DE102014104266A1 - Multiaxiales textiles Gelege zur Herstellung eines elektrisch leitfähigen Faserverbundbauteils - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein multiaxiales textiles Gelege (3) zur Herstellung eines Faserverbundbauteils als Strukturbauteil eines Luftfahrzeuges, umfassend mehrere übereinander geschichtete Faserlagen (6a–6e), die jeweils aus vielen parallel nebeneinander gelegten Fasern (7) bestehen, welche bezüglich benachbarter Faserlagen (6a–6e) in unterschiedlichen Winkeln zueinander verlaufen, wobei die übereinander geschichteten Faserlagen (6a–6e) unterschiedlicher Faserorientierung mittels durch die Gelegedicke (δ) hindurch verlaufender Wirkfäden (8) miteinander verwirkt sind, wobei die die Faserlagen (6a–6e) mechanisch verbindenden Wirkfäden (8) aus einem elektrisch leitfähigen Material bestehen, um eine über die gesamte Gelegedicke (δ) wirksame elektrische Verbindung herzustellen.

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft ein multiaxiales textiles Gelege zur Herstellung eines Faserverbundbauteils als Strukturbauteil eines Luftfahrzeuges, umfassend mehrere übereinander geschichtete Faserlagen, die jeweils aus vielen parallel nebeneinander gelegten Fasern bestehen, welche bezüglich benachbarter Faserlagen in unterschiedlichen Winkeln zueinander verlaufen, wobei die übereinander geschichteten Faserlagen unterschiedlicher Faserorientierung mittels durch die Gelegedicke hindurch verlaufender Wirkfäden miteinander verwirkt sind.
  • Das Einsatzgebiet der Erfindung erstreckt sich auf den Luftfahrzeugbau. Insbesondere Strukturbauteile eines Luftfahrzeuges, wie beispielsweise der Flugzeugrumpf und/oder Flugzeugflügel, können aus Faserverbundbauteilen hergestellt werden. Vornehmlich kommen hierfür kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) zum Einsatz, bei denen Kohlenstofffasern in mehreren Lagen als Verstärkung in eine Kunstoffmatrix eingebettet sind. Die Matrix kann dabei aus Duromeren oder aus Thermoplasten bestehen. Die Herstellung erfolgt vornehmlich mithilfe vorimprägnierter Fasern – sogenannter Prepregs – bestehend aus Kohlenstofffasern und einer ungehärteten duroplastischen Kunststoffmatrix, welche in eine Form eingelegt und unter Druck und Temperatur ausgehärtet werden, vorzugsweise durch Autoklavpressen. Das erfindungsgemäße multiaxiale textile Gewebe wird in der Regel in Infusions- oder Injektionsverfahren zu CFK-Bauteilen verarbeitet. Nach dem trockene Textilien mit Harz getränkt sind, werden diese ausgehärtet. Dies kann in einer geschlossenen Form unter Anwendung des sogenannten RTM-Verfahrens oder in einer einseitigen Form unter Anwendung des Vakuuminfusionsverfahrens erfolgen.
  • Das Fasermaterial des Faserverbundwerkstoffs kann prinzipiell als Gewirk, Gewebe oder als ein Gelege der hier interessierenden Art mattenfömig ausgebildet sein. Gelege sind nichtgewebte textile Flächengebilde, deren Fasern parallel nebeneinander abgelegt und durch Wirkfäden in ihrer Lage fixiert sind. Durch das Übereinanderlegen von mehreren Faserlagen in verschiedenen Winkeln zueinander entsteht das gattungsgemäße multiaxiale textile Gelege, welches als Verstärkungsfasern im Rahmen von Faserverbundbauteilen eine belastungsgerechte Faserorientierung ermöglicht. Durch die gestreckte Lage der Faser lassen sich mit diesen speziellen Gelegen höhere mechanische Festigkeiten erzielen als mit Geweben.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Die DE 298 20 346 U1 offenbart ein gattungsgemäßes multiaxiales Gelege, welches im Flugzeugbau eingesetzt wird, hier zur Herstellung von Flugzeugsitzen. Ausgehend von einer 0°-Lage ausgerichteten Faserlage wird auf dieser eine in + 38°-Lage ausgerichtete Faserlage abgelegt und schließlich darüber eine in – 38°-Lage ausgerichtete weitere Faserlage, wobei die drei übereinander geschichteten Faserlagen dann per Wirkfaden miteinander verbunden werden. Die Fasern bestehen aus Kohlenstoff. Es wird eine hohe Bauteilfestigkeit des hiermit hergestellten Faserverbundbauteils erreicht.
  • Werden Faserverbundwerkstoffe zur Herstellung von Strukturbauteilen eines Luftfahrzeuges, beispielsweise Rumpfsektionen, verwendet, so erfordert dieser spezielle Einsatzzweck besondere zusätzliche Materialeigenschaften, insbesondere hinsichtlich eines Blitzschlagschutzes.
  • Aus der US 6,749,012 B2 geht ein Strukturbauteil für ein Luftfahrzeug hervor, dessen Verstärkung aus einem textilen Vlies besteht, das zum Blitzschlagschutz in Dickenrichtung von einer gitterförmig über die Fläche eingebrachten Naht aus einem elektrisch leitfähigen Garn, beispielsweise einem metallischen Faden, durchsetzt ist. Vorzugsweise wird das elektrisch leitfähige Garn vor dem Aushärten der Kunstharzmartix in das Bauteil eingebracht. Daneben kann auch ein elektrisch nicht leitfähiger Polymerfaden zusätzlich vernäht werden.
  • Zwar schafft das durch die spezielle Naht gebildete elektrisch leitfähige gitterförmige Netzwerk einen Blitzschlagschutz für das Strukturbauteil, allerdings ist die Belastbarkeit eines aus dieser Verstärkung hergestellten Strukturbauteils recht begrenzt. Zur Erhöhung der Belastbarkeit ist eine Erhöhung der Bauteildicke erforderlich, welche zu einer unerwünschten Steigerung des Bauteilgewichts führen würde.
  • Die DE 10 2007 075 491 B4 offenbart ein kohlenstofffaserverstärktes Strukturbauteil für den Flugzeugbau, welches durch einen mehrlagigen Aufbau der Verstärkung in Verbindung mit der Harzmatrix relativ hohen mechanischen Belastungen standhält. In die Harzmatrix sind daneben auch Carbonanotubes eingebettet, welche durch Erzeugung einer hohen elektrischen Leitfähigkeit für einen Blitzschlagschutz des Strukturbauteils sorgen.
  • Ferner ist eine Stromquelle vorgesehen, welche einen elektrischen Strom in das Strukturbauteil leitet, um durch Aufheizen desselben eine Enteisung zu realisieren, wobei eine Entladeeinrichtung für eine Abgabe der Ladung an die Atmosphäre vorgesehen ist und die Stromquelle als eine Induktionseinrichtung wirkt. Durch die Carbonanotubes lässt sich eine elektrische Ladung, insbesondere von einem Blitzeinschlag, sehr schnell und unter Vermeidung von Funkenbildung abführen. Darüber hinaus lässt sich das hier offenbarte Faserhalbzeug einfach verarbeiten.
  • Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein mechanisch hochbelastbares Faserverbundteil zu schaffen, welches in technisch einfacher Weise mit einem zuverlässigen Blitzschlagschutz versehen werden kann.
  • Kurzbeschreibung der Erfindung
  • Die Aufgabe wird ausgehend von einem multiaxialen textilen Gewebe für ein Faserverbundbauteil gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Hinsichtlich eines Herstellungsverfahrens für ein blitzeinschlaggeschütztes Flugzeugstrukturbauteil wird auf Anspruch 9 verwiesen. Anspruch 12 gibt eine diesbezügliche Verwendung an. Die übrigen rückbezogenen Ansprüche beschreiben weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung.
  • Hinsichtlich eines speziellen multiaxialen textilen Geleges als Verstärkungshalbzeug zur Herstellung eines Faserverbundbauteils schließt die Erfindung die technische Lehre ein, dass die die Faserlagen mechanisch verbindenden Wirkfäden aus einem speziellen elektrisch leitfähigen Material bestehen, um eine über die gesamte Gelegedicke wirksame elektrische Verbindung herzustellen.
  • Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt insbesondere darin, dass die bei den mehrschichtigen textilen Gelegen vorgesehenen Wirkfäden zur mechanischen Verbindung der Faserlagen im Sinne einer Funktionsintegration auch für einen wirksamen Blitzschlagschutz nutzbar gemacht werden. Die Wirkfäden bestehen abweichend vom bisher im Stand der Technik bekannten Zweck aus einem elektrisch leitfähigen Material. Da Wirkfäden für textile Gelege, insbesondere für multiaxiale textile Gelege, per se über die gesamte Gelegedicke verlaufen, wird hiermit auch das Erfordernis eines optimalen Blitzschlagschutzes erfüllt, welcher die Voraussetzung einer elektrischen Leitfähigkeit über eine maximale Bauteildicke des Strukturbauteils aufweist. Durch die erfindungsgemäße Lösung kann also auf die Verwendung zusätzlicher Bauteilbestandteile, wie Carbonanotubes oder zusätzlicher Metallfäden, verzichtet werden. Es ist insbesondere auch keinerlei Änderung von üblicherweise verwendeten Fertigungsverfahren oder ein zusätzlicher Fertigungsschritt zur Bauteilherstellung erforderlich. Gleichzeitig schafft die Struktur des multiaxialen textilen Geleges eine hohe Bauteilfestigkeit bei minimaler Bauteildicke.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bestehen die elektrisch leitfähigen Wirkfäden aus einem Metalldraht oder aus Kohlenstofffasern. Im Falle eines Metalldrahtes kann beispielsweise ein Kupferdraht verwendet werden. Es ist jedoch auch möglich, eine Kupferlitze als Wirkfäden zu verwenden, welche eine höhere Belastbarkeit und Flexibilität für den genannten Einsatzzweck sicherstellt, so dass die Gefahr eines Fadenbruches minimiert wird.
  • Gemäß einer alternativen Ausführungsform für den erfindungsgemäßen Wirkfaden wird vorgeschlagen, dass dieser aus einem mit Metall oder Kohlenstoff beschichteten Kunststoffmaterial besteht. So kann der Wirkfaden beispielsweise im Kern aus einem thermoplastischen Material hergestellt werden, so dass sich eine einfache Verarbeitung ergibt, wobei dessen Ummantelung aus einem elektrischen Leiter mit hohem elektrischen Leitwert, vorzugsweise Silber, bestehen kann. Vorzugsweise eignet sich in diesem Hinblick ein silberbeschichteter Polyamidfaden.
  • Gemäß einer weiteren die Erfindung verbessernden Maßnahme wird vorgeschlagen, dass die elektrisch leitende Beschichtung des Wirkfadens aus einem Material besteht, das vom Kunstharzmaterial im flüssigen Zustand lösbar ist. Diese Lösbarkeit führt zumindest zu einem Anlösen des elektrischen Leiters, welcher somit in das benachbarte Kunststoffmaterial übertritt, um die elektrische Leitfähigkeit des anschließend ausgehärteten Strukturbauteils weiter zu verbessern.
  • Zu einer weiteren Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit des erfindungsgemäß ausgebildeten Strukturbauteils wird vorgeschlagen, zwischen zumindest einem Teil der einzelnen Faserlagen des multiaxialen textilen Geleges je ein aus einem elektrisch leitfähigen Material bestehendes Zwischenvlies anzuordnen. Das Zwischenvlies kann beispielsweise aus einem elektrisch leitfähigen thermoplastischen Material oder aus Kohlenstofffasern bestehen. Das elektrisch leitfähige thermoplastische Material kann durch metallisch beschichtete Kunststofffasern erzeugt werden, deren Metallbeschichtung ebenfalls vorzugsweise anlösbar ist, um teilweise in die Kunststoffmatrix überzugehen. Die Verwendung eines Zwischenvlieses im Rahmen der vorliegenden Erfindung führt auch zu einer Verbesserung der sogenannten Compression-After-Impact-Werte (CAI). Es ist sowohl zu diesem Zweck als auch zum Zweck einer hinreichenden Steigerung der elektrischen Leitfähigkeit des Strukturbauteils ausreichend, dieses recht dünn mit einem Flächengewicht von 5 bis 15g/m2, vorzugsweise 10 mit +/– 1g/m2 auszuführen.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäß ausgebildeten multiaxialen textilen Geleges wird empfohlen, die elektrisch leitfähigen Wirkfäden mit einem Stichmuster nach Art einer Trikotbindung mit den Faserlagen zu verbinden. Eine solche Trikotbindung lässt sich in allgemein bekannter Weise durch abwechselndes Vorlegen der Wirkfäden vor die Wirknadeln erzeugen, wodurch das charakteristische Zick-Zack-Muster entsteht. Die Trikotbindung führt anders als die geradlinige Fransenbindung zu einem bereits innerhalb des einzelnen Textils geschlossenen Netzwerk leitfähiger Fäden.
  • Das mit einem solchen Faserverbundbauteil blitzeinschlaggeschützte Flugzeugstrukturbauteil lässt sich in an sich bekannter Weise beispielsweise durch autoklavlose Härtung im Ofen herstellen. Hierfür wird das multiaxiale textile Gelege als elektrisch leitfähige Verstärkung eines Faserverbundbauteils zumindest einlagig in eine Bauteilform eingelegt und in Kunstharz als Matrix eingebettet und ausgehärtet. Dabei kann das Kunstharz entweder vor der Formgebung im Sinne der Erzeugung eines Prepregs oder während der Formgebung hinzugefügt werden. Das erfindungsgegenständliche multiaxiale textile Gelege eignet sich jedoch auch für andere Herstellverfahren zur Erzeugung von CFK-Bauteilen, beispielsweise durch Handlaminieren, Vakuumformen und dergleichen.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäß ausgebildeten Faserverbundbauteils wird empfohlen, die Produktionsrichtungen und damit die Wirkfäden der benachbarten Textillagen zu kreuzen. Dies führt zu einer höheren Anzahl an Kontaktstellen zwischen den leitfähigen Fäden benachbarter Textillagen als bei paralleler Ablage. Das so entstehende leitfähige Netzwerk aus Wirkfäden führt zu einer besseren Leitfähigkeit in Dickenrichtung. Versuche haben gezeigt, dass eine höhere Leitfähigkeit in Dickenrichtung erreicht wird, wenn die Wirkfäden abwechselnd in 0° und in 90°-Richtung verlaufen.
  • Bei bestimmten Bauteilen kann es erwünscht sein, dass die Außenseite eines Bauteils eine höhere Leitfähigkeit besitzt als die Innenseite. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäß ausgebildeten Faserverbundbauteils wird daher empfohlen, dass nur auf der Außenseite Textilien mit leitfähigem Wirkfaden verwendet werden. Dabei ist es insbesondere möglich in der äußeren Lage einen deutlich dickeren oder rein metallischen Wirkfaden zu verwenden, so dass in diesem Bereich eine Leitfähigkeit nahe der von bekannten Blitzschutzlösungen wie Kupfergewebe erreicht wird.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnung
  • Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:
  • 1 die schematische Seitenansicht eines Verkehrsflugzeuges mit Strukturbauteilen aus einem Faserverbundmaterial mit elektrisch leitfähigem multiaxialen textilen Gelege, und
  • 2 eine perspektivische Ansicht eines multiaxialen textilen Geleges während der Herstellung mit elektrisch leitfähigen Wirkfäden.
  • Detailbeschreibung der Zeichnung
  • Gemäß 1 weist ein Verkehrsflugzeug 1 ein Seitenleitwerk 2 aus einem blitzeinschlaggeschützten Flugzeugstrukturbauteil auf. Die Übrigen die Außenhaut des Verkehrsflugzeugs 1 bildenden Bereiche des Rumpfes 4 sowie der Flügel 5 sind ebenfalls aus diversen blitzeinschlaggeschützten Flugzeugstrukturbauteilen aus einem Faserverbundwerkstoff gefertigt.
  • Nach 2 umfasst das Gelege 3 des Flugzeugstrukturbauteils fünf übereinander geschichtete Faserlagen 6a bis 6e, welche jeweils aus vielen parallel nebeneinander gelegten Fasern 7 (exemplarisch) bestehen, die bezüglich benachbarter Faserlagen 6a; 6b; 6c; 6d; 6e in unterschiedlichen Winkeln von 45° und 90° zueinander verlaufen.
  • Die derart übereinander geschichteten Faserlagen 6a bis 6e unterschiedlicher Faserorientierung sind mit Wirkfäden 8, welche durch die gesamte Gelegedicke der δ hindurchverlaufen miteinander verwirkt. Die einzelnen Wirkfäden 8 werden in der an sich bekannter Weise über je zugeordnete Wirknadeln 9 einer – nicht weiter dargestellten – Gelegewirkmaschine in das multiaxiale textile Gelege eingebracht. Hierbei wird ein Stichmuster nach Art einer Trikotbindung ausgeführt.
  • Die Wirkfäden 8 zur mechanischen Verbindung der einzelnen Faserlagen 6a bis 6e bestehen in diesem Ausführungsbeispiel aus einem silberbeschichteten Polyamidfaden.
  • Zur zusätzlichen Steigerung der elektrischen Leitfähigkeit des Flugzeugstrukturbauteils 3 in Richtung Gelegedicke δ sind zwischen einzelnen Faserlagern 6a und 6b sowie 6c und 6d Zwischenvliese 10a bzw. 10b angeordnet, welche aus ebenfalls metallisch beschichteten Kunststofffasern bestehen. Die elektrisch leitenden Zwischenvliese 10a und 10b besitzen ein Flächengewicht von ca. 10g/m2.
  • Das mit den elektrisch leitenden Wirkfäden ausgestattete multiaxiale textile Gewebe 3 dient als elektrisch leitende Verstärkung innerhalb eines Faserverbundwerkstoffes, der außerdem eine Kunststoffmatrix umfasst, in welcher das spezielle multiaxiale textile Gelege 3 eingebettet und ausgehärtet ist, beispielsweise im Autoklavverfahren.
  • Die Erfindung ist nicht beschränkt auf das vorstehend beschriebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Es sind vielmehr auch Abwandlungen hiervon denkbar, welche vom Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche mit umfasst sind. So ist es beispielsweise auch möglich, die elektrisch leitfähigen Wirkfäden aus Metalldraht, Kohlenstofffasern oder dergleichen herzustellen. Weiterhin kann das Metallmaterial je nach gewünschtem Leitfähigkeitseigenschaften oder chemischen Wechselverbindungen mit der Kunstharzmatrix variiert werden, so dass neben Silber und Kupfer auch andere metallische Leiter zum Einsatz kommen können.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Verkehrsflugzeug
    2
    Seitenleitwerk
    3
    Gelege
    4
    Rumpf
    5
    Flügel
    6
    Faserlage
    7
    Faser
    8
    Wirkfaden
    9
    Wirknadel
    10
    Zwischenvlies
    δ
    Gelegedicke
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 29820346 U1 [0004]
    • US 6749012 B2 [0006]
    • DE 102007075491 B4 [0008]

Claims (12)

  1. Multiaxiales textiles Gelege (3) zur Herstellung eines Faserverbundbauteils als Strukturbauteil eines Luftfahrzeuges, umfassend mehrere übereinander geschichtete Faserlagen (6a–6e), die jeweils aus vielen parallel nebeneinander gelegten Fasern (7) bestehen, welche bezüglich benachbarter Faserlagen (6a–6e) in unterschiedlichen Winkeln zueinander verlaufen, wobei die übereinander geschichteten Faserlagen (6a–6e) unterschiedlicher Faserorientierung mittels durch die Gelegedicke (δ) hindurch verlaufender Wirkfäden (8) miteinander verwirkt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die die Faserlagen (6a–6e) mechanisch verbindenden Wirkfäden (8) aus einem elektrisch leitfähigen Material bestehen, um eine über die gesamte Gelegedicke (δ) wirksame elektrische Verbindung herzustellen.
  2. Multiaxiales textiles Gelege (3) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähigen Wirkfäden (8) aus einem Metalldraht oder aus Kohlenstofffasern bestehen.
  3. Multiaxiales textiles Gelege (3) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähigen Wirkfäden (8) aus einem mit Metall oder Kohlenstoff beschichteten Kunststoffmaterial bestehen.
  4. Multiaxiales textiles Gelege (3) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitende Beschichtung des Wirkfadens (8) aus einem Material besteht, das von Matrixmaterial im flüssigen Zustand lösbar ist.
  5. Multiaxiales textiles Gelege (3) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der metallisch beschichtete Kunststoff ein silberbeschichtetes Polyamid ist.
  6. Multiaxiales textiles Gelege (3) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zumindest einen Teil der Faserlagen (6a–6e) je ein aus einem elektrisch leitfähigen Material bestehendes Zwischenvlies (10a, 10b) angeordnet ist.
  7. Multiaxiales textiles Gelege (3) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitfähige Zwischenvlies (10a; 10b) zumindest teilweise aus Kohlenstofffasern oder aus metallisch beschichteten Kunststofffasern besteht.
  8. Multiaxiales textiles Gelege (3) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirkfäden (8) mit einem Stichmuster nach Art einer Trikotbindung mit den Faserlagen (6a–6e) verbunden sind.
  9. Verfahren zur Herstellung eines blitzeinschlaggeschützten Flugzeugstrukturbauteils eines Luftfahrzeuges, bei welchem zumindest ein multiaxiales textiles Gelege (3) nach einem der vorstehenden Ansprüche als elektrisch leitfähige Verstärkung eines Faserverbundwerkstoffs auf eine Bauteilform aufgelegt und in Kunstharz als Matrix eingebettet und ausgehärtet wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass nur ein oder mehrere multiaxiale textile Gelege (3) auf der Außenseite einen leitfähigen Wirkfaden (8) besitzen, wogegen auf der Innenseite des Flugzeugstrukturbauteils ein oder mehrere Gelege (3) mit nicht leitfähigem Wirkfaden verwendet werden.
  11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Wirkfäden (8) benachbarter Gelegelagen kreuzen.
  12. Verwendung eines multiaxialen textilen Geleges (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 als elektrisch leitfähige Verstärkung für einen Faserverbundwerkstoff eines hieraus zumindest teilweise bestehenden Flugzeugstrukturbauteils.
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