DE102013018970B3

DE102013018970B3 - Faserverbundrohr

Info

Publication number: DE102013018970B3
Application number: DE102013018970.5A
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Individual
Current assignee: Albany Engineered Composites Inc
Priority date: 2013-11-14
Filing date: 2013-11-14
Publication date: 2015-02-19
Anticipated expiration: 2033-11-15

Abstract

Bei der Verwendung von Faserverbundrohren als Zug-Druckstange besteht das grundsätzliche Problem, besonders leichte, robuste, korrosionsfreie, in der Länge einstellbare und kostengünstige Produkte herzustellen. Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass ein Faserverbundrohr welches insgesamt nicht metallisch ausgeführt ist, aus einem dünnwandigen und leichten verlorenen Kern besteht, bei dem das Mittelsegment des verlorenen Kerns aus Faserverbundwerkstoff besteht und im Innendurchmesser größer ist als die Krafteinleitungselemente, so dass sich das Faserverbundrohr an den Enden zur Rohrmittelachse hin verjüngt und die Krafteinleitungssegmente zur Kraftübertragung formschlüssig von der Hülle aus Faserverbundwerkstoff umgeben sind. Derartige Faserverbundrohre dienen insbesondere zur Führung und mechanischen Lagerung bzw. zur Abstützung, zur Verstrebung oder zur Verbindung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Faserverbundrohr welches beispielsweise zur Führung und mechanischen Lagerung bzw. zur Abstützung, zur Verstrebung oder zur Verbindung von Strukturen eingesetzt wird.
Derartige Faserverbundrohre werden beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt angewendet wobei es bei diesen Anwendungen neben der wirtschaftlichen und prozesssicheren Herstellbarkeit auch um minimales Gewicht geht. Faserverbundrohre dieser Art umfassen im Allgemeinen einen im Wesentlichen rohrförmigen Körper, an dessen Enden sich jeweils Krafteinleitungselemente zur Montage des Faserverbundrohres befinden.
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 meist stoffschlüssig durch Verklebung mit dem rohrförmigen Körper aus Faserverbundwerkstoff verbunden und teilweise formschlüssig mit dem rohrförmigen Körper 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. Dabei sind Bauweisen vorteilhaft, bei welchen ein komplett metallfreies Faserverbundrohres mit geringem Gewicht, mit Kontaktkorrosionsfreiheit, mit formschlüssiger Krafteinleitung, mit hoher Robustheit, mit einer Fertigbarkeit in stabilen und bewährten Fertigungsverfahren und mit einer in Grenzen stufenlos einstellbaren Bauteillängen herstellbar ist. Dazu kommt die kostengüntige Herstellbarkeit des Faserverbundrohres.
Ansatzweise Lösungen dazu zeigen verschiedene Patente bzw. Patentanmeldungen. DE 20 2011 101 433 U1 beispielsweise beschreibt einen Schalldämpfer, bei dem ein zylindrisches, innendruckbelastetes Bauteil mit Krafteinleitungselementen versehen ist, DE 39 10 641 A1 eine Stabilisatoranordnung für Fahrzeuge und Herstellungsverfahren, bei dem Krafteinleitungselemente angeformt werden sowie DE 10 2010 049 563 A1 , Verfahren zum Herstellen einer Drehstabfeder, bei dem ein mit thermoplastischen Matrixwerkstoff vorimprägnierter rohrförmiger Querschnitt hergestellt wird. Ansatzweise Lösungen dazu zeigen auch Patente bzw. Patentanmeldungen. wie z. Bsp. EP 0 841 490 B1 , DE 10 2006 039 565 A1 , DE 100 58 609 A1 , DE 102 47 003 A1 . 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.
Auch sind Faserverbundrohre mit sich an den Enden verjüngenden Faserverbundkonturen bekannt. Diese weisen entweder metallische Enden auf oder sie beinhalten dickwandige verlorene Schaumkernen oder sie verfügen über expandierbare verlorene oder auch herausnehmbare Innenkerne wie beispielsweise Kunststoff- oder Silikonschläuche.
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 derart weiterzubilden, dass die dem heutigen Stand der Technik entsprechenden Nachteile vermieden werden.
Faserverbundrohren die neben Zuglasten auch hohe Drucklasten ertragen sollen führen zu besonderen Herausforderungen in der Konstruktion.
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. Zudem sollen die Faserverbundrohre so ausgeführt sein, dass diese in der späteren Anwendung auch in der Länge stufenlos einstellbar sind.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass ein Faserverbundrohr welches insgesamt nicht metallisch ausgeführt ist, aus einem dünnwandigen und leichten verlorenen Kern besteht, bei dem das Mittelsegment des verlorenen Kerns aus Faserverbundwerkstoff besteht und im Innendurchmesser größer ist als die Krafteinleitungselemente, so dass sich das Faserverbundrohr an den Enden zur Rohrmittelachse hin verjüngt und die Krafteinleitungssegmente zur Kraftübertragung formschlüssig von der Hülle aus Faserverbundwerkstoff umgeben sind.
Das Mittelsegment des verlorenen Kerns ist nicht metallisch und dünnwandig ausgeführt. Die Übergangssegmente zwischen Mittelsegment und den Krafteinleitungssegmenten sind ebenfalls nicht metallisch, leicht und kostengünstig herstellbar ausgeführt. Die Krafteinleitungssegmente sind ebenfalls leicht und kostengünstig herstellbar ausgeführt.
Der verlorene Kern ist von einer Hülle aus Faserverbundwerkstoff umgeben wobei der Faserverbundwerkstoff kontinuierliche Faserverstärkung enthält, bei der mindestens 30% der Fasern in einem Winkel gemessen zur Faserverbundrohrlängsachse zwischen 0° und ±40° ausgerichtet sind.
Durch die besondere Kombination der erfindungsgemäßen Merkmale lässt sich ein besonders leichtes Faserverbundrohr zur Übertagung von Zug- als auch Druckkräften effizient herstellen. Ein Fachmann sieht den Einsatz eines verlorenen Kerns in einer derartigen Bauweise als unnötiges Zusatzgewicht, welches dem gewählten Fertigungsverfahren geschuldet ist und entwickelt Bauweisen mit herausnehmbaren verlorenen Kernen oder folienartigen verlorenen Kernen. Für den Fachmann erstaunlich ist, dass durch erfindungsgemäße Kombination von Bauweise unter Einsatz eines relativ schweren verlorenen Kerns ein im Vergleich zu bekannten Bauweisen besonderes leichtes Faserverbundrohr entsteht. Bei der erfindungsgemäßen Bauweise ergibt sich eine besonders effiziente Ausnutzung des Faserverbundwerkstoffes insb. im Bereich des Übergangs von Krafteinleitung zur Rohrmitte und im Bereich der Rohrmitte, da hier das Mittelsegment des verlorenen Kerns entgegen der einhelligen Meinung unter Fachleuten, einen sehr effizienten Beitrag zur Kraftübertagung leistet. Eine Verbesserung der Effizienz kann je nach Länge- zu Durchmesserverhältnis bzw. Kraftverhältnissen durch Bombieren der Außenkontur des Mittelsegmentes oder Einbringung von Spanten erreicht werden.
Das Einbringen der Spanten verbessert dabei insbesondere das Beulverhalten der Struktur.
Zahlreiche Berechnungen und vielfältige Versuche haben gezeigt, dass geringfügige Abweichungen von dem erfindungsgemäßen Aufbau zu erheblichen Verschlechterungen der Kraftübertragung führen.
Ausgehend von bereits bekannten Merkmalen wie Faserverbundrohre mit einem Einlegeelement zur formschlüssigen Krafteinleitung führt die in der Patentanmeldung beschriebene Bauweise für den Fachmann zu dem verblüffendem Ergebnis, dass durch den Einsatz eines derart ausgebildetem verlorenem Kern besonders leichte und kostengünstige Faserverbundrohre zur Übertragung von Zugkräften in Kombination mit hohen Druckkräften herstellbar sind.
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.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Bauweise lässt sich die Herstellung des beschriebenen Faserverbundrohre besonders Vorteilhaft im Faserwickelverfahren durchführen. Vorteile der Anwendbarkeit dieses Verfahrens liegen in den geringen Fertigungskosten, der hohen Reproduzierbarkeit, der Automatisierbarkeit und der Prozesssicherheit. Vorteilhaft ist zudem, dass sich das Mittelsegment des verlorenen Kerns beispielsweise auch ein dem bei hohen Stückzahlen besonders kostengünstigen Pulltrusionsverfahren herstellen lässt.
Die erfindungsgemäße Bauweise ermöglicht somit erstmalig die Herstellung eines in Kombination komplett metallfreien Faserverbundrohres mit geringem Gewicht, mit Kontaktkorrosionsfreiheit, mit einer formschlüssigen Krafteinleitung, mit einer hohen Robustheit, mit einer Fertigbarkeit im stabilen und bewährten Faserwickelverfahren, mit hoher Bauteilqualität, mit geringen Bauteilkosten, mit stufenlos einstellbaren Bauteillängen durch die Möglichkeit des Einsatzes eines Innengewindes an den Krafteinleitungselementen und der entsprechenden Kraftübertagung über ein Gewinde, mit einem Mittelsegment des verlorenen Kerns das beispielsweise auch in Pulltrusionsverfahren herstellbar ist.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher beschrieben.
Es zeigt:
1 einen schematischen Schnitt des Faserverbundrohrs wobei der verlorene Kern aus einem Mittelsegment (2), welches aus Faserverbundwerkstoff besteht, sowie aus zwei Übergangssegmenten (3) und zwei Krafteinleitungssegmenten (4) besteht. Der verlorene Kern ist von einer Hülle aus Faserverbundwerkstoff (1) umgeben. Die Krafteinleitungssegmenten (4) sind formschlüssig von der Hülle aus Faserverbundwerkstoff (1) umgeben.
2 einen schematischen Schnitt des Faserverbundrohrs wobei der verlorene Kern aus einem Mittelsegment (2), welches aus Faserverbundwerkstoff besteht, sowie aus zwei Übergangssegmenten (3) und zwei Krafteinleitungssegmenten (4) besteht. Der verlorene Kern ist von einer Hülle aus Faserverbundwerkstoff (1) umgeben. Die Krafteinleitungssegmenten (4) sind formschlüssig von der Hülle aus Faserverbundwerkstoff (1) umgeben und das Mittelsegment (2) weist eine bombierte Außenkontur auf.
3 einen schematischen Schnitt des Faserverbundrohrs wobei der verlorene Kern aus einem Mittelsegment (2), welches aus Faserverbundwerkstoff besteht sowie aus zwei Übergangssegmenten (3) und zwei Krafteinleitungssegmenten (4) besteht. Der verlorene Kern ist von einer Hülle aus Faserverbundwerkstoff (1) umgeben. Die Krafteinleitungssegmenten (4) sind formschlüssig von der Hülle aus Faserverbundwerkstoff (1) umgeben und das Mittelsegment (2) weist innerhalb des verlorenen Kerns Spanten (5) auf.

Claims

Faserverbundrohr, mit rohrförmigen Körpern aus Faserverbundwerkstoffen mit geringem Eigengewicht und hoher Korrosionsbeständigkeit zur Übertagung von Zug- als auch Druckkräften, wobei das Faserverbundrohr insgesamt nicht metallisch ausgeführt ist und aus einem verlorenem Kern besteht, welcher mindestens aus einem dünnwandigen, minimal 0,1 mm und maximal 5 mm in der Wanddicke ausgeführten Mittelsegment (2) aus Faserverbundwerkstoff besteht und aus mindestens zwei Übergangssegmenten (3) und mindestens zwei Krafteinleitungssegmenten (4) besteht und der Innendurchmesser des Mittelsegmentes (2) mindestens 5 mm größer als der Innendurchmesser des Krafteinleitungssegmentes ist und der verlorene Kern von einer Hülle aus Faserverbundwerkstoff (1) umgeben ist und dieser Faserverbundwerkstoff kontinuierliche Faserverstärkung enthält bei der mindestens 30% der Fasern in einem Winkel gemessen zur Faserverbundrohrlängsachse zwischen 0° und ±40° ausgerichtet sind und die Krafteinleitungssegmente (4) zur Kraftübertragung formschlüssig von der Hülle aus Faserverbundwerkstoff (1) umgeben sind.
Faserverbundrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittelsegment eine bombierte Außenkontur aufweist.
Faserverbundrohr nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des verlorenen Kerns Spanten (5) verlaufen.