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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Faserverbundbauteil umfassend ein Laminat aus mehreren flächig ausgedehnten, miteinander gestapelten Fasermateriallagen in einem ausgehärteten Matrixmaterial. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Faserverbundbauteils.
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Derartige Faserverbundbauteile sowie Herstellungsverfahren hierfür sind aus dem Stand der Technik wohlbekannt. Bei den Fasermateriallagen kann es sich z. B. um Gewebe, Gelege oder Geflechte des betreffenden Fasermaterials (z. B. Kohlenstofffasern, Glasfasern, Naturfasern etc.) handeln. Als Matrixmaterial wird oftmals ein duroplastischer Kunststoff (Harz) verwendet.
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Zur Herstellung des Laminats können die Fasermateriallagen beispielsweise „trocken“ aufeinandergestapelt, nachfolgend mit flüssigem bis zähflüssigem Matrixmaterial infiltriert und schließlich (z. B. thermisch) ausgehärtet werden. Alternativ oder zusätzlich zu trockenen Fasermateriallagen können auch bereits mit Matrixmaterial vorimprägnierte Fasermateriallagen zum Einsatz kommen („Prepreg-Technologie“).
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Durch den Verbund des Fasermaterials mit dem Matrixmaterial erhält der Faserverbundwerkstoff höherwertigere Eigenschaften als jede einzelne dieser beiden beteiligten Werkstoffkomponenten, so dass damit vorteilhaft Bauteile mit einer relativ hohen spezifischen Festigkeit gefertigt werden können.
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Ein Problem bei bekannten Faserverbundbauteilen dieser Art ist die in manchen Anwendungsfällen unzureichende Risszähigkeit der verwendeten Matrixmaterialien bzw. Infusionsharze, weshalb z. B. Schlagstöße erhebliche interlaminare Schädigungen im Faserverbund verursachen können. Die hierbei entstehenden „Delaminationen“ reduzieren die Beulsteifigkeit der Einzellagen und somit die Restfestigkeit des Bauteils. Die Restfestigkeit des Bauteils kann insbesondere deshalb deutlich reduziert sein, weil der Rissfortschritt an der Rissspitze im Bereich einer Delamination nur wenig gebremst wird.
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In der Praxis besonders gefährdete Bauteilgeometrien sind hierbei unter anderem z. B. durch Profile versteifte Panele. Beispielsweise können Risse, die in einem Wurzelbereich von Versteifungsprofilen (z. B. T- oder Ω-Stringer einer Rumpfschale eines Fahrzeuges, insbesondere Luftfahrzeuges) eingebracht wurden, durch entsprechend aufgebrachte mechanische Lasten rasch aufgeweitet werden, wodurch insbesondere weitere interlaminare Belastungen in der so genannten Mode I (Beanspruchungen die ein Öffnen der Rissflanken bewirken) resultieren können. Eine weitere besonders gefährdete Geometrie ist der (offene) Rand bzw. die Kante eines Faserverbundlaminats.
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In vielen Anwendungsgebieten sind als Matrixmaterialien bzw. Infusionsharze gegenwärtig Epoxidharzsysteme (wie z. B. „Hexcel RTM6“ oder ähnliche) bevorzugt. Insbesondere diese Harzsysteme zeigen nachteiligerweise relativ geringe interlaminare Risszähigkeiten, weshalb sich bei damit gefertigten Faserverbundbauteilen ein schnell anwachsendes Risswachstum bis hin zum abrupten Gesamtversagen des Faserverbundes einstellen kann.
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Im Stand der Technik wurden bereits verschiedene Ansätze zur Milderung dieser Problematik versucht. Beispielsweise kann mit textilen Techniken wie z. B. „Z-Stitching“ die interlaminare Risszähigkeit verbessert werden. Zumeist reduziert dies jedoch die mechanischen Kennwerte in Faserlängsrichtung durch Faserondulationen. Ein anderer Ansatz besteht darin, die Harzzähigkeit z. B. durch Zugabe von Partikeln zu modifizieren. Dies kann jedoch die Infusionsfähigkeit des verwendeten Harzsystems stark reduzieren, was wiederum den Infusionsprozess nachteilig beeinträchtigt. Schließlich wurde bereits versucht, im Laminat jeweils zwischen einander benachbarten Fasermateriallagen angeordnete Bindermateriallagen (z. B. thermoplastische Folien) einzubringen und durch (z. B. thermische) „Aktivierung“ an die benachbarten Fasermateriallagen anzubinden, um so die Gefahr einer Delamination zu reduzieren. In der Tat kann durch eine derartige Verklebung der Faserlagen in Normalenrichtung die Risszähigkeit sowohl in Mode I (Beanspruchungen, die ein Öffnen der Rissflanken bewirken) als auch in Mode II (Beanspruchungen, die eine entgegengesetzte Verschiebung der Rissflanken hervorrufen) deutlich verbessert werden. Dies gilt jedoch insbesondere bei Einsatz von thermoplastischen Binderlagen nicht für erhöhte Temperaturen, wie sie jedoch in vielen Anwendungssituationen auftreten können. Vielmehr kommt es bei erhöhten Temperaturen oftmals zu einer deutlichen Steifigkeitseinbuße, weshalb sich die interlaminare Festigkeit/Steifigkeit eines durch die bekannten Bindermateriallagen modifizierten Faserverbundes in der Praxis ebenso reduzieren kann.
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Die
DE 29 713 779 U1 beschreibt ein mehrschichtiges Formteil mit akustischen Dämpfungseigenschaften, bestehend aus einem bindemittelhaltigen Trägervlies aus Natur- und/oder Kunstfasern geringer Verpressung, das beiseitig mit Deck- und/oder Dekorschichten abgedeckt ist.
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Die
GB 2 152 431 A beschreibt eine laminierte Platte bestehend aus einem Trägerrahmen aus faserverstärktem, anorganischem Bindemittel, um einen rechteckigen Raum zu definieren, der mit einer numerischen Faser gefüllt ist, die mit einer teilweise verklebten Mineralwollefaser gefüllt ist.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einem Faserverbundbauteil der eingangs genannten Art eine Verbesserung der Risszähigkeit bzw. eine Erhöhung der Schadenstoleranz zu erzielen, wobei diese Verbesserung insbesondere auch in Verwendungssituationen mit erhöhter Temperatur wirksam sein soll.
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Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe bei dem Faserverbundbauteil durch flächig ausgedehnte Bindermateriallagen gelöst, die jeweils aus einem thermoplastischen Kunststoff gebildet sind und im Laminat jeweils zwischen einander benachbarten Fasermateriallagen angeordnet und durch eine lokale Aktivierung der Bindermateriallagen im Laminat jeweils nicht vollflächig, sondern nur in vorbestimmten Bereichen an den im Laminat benachbarten Fasermateriallagen angebunden sind.
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Die Grundidee der Erfindung basiert auf der an sich bereits bekannten Erkenntnis, dass die Risszähigkeit durch Einbringung von zähen, durch Aktivierung an die benachbarten Fasermateriallagen angebundene Bindermateriallagen verbessert werden kann. Um hierbei jedoch die zumeist deutliche Steifigkeitseinbuße z. B. bei erhöhten Temperaturen zu vermeiden, sind erfindungsgemäß auch nicht aktivierte bzw. somit nicht direkt an die benachbarten Fasermateriallagen angebundene Bereiche der Bindermateriallagen vorhanden. Als besonders vorteilhaft hat sich hierbei herausgestellt, dass auch solche nicht-angebundenen Bereiche der Bindermateriallagen in synergistischer Weise zur Erzielung einer erhöhten Schadenstoleranz beitragen können, nämlich aufgrund deren Wirkung zur Rissumlenkung. Somit ist der erfindungsgemäß „uneinheitlich modifizierte“ Faserverbund, nämlich durch Bindermateriallagen, die einerseits (in vorbestimmten Bereichen) an den benachbarten Fasermateriallagen angebunden sind, und andererseits (in den übrigen Bereichen) nicht angebunden sind, ein Werkstoff mit verbesserter Risszähigkeit und erhöhter Schadenstoleranz. Die Anbindung der benachbarten Fasermateriallagen erfolgt durch Eindringen des Bindermaterials in den Faseraufbau, wodurch sich die benachbarten Fasermateriallagen beispielweise miteinander verzahnen. Im Vergleich zu vollflächig angebundenen Bindermateriallagen kommt es zu keinem gravierenden Kennwertabfall bei erhöhten Temperaturen.
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Durch die Erfindung wird eine verbesserte interlaminare Risszähigkeit geschaffen, die im Wesentlichen mit einer sogenannten Z-Verstärkung vergleichbar ist, ohne jedoch deren Nachteile beispielsweise reduzierte mechanische Kennwerte in Faserlängsrichtung aufzuweisen. Die erfindungsgemäßen Faserverbundbauteile zeigen eine Festigkeitserhöhung in Normalenrichtung zur Laminatebene.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Bindermateriallagen, die z. B. das gleiche Format wie die jeweils benachbarten Fasermateriallagen besitzen können, jeweils als textiles Material (z. B. Gewebe oder Vlies) in das Laminat eingebracht werden. Alternativ kann die Bindermateriallage auch z. B. als Folie eingebracht werden. Schließlich kommt auch in Betracht, das Bindermaterial als Pulver zwischen die betreffenden Fasermateriallagen einzubringen.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Schmelztemperatur eines für die Bindermateriallagen verwendeten Bindermaterials mindestens so groß wie die Geltemperatur eines zum Infiltrieren des Fasermateriallagenstapels verwendeten Harzsystems (z. B. Epoxidharzsystem) ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Bindermateriallagen jeweils aus einem Kunststoff auf Basis von Polyamid, gebildet.
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Es hat sich herausgestellt, dass die Morphologie von thermoplastischen Phasen in den durch die Bindermateriallagen geschaffenen Zwischenschichten insbesondere z. B. bei kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) einen großen Einfluss auf die mechanischen Kennwerte des Laminats zeigt. Lokale thermoplastische Phasen ohne Anbindung an die benachbarten Kohlenstofffaserlagen reduzieren durch Rissumlenkung die Schadensausbreitung. Demgegenüber wirken aktivierte, d. h. an die benachbarten Faserlagen angebundene thermoplastische Phasen vorteilhaft für eine Verbesserung der Risszähigkeit, insbesondere in Mode I. Durch die erfindungsgemäß vorgesehene lediglich stellenweise Aktivierung des Bindersystems wird eine gravierende Leistungseinbuße z. B. bei erhöhten Temperaturen vermieden. Das erfindungsgemäße lokale Aktivieren, d. h. Anbinden der Bindermateriallagen an das Fasermaterial stellt somit einen zielführenden Kompromiss dar.
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Bei jeder praktischen Verwendung eines Faserverbundbauteils ergeben sich in der Regel unterschiedlich stark gefährdete Bereiche, was die Entstehung und Ausbreitung von Rissen anbelangt. Diesem Umstand kann im Rahmen der Erfindung vorteilhaft dadurch Rechnung getragen werden, dass die vorbestimmten Bereiche, an denen die Bindermateriallagen aktiviert sind, in Anpassung an die für das jeweilige Bauteil bzw. die jeweilige Verwendung „kritischen Bereiche“ gewählt werden.
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Ein derartiger kritischer Bereich ist z. B. der Wurzelbereich eines Versteifungsprofils an einem flächig ausgedehnten Platten- bzw. Schalenbauteil.
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Innerhalb derartiger kritischer Bereiche ist die erfindungsgemäß uneinheitliche Modifizierung des Laminats zumeist besonders vorteilhaft. Bevorzugt definiert der kritische Bereich hierbei nicht einen (einzigen) vorbestimmten Bereich im Sinne der Erfindung (also zur Aktivierung bzw. Anbindung der Bindermateriallagen), sondern einen Bereich, innerhalb dessen sich eine Mehrzahl von jeweils zusammenhängenden vorbestimmten Bereichen (mit Aktivierung) und eine Mehrzahl von übrigen Bereichen (ohne Aktivierung) befinden.
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Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass bei (wenigstens) einer der im Faserverbundbauteil befindlichen Bindermateriallagen weniger als 60% oder weniger als 40% oder weniger als 20% der Lagenfläche aktiviert ist.
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Auch kann vorgesehen sein, dass bei (wenigstens) einer der im Faserverbundbauteil befindlichen Bindermateriallagen weniger als 60% oder weniger als 40% oder weniger als 20% der Lagenfläche nicht aktiviert ist.
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Für die konkrete Anordnung (Größe, Anzahl, Form etc.) der vorbestimmten Bereiche gibt es vielfältige Möglichkeiten.
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In einer Ausführungsform ist beispielsweise vorgesehen, dass die vorbestimmten Bereiche linienförmige Bereiche umfassen. Der Begriff „linienförmig“ soll hierbei zum Ausdruck bringen, dass der aktivierte Bereich der betreffenden Bindermateriallage eine ausgeprägt langgestreckte Form besitzt, also in der Praxis die Form eines relativ schmalen Streifens besitzt. Die Breite des z. B. geradlinig, im Zickzack oder gewellt verlaufenden Streifens kann insbesondere z. B. um mehr als einen Faktor 10, insbesondere mehr als einen Faktor 100, kleiner als die Länge des Streifens und/oder als die größte laterale Erstreckung der betreffenden Bindermateriallage sein.
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Ein lokales Aktivieren des Bindermaterials in linienförmigen Bereichen, z. B. nahe des so genannten Zwickelbereichs eines T-Profil-förmigen Verstärkungsteils an einem platten- bzw. panelartigen Bauteil, oder auch parallel zu einer offenen Kante eines panel- bzw. plattenförmigen Bauteils, kann zur Schaffung von Rissstopperlinien bei Belastungen an einem bereits geschädigten Faserverbund in den genannten Bereichen dienen. Durch derartige Rissstopperlinien kann somit vorteilhaft ein Rissfortschritt gehemmt und die Restfestigkeit erhöht werden.
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In einer Ausführungsform umfassen die vorbestimmten Bereiche punktuelle Bereiche. Der Begriff „punktuell“ soll hierbei bedeuten, dass die aktivierten Bereiche relativ kleine „Flecken“, z. B. etwa kreisrunde Flecken darstellen, deren maximale laterale Ausdehnung (z. B. Durchmesser) wesentlich kleiner (z. B. um mehr als einen Faktor 10, insbesondere mehr als einen Faktor 100) als die maximale laterale Erstreckung der betreffenden Bindermateriallage ist.
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In einer Ausführungsform ist das Faserverbundbauteil aus mehreren Bauteilkomponenten gebildet, die insbesondere gemäß eines so genannten „Co-Curing“-Verfahrens während der Herstellung des Faserverbundbauteils fest miteinander verbunden wurden. Die erwähnte, erfindungsgemäß uneinheitliche Modifizierung des Laminats kann insbesondere in demjenigen Bereich vorgesehen sein, in welchem zwei solche miteinander zu verbindende Bauteilkomponenten aufeinandertreffen (Anbindungsbereich). Die erfindungsgemäße Modifizierung kann hierbei für eine oder beide der miteinander verbundenen Bauteilkomponenten vorgesehen sein.
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Insbesondere kann es sich bei den Bauteilkomponenten um eine plattenartige Struktur (z. B. Rumpfschale eines Fahrzeuges, insbesondere Luftfahrzeuges) und um daran angebundene Versteifungsprofile (z. B. Stringer und/oder Spanten bei einer Rumpfschale) handeln. Die erfindungsgemäß uneinheitlich modifizierte Faserverbundstruktur, mit aktivierten und mit nicht aktivierten Bereichen von flächig ausgedehnten Bindermateriallagen, kann hierbei insbesondere im Laminat der plattenartigen Bauteilkomponente an denjenigen (kritischen) Stellen vorgesehen sein, an denen die Verstärkungs- bzw. Versteifungsprofile angebunden sind. Alternativ oder zusätzlich kann auch das Laminat der Versteifungsprofile, insbesondere deren Fußbereich, in der erläuterten Weise modifiziert sein.
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Gemäß eines weiteren Aspekts der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils vorgesehen, umfassend
- - Stapeln mehrerer flächig ausgedehnter Fasermateriallagen,
- - Aushärten von Matrixmaterial, mit welchem die Fasermateriallagen infiltriert sind.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens kann es auch vorgesehen sein, den Stapel nach dem Stapeln mit aushärtbarem Matrixmaterial zu infiltrieren. Das Infiltrieren des Stapels erübrigt sich, wenn bzw. soweit die verwendeten Fasermateriallagen bereits mit Matrixmaterial vorimprägniert sind.
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Erfindungsgemäß ist hierbei vorgesehen, dass beim Stapeln flächig ausgedehnte Bindermateriallagen, die jeweils aus einem thermoplastischen Kunststoff gebildet sind, jeweils zwischen einander benachbarten Fasermateriallagen angeordnet werden, und dass die Bindermateriallagen durch eine lokale Aktivierung der Bindermateriallagen im Stapel jeweils nicht vollflächig sondern nur in vorbestimmten Bereichen an den im Stapel benachbarten Fasermateriallagen angebunden werden, bevor das (z. B. thermische) Aushärten des Harzmaterials erfolgt.
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Gemäß einer Ausführungsform erfolgt das Anbinden in den vorbestimmten Bereichen durch lokales Aufschmelzen der Bindermateriallagen. Dies kann insbesondere durch Ultraschall, Induktionswärme und/oder Wärmekonvektion bewerkstelligt werden. Zu diesem Zweck kann ein geeigneter "Aktivierungskopf'' wie z. B. Ultraschallkopf, Induktionsspulenkopf oder Heizkopf verwendet werden, um das Laminat noch vor dessen Infiltration bzw. Aushärtung in gewünschter Weise lokal zu aktivieren. Die Aktivierung einer bestimmten Bindermateriallage kann z. B. während des Stapelschrittes erfolgen, nachdem diese Bindermateriallage mit einer daran aufgestapelten Fasermateriallage überdeckt wurde. Alternativ kann die Aktivierung z. B. „paketweise“ dergestalt erfolgen, dass eine Mehrzahl von (alternierend mit Fasermateriallagen) bereits gestapelten Bindermateriallagen gleichzeitig in dem bzw. den vorbestimmten Bereichen aktiviert werden.
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Hinsichtlich weiterer speziellerer Ausführungsformen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens sei auf die vorangegangene Beschreibung von Ausführungsformen und besonderen Ausgestaltungen des Faserverbundbauteils verwiesen. Diese für das fertige Faserverbundbauteil erläuterten Ausführungsformen bzw. Ausgestaltungen können, einzeln oder in beliebigen Kombinationen, in analoger Weise auch für das Verfahren zur Herstellung eines solchen Faserverbundbauteils vorgesehen werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben. Es stellen jeweils schematisch dar:
- 1 eine Querschnittsansicht einer Faserverbundschale im Bereich der Anbindung eines T-profilförmigen Stringers,
- 2 die Rumpfschale/Stringer-Anordnung von 1, dargstellt in einer besonderen Belastungssituation,
- 3 eine Querschnittsansicht einer Faserverbundschale im Bereich einer offenen Kante (lateraler Rand der Schale),
- 4 das Faserverbundbauteil von 3 in einer besonderen Belastungssituation,
- 5 eine Draufsicht einer Bindermateriallage zur Veranschaulichung von linienförmig aktivierten Bereichen derselben, und
- 6 eine Ansicht entsprechend 5, jedoch mit punktuell aktivierten Bereichen.
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1 veranschaulicht ein Faserverbundbauteil 10, welches aus einer plattenartigen ersten Bauteilkomponente 12 und einer Mehrzahl von T-profilförmigen zweiten Bauteilkomponenten 14 gebildet ist.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der ersten Bauteilkomponente 12 um eine im Flugzeugbau vorgesehene Rumpfschale und bei der zweiten Bauteilkomponente 14 um einen daran gemäß eines so genannten Co-Curing-Verfahrens in an sich bekannter Weise angebundenen Stringer. Vor diesem Hintergrund seien die beiden Bauteilkomponenten nachfolgend als Rumpfschale 12 bzw. Stringer 14 bezeichnet.
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Innerhalb des in 1 dargestellten Bereiches des Faserverbundbauteils 10 befindet sich lediglich ein Stringer 14. Tatsächlich sind an der Rumpfschale 12 in vorbestimmten Abständen und parallel zueinander mehrere Stringer wie der dargestellte Stringer 14 angebunden.
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Sowohl die Rumpfschale 12 als auch der Stringer 14 sind jeweils als ein Laminat aus mehreren flächig ausgedehnten, miteinander gestapelten Fasermateriallagen 16 in einem ausgehärteten Matrixmaterial gebildet. Im dargestellten Beispiel handelt es sich um CFK-Laminate, d. h. miteinander gestapelte Kohlenstofffasermateriallagen, die im ausgehärteten Matrixmaterial (hier z. B. ein Epoxidharzsystem) eingebettet sind.
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Die durchgehenden Linien innerhalb der in 1 dargestellten Rumpfschale 12 bzw. innerhalb des in 1 dargestellten Stringers 14 symbolisieren den Verlauf der einzelnen Fasermateriallagen 16, wobei die Darstellung in 1 insofern stark vereinfacht ist, als die Dicke der einzelnen Fasermateriallagen 16 in Bezug auf deren gegenseitigen Abstand nicht maßstäblich eingezeichnet ist, um in der Darstellung die Zwischenräume zwischen den Fasermateriallagen 16 hervorzuheben.
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Eine Besonderheit des Faserverbundbauteils 10 besteht darin, dass in diesen Zwischenräumen jeweils Bindermateriallagen 20 angeordnet sind, die jeweils von einem Polyamidvlies gebildet sind und jeweils nicht vollflächig sondern nur in vorbestimmten Bereichen, in 1 durch die punktierten Linien 22 symbolisiert, aktiviert, d. h. an den jeweils benachbarten Fasermateriallagen 16 angebunden sind.
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Im dargestellten Beispiel erstrecken sich die vorbestimmten Bereiche 22 jeweils linienförmig in der Ebene der betreffenden Bindermateriallage 20 parallel zur Längserstreckung des Stringers 14 (d. h. in 1 orthogonal zur Zeichenebene).
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Bei der in 1 dargestellten Rumpfschale 12 erkennt man somit für jede der Bindermateriallagen 20 jeweils 8 linienförmige vorbestimmte Bereiche 22, die hier von Lage zu Lage deckungsgleich und etwa äquidistant und parallel zueinander (orthogonal zur Zeichenebene) verlaufen. Nur in diesen vorbestimmten Bereichen 22 einer jeder Bindermateriallage ist das Bindermaterial (Polyamid) an den benachbarten Fasermateriallagen 16 angebunden. Zwischen den vorbestimmten Bereichen 22 einer Bindermateriallage 20 ist das Bindermaterial hingegen nicht aktiviert, also nicht direkt an den benachbarten Fasermateriallagen 16 angebunden, sondern wie das Fasermaterial im betreffenden Matrixmaterial (hier z. B. ein Epoxidharzsystem) eingebettet.
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Abweichend von diesem Ausführungsbeispiel könnte die Anordnung bzw. der Verlauf der vorbestimmten Bereiche 22 von Lage zu Lage auch variieren.
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Auch der in 1 dargestellte Stringer 14 weist jeweils zwischen einander benachbarten Fasermateriallagen 16 zwischengefügte Bindermateriallagen 20 auf, die nur in vorbestimmten Bereichen 22 an den benachbarten Fasermateriallagen 16 angebunden sind.
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Durch diese Gestaltung der Laminate im Faserverbundbauteil 10 ergibt sich eine vorteilhaft erhöhte Schadenstoleranz auch bei erhöhten Temperaturen. Wenn beispielsweise durch Schlagstöße (vgl. Pfeil in 1) verursachte Schädigungen (Risse) in den Zwischenlagen entstanden sind, wie dies in 1 durch gestrichelte Linien beispielhaft eingezeichnet ist, so kann durch die besondere Gestaltung der Bindermateriallagen 20 (mit nur stellenweiser Aktivierung) vorteilhaft ein Rissfortschritt gehemmt und somit die Restfestigkeit erhöht werden. Dies ist beispielhaft in 2 verdeutlicht.
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2 veranschaulicht eine spezielle Belastungsart (vgl. Pfeile in 2) und die damit zu erwartende Vergrößerung der Risse, symbolisiert durch die in 2 gestrichelten Doppelpfeile.
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Die vorbestimmten, hier linienförmig verlaufenden Bereiche 22 bilden „Rissstopperlinien“, welche den Rissfortschritt hemmen.
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Bei dem Beispiel gemäß der 1 und 2 handelt es sich um ein Faserverbundbauteil 10, welches aus mehreren Bauteilkomponenten (Rumpfschale 12 und mehrere Stringer 14) zusammengesetzt ist, wobei die erfindungsgemäß „uneinheitlich modifizierten“ Laminatstrukturen (einerseits mit aktivierten und andererseits mit nicht aktivierten Bereichen der Bindermateriallagen) hier entsprechend der zu erwarten Bauteilbelastung angepasst sind. Jeder Bereich der Rumpfschale 12, in welchem ein Stringer 14 angebunden ist, wie auch jeder Fußbereich der Stringer 14, stellt gewissermaßen einen „kritischen Bereich“ dar, in welchem in der Praxis die Gefahr der Entstehung und Ausbreitung von Rissen besonders groß ist.
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Ein in der Praxis anderer kritischer Bereich ist z. B. der Rand eines Faserverbundlaminates. Die Anwendung der Erfindung für einen derartigen Bereich ist mit den 3 und 4 veranschaulicht.
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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 vorangegangener Ausführungsbeispiele verwiesen.
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3 zeigt ein Faserverbundbauteil 10a, bestehend aus einer plattenartigen Bauteilkomponente 12a, die als ein Laminat aus flächig ausgedehnten, miteinander gestapelten Fasermateriallagen 16a in einem ausgehärteten Matrixmaterial (z. B. Epoxidharzsystem) gebildet ist.
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Zwischen einander benachbarten Fasermateriallagen 16a sind wieder Bindermateriallagen 20a angeordnet und teilweise an den benachbarten Fasermateriallagen 16 angebunden (in den Bereichen 22a), und teilweise nicht an den benachbarten Fasermateriallagen 16a angebunden (in den Bereichen zwischen den Bereichen 22a).
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In 3 ist eine durch Stöße (vgl. Pfeile in 3) entstandene Rissschädigung wieder durch gestrichelte Linien symbolisiert.
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In 4 ist wieder für bestimmte Belastungen (vgl. Pfeile) der zu erwartende Rissfortschritt durch gestrichelte Pfeile eingezeichnet. Die spezielle Gestaltung des Laminats 12a mit den vorbestimmten Bereichen 22a wirkt hemmend, was den Rissfortschritt anbelangt.
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Die 5 und 6 veranschaulichen nochmals beispielhaft die gemäß der Erfindung nur stellenweise vorgesehene Aktivierung einer Bindermateriallage 20b bzw. 20c.
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Bei der in 5 gezeigten Bindermateriallage 20b sind linienförmige Bereiche 22b vorgesehen, die sich parallel und mit Abstand zueinander erstrecken. In diesen Bereichen 22b ist das Bindermaterial, z. B. durch eine thermische Aktivierung beim oder nach dem Stapeln, mit benachbarten, in 5 nicht dargestellten Fasermateriallagen verbunden („verklebt“).
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Bei der in 6 gezeigten Bindermateriallage 20c sind punktuelle Bereiche 22c als die vorbestimmten Bereiche für eine Anbindung an die benachbarten Fasermateriallagen vorgesehen.
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Die uneinheitliche Gestaltung einer Laminat-Zwischenlage (Bindermateriallage 20b bzw. 20c) ist insbesondere in hinsichtlich der späteren mechanischen Belastungen des betreffenden Faserverbundbauteils kritischen Bereichen interessant. Die Gestaltung kann daher insbesondere, wie bereits für das Beispiel gemäß 1 und 2 erläutert, entlang eines Wurzelbereiches eines Verstärkungsprofils vorgesehen sein, welches gemäß eines Co-Curing-Verfahrens an einer weiteren Bauteilkomponente angebunden wird.
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Die gestrichelten Linien in den 5 und 6 symbolisieren beispielhaft die lateralen Begrenzungen eines derartigen Wurzelbereiches eines (nicht dargestellten) Verstärkungs- bzw. Versteifungsprofils.
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Die in den 5 und 6 eingezeichneten vorbestimmten Bereiche 22b bzw. 22c sind lediglich beispielhaft zu verstehen. In der Praxis kann die Anzahl, gegenseitige Anordnung und jeweilige Formgestaltung der einzelnen Bereiche den Erfordernissen im konkreten Anwendungsfall angepasst werden. Wesentlich ist lediglich, dass wenigstens eine, insbesondere ein Großteil oder sämtliche der im betreffenden Laminat eingebrachten Bindermateriallagen jeweils weder vollständig (vollflächig) aktiviert sind noch vollständig nicht-aktiviert sind.
