlängsachse zwischen ±41° und ±89° ausgerichtet abgelegt werden.