DE102015102437B4

DE102015102437B4 - Verfahren zur Herstellung einer Verstärkung für Flanschstrukturen aus Faserverbundwerkstoff

Info

Publication number: DE102015102437B4
Application number: DE102015102437.3A
Authority: DE
Inventors: Raimund Grothaus
Original assignee: EAST 4D Carbon Technology GmbH
Current assignee: EAST 4D Carbon Technology GmbH
Priority date: 2014-02-20
Filing date: 2015-02-20
Publication date: 2021-02-04
Anticipated expiration: 2035-02-21
Also published as: DE102015102437A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer Verstärkung für Flanschstrukturen aus Faserverbundwerkstoff umfassend die folgenden Schritte:- Bereitstellen eines bandförmigen Stickgrunds (8) aus Fasergewebe;- Auf- oder Einbringen von kreisförmigen Platzhaltern (2) für Flanschbohrungen im Randbereich entlang einer ersten Längsseite (8.1) des Stickgrunds (8), wobei die Platzhalter (2) auf einer Linie parallel zu der ersten Längsseite (8.1) und von dieser bis maximal zur Mitte des Stickgrunds beabstandet angeordnet werden;- Auflegen von Verstärkungsfasersträngen (3) auf den Stickgrund (8) als Zuggurt, die die Platzhalter (2) partiell umschließen, wobei die Verstärkungsfaserstränge (3) jeweils mit einem ersten Teilstück (3.1) in gerader Linie von der zweiten, der ersten gegenüberliegenden, Längsseite (8.2) des Stickgrunds (8) tangential an den kreisförmigen Rand des Platzhalters (2) geführt werden, in dem Bereich zwischen der ersten Längsseite (8.1) des Stickgrunds (8) und dem Platzhalter (2) in einem Kreisbogen um den Platzhalter (2) herum und tangential vom Platzhalter (2) weg in einem Winkel (α) zu dem ersten Teilstück (3.1) des Verstärkungsfaserstrangs (3) mit einem zweiten Teilstück (3.2) wieder in gerader Linie zu der zweiten Längsseite (8.2) geführt werden, sodass die Verstärkungsfaserstränge (3) jeweils eine halboffene Schlaufe mit zwei geradlinigen Schenkeln (3.1, 3.2) und einem Öffnungswinkel (α) in einem Bereich von 15° bis 150° zwischen den beiden geradlinigen Schenkeln (3.1, 3.2) bilden;- Verweben jedes Verstärkungsfaserstrangs (3) an den Schenkeln (3.1, 3.2) der Schlaufen mit Verstärkungsfasersträngen (3), welche als Schlaufe um benachbarte Platzhalter für Flanschbohrungen (2) verlaufen;- Aufsticken der Verstärkungsfaserstränge (3) auf dem Stickgrund (8) mit einem Stickfaden (6);- Umbiegen des Stickgrunds (8) um etwa 90° entlang einer Längskante, die parallel zu der zweiten Längsseite (8.2) bis maximal zur Mitte des Stickgrunds beabstandet ist, und Drapieren des so gestalteten Stickgrunds (8) mit den darauf aufgestickten Verstärkungsfasersträngen (3) auf einer Flanschstruktur eines Faserverbund-Hohlkörpers; und- Konsolidieren des Stickgrunds (8) mit den aufgestickten Verstärkungsfasersträngen (3) in der Flanschform durch Binden oder lokales Verkleben oder Vernähen;

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Verstärkung für eine Flanschstruktur aus einem Faserverbundwerkstoff unter Verwendung eines entsprechend seiner Funktion gestalteten Flanschverstärkungselementes, das ebenfalls aus Faserverbundwerkstoff hergestellt wird. Die Verwendung eines derartig verstärkten Flansches ist besonders für hohen Belastungen ausgesetzten Leichtbauteile in Faserverbundbauweise, wie beispielsweise Gehäuse oder Strukturen aus dem Bereich der Luft- und Raumfahrt, geeignet.
In der Luft- und Raumfahrt gewinnt die Herstellung von Gehäusestrukturen in Leichtbauweise zunehmend an Bedeutung. Die Herstellung einzelner Bauteile aus Faserverbundwerkstoffen, wie beispielsweise Kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK), gehört inzwischen zum Stand der Technik.
Faserverbundbauteile werden nach verschiedenen Herstellungsverfahren der Wickel- oder Laminiertechnik gefertigt. Bekanntlich werden beim Wickelverfahren Fasern in Form von Faserbündeln (Rovings), meist nach dem Tränken mit dem Matrixwerkstoff, unter einer definierten Fadenvorspannung auf einem rotierenden, bauteiladäquaten Wickelkern in mehreren Lagen abgelegt ( DE 10 2004 038 706 B4 ).
In einer Vielzahl von Anwendungen ist es jedoch gefordert, dass die Wandstärke eines Hohlkörpers den spezifischen, auf den Hohlkörper einwirkenden Belastungen angepasst ist. DE 10 2010 005 987 B4 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Faserverbundbauteilen, die auf ihrer Innenfläche zumindest einen umlaufenden Verstärkungs-Bund aufweisen. DE 3 922 335 C1 zeigt ein Verfahren für die Fertigung von bund- oder flanschförmigen Verstärkungen auf der Mantelfläche von zylindrischen Faserverbundkörpern.
Die Herstellung von Gehäusestrukturen aus CFK (oder ähnlichen Faserverbundwerkstoffen) mit nach außen geformten Flanschen stellt eine große Herausforderung dar, da im Bereich der Flansche die Wandstärke - aufgrund der Biegemomente und der durch Bohrungen für die Befestigung, üblicherweise Verschraubung, verursachten Strukturschwächung - in angepasster Weise erhöht werden muss.
Mit den bekannten Wickelverfahren ist es nicht möglich, Hohlkörper herzustellen, die mindestens einen Flansch zur Befestigung an anderen Bauteilen aufweisen, ohne dass zusätzliche Flanschbauteile aus einem anderen Werkstoff eingearbeitet oder weitere Verstärkungen aufgetragen werden müssen. So beschreibt z. B. DE 10 2006 047 413 B4 einen Zylinder aus Faserverbundwerkstoff mit metallischen Flanschkomponenten. Ebenfalls bekannt ist ein Flanschbauteil in Verbundbauweise sowie eine Verfahren zur Herstellung eines Flanschbauteils aus DE 10 2006 024 329 A1 . DE 10 2011 117 444 A1 und DE 40 28 215 A1 offenbaren rotierenden Fahrzeugbauteile in Faserverbundbauweise mit flanschähnlichen Übergängen.
Ein Verfahren zum Herstellen einer Lochverstärkung bei einem Bauteil aus Faser-Kunststoff-Verbund und ein Bauteil aus einem Faser-Kunststoffverbund beschreibt EP 2 132 026 B1 , wobei durch die hierin beschriebene Wickeltechnik ein gezieltes, beanspruchungsgerechtes Ablegen der Verstärkungsfasern erreicht wird.
In DE 10 2012 001 055 A1 ist ein Bauteil aus Faserverbundwerkstoff offenbart, dass aufgrund der gerichteten Faserorientierung besonders gute mechanische Eigenschaften des Bauteils besitzt.
Aus WO 2016/ 070 905 A1 ist ein Verstärkungsgewebe für aufschlagresistente Verbundwerkstoffbauteile bekannt, wobei Stahlfäden auf kurvenförmigen Bahnlinien auf die Bauteile genäht werden.
Ein Werkzeug zum Verdichten von Verbundbauteilen mit komplex gekrümmter Gestalt beschreibt DE 40 40 746 A1 ; die gleichmäßige Bauteilqualität wird durch eine spezifische Anordnung der Druckmembranen im Werkzeug sichergestellt.
In bekannter Weise werden Strukturen bzw. Gehäuse für die Luftfahrt in der sogenannten Prepregtechnik aus Bahnenware gefertigt. Bei der Prepregtechnik werden zugeschnittene Fasergewebe, -fließe oder -matten auf einem Werkzeug abgelegt. Gehäuse oder Hohlkörper, die mittels Prepregtechnik hergestellt werden, bieten die Möglichkeit, die Wandstärke des herzustellenden Körpers entsprechend den auftretenden Belastungen, insbesondere im Bereich eines Flansches, auszulegen und zu fertigen. Hierzu werden die flachen Prepreg-Gewebelagen in einzelnen Segmenten, z. B. sechs 60°-Segmente, auf dem Werkzeug abgelegt und im Bereich des Flansches umgebogen. Die am Flansch notwendige zusätzliche Wandstärke wird durch das Aufbringen zusätzlicher Gewebelagen erreicht.
Diese Fertigungstechnik weist jedoch den Nachteil auf, dass ein mit dieser Technik hergestellter Hohlkörper in jeder Lage seines Schichtaufbaus zumindest eine Stoßstelle besitzt, an der die einzelnen Fasern nicht kraftschlüssig miteinander verbunden sind. In der Konsequenz bedarf der Körper zusätzlicher Lagen aus Fasermaterial, um den Nachteil des nicht vorhandenen Kraftschlusses in den einzelnen Lagen zu kompensieren. Dies hat wiederum zur Folge, dass eine Vielzahl an Einzellagen notwendig ist und somit sowohl der Aufwand zur Herstellung des Körpers steigt als auch der Körper an Masse zunimmt.
Zudem ist es mit der Prepregtechnik nur bedingt möglich, eine für beispielsweise an Flanschen auftretende Kräfte optimierte Faserausrichtung zu gewährleisten. Verfügbare Prepreg-Halbzeugmaterialien weisen z. B. nur Gewebeorientierungen von 0° oder 90° auf.
Weitere Verfahren zur Herstellung von Flanschen an Faserverbundbauteilen beruhen auf einer Bandwickeltechnik von geflochtenen oder gewebten Bändern. Diese werden im Bereich des Flansches drapiert und verstärkt dort aufgewickelt.
Nachteilig bei der Bandwickeltechnik ist, dass die Drapierung des Flansches nur mit einer sehr geringen Vorspannung des Bandes beim Wickeln möglich ist. Durch diese geringe Vorspannung können sehr starke Fehlbildungen entstehen, wie beispielsweise Welligkeiten, Verrutschungen und lokale Fehlorientierungen. Auch ist beim Bandwickeln nur eine geringe Flexibilität in der Vorgabe der Faserorientierung im Flanschbereich möglich. Hohe Wandstärkezugaben sind daher erforderlich. Häufig wird auch versucht, die strukturellen Schwächen durch Integration metallischer Ringsegmente im Bereich der Flanschflächen auszugleichen. Hierdurch kann zwar die von den Flanschverschraubungen verursachten Belastungen von der Laibung der Flanschbohrung auf die Stirnflächen des Flansches verlagert werden, dies geht aber mit einer unerwünschten Massezunahme des Bauteils einher.
Es ist auch bekannt, Tape-Ablege-Roboter einzusetzen. Diese Roboter besitzen Andrückrollen, mit denen einzelne Tapes an der gewünschten Position auf dem Faserverbundhalbzeug abgelegt und angedrückt werden. Als Tape wird beispielsweise ein unidirektionales Prepreg oder Gewebe bezeichnet.
Nachteilig bei der Herstellung von Flanschen mit diesen Ablege-Robotern ist, dass die Andrückrollen die einzelnen Tapes nicht in die Ecken des Flansches einformen können. Daher erfolgt nach der Ablage als zylindrische Struktur ein Umbiegevorgang zur Formung des Flansches. Zudem erfordern diese Roboter einen hohen Investitionsaufwand.
Ein weiterer Nachteil der nach dem Stand der Technik bekannten Verfahren ist, dass beim Umbiegen der Faserverbundwerkstoffe zu einem Flansch zumeist Faltenbildung auftritt. Da der Umfang an der Außenkante des Flansches größer als der Umfang an der Innenkante ist, müssen die Gewebemuster verzerrt werden und weisen ferner unterschiedliche Wandstärken auf.
Außerdem ist bei der Verwendung von Prepregs eine Fehlablage hinsichtlich Gewebeorientierung sowie Überlappungsfehler an den Prepreg-Stoßstellen möglich. Gerade im Eckbereich des Flansches ist ferner die Gefahr einer Hohlraumbildung gegeben, da beim Umformen die „klebrigen“ Prepreglagen nicht in die Ecken hineingeformt werden können.
Auf Basis dieser Fertigungsfehler müssen größere Fertigungsabschlagsfaktoren auf die Festigkeitswerte angenommen werden, sodass gerade im kritischen Bereich der Anschlussbohrungen höhere Wandstärken anzunehmen sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die oben genannten Nachteile, wie Einbringen von Fremdmaterialien, Faltenbildung, Notwendigkeit einer Vielzahl von Lagen und wenig adäquate Faserorientierung, zu vermeiden, wobei eine Flanschgestaltung mit reproduzierbar und kraftflussgerecht positionierten Faserorientierungen und gleichzeitig angepasstem Wandstärkeverlauf bei minimalem Strukturgewicht und geringen Fertigungskosten realisierbar sein soll.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch ein Verfahren zur Herstellung einer Verstärkung einer Flanschstruktur aus Faserverbundwerkstoff gemäß Patentanspruch 1; zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung befinden sich in den Unteransprüchen 2-10.
Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbund-Flanschverstärkungselementes und der Verstärkung einer Flanschstruktur an einem Hohlkörper mit Flansch, z. B. eine Gehäusestruktur, aus Faserverbundwerkstoff unter Verwendung des Flanschverstärkungselementes , das neben einer hohen strukturellen Festigkeit aufgrund einer speziellen, kraftflussgerechten Anordnung von Gewebe und Fasern, eine Integrierbarkeit in den regulären Faserablageprozess kennzeichnet, bereit gestellt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Verstärkung für eine Flanschstruktur an einem Faserverbund-Hohlkörper unter Verwendung eines Flanschverstärkungselementes umfasst die folgenden Verfahrensschritte:

Zuerst wird das Flanschverstärkungselement hergestellt. Hierfür werden auf einem Grundmaterial aus Fasergewebe (im Folgenden als Stickgrund bezeichnet), welches vorzugsweise eine rechteckige Form aufweist, die für die Flanschbohrungen (zum Verschrauben des fertigen Flansches) vorgesehenen Positionen durch kreisförmige Platzhalter markiert, welche in einem konstruktiv vorgegebenen Abstand zueinander entlang einer Linie parallel zu einer ersten Außenkante des Stickgrunds und von dieser bis maximal zur Mitte des Stickgrunds beabstandet angeordnet werden. Diese Platzhalter können auf den Stickgrund aufgedruckte Kreise, in den Stickgrund eingebrachte Bohrungen oder Stahlstifte (Wickelpins) sein, die auf den Stickgrund aufgedrückt oder durch Bohrungen im Stickgrund hindurchgeführt sind.

Im Sinne einer besseren Beschreibbarkeit wird im Folgenden die kreisförmige Berandung der Platzhalter der Flanschbohrungen in zwei gleichgroße Teilabschnitte unterteilt. Hierzu wird die kreisförmige Berandung der Platzhalter durch eine gedachte Linie, welche parallel zu der ersten Außenkante des Stickgrunds (bzw. parallel zu der Linie entlang derer die Platzhalter aufgereiht sind) und durch die Kreismittelpunkte verläuft, in zwei Halbkreise unterteilt. Diejenige halbkreisförmige Berandung der Platzhalter, welche der ersten Außenkante näher liegt, wird im Folgenden als „äußere Berandung“ bezeichnet; diejenige halbkreisförmige Berandung der Platzhalter, welche von der ersten Außenkante weiter entfernt liegt, wird im Folgenden als „innere Berandung“ bezeichnet;
Verstärkungsfaserstränge werden auf den Stickgrund aufgelegt, wobei die Verstärkungsfaserstränge schlaufenartig in der Art um diese Platzhalter geführt werden, dass jeder Verstärkungsfaserstrang spiegelsymmetrisch bezüglich einer senkrecht zu der ersten Außenkante des Stickgrunds durch des Zentrum der Flanschbohrung verlaufenden Symmetrieachse liegt. Hierzu werden die Verstärkungsfaserstränge von einem Randbereich auf einer ersten Längsseite des Stickgrunds in gerader Linie in Richtung eines Platzhalters geführt, in einem Kreisbogen um den äußeren Rand des Platzhalters (d. h. diejenige Berandung des Platzhalters gelegt, welche einer zweiten, der ersten gegenüberliegenden, Längsseite des Stickgrunds näher gelegen ist), und tangential von dem Platzhalter weg und in gerader Linie wieder zu dem Randbereich der ersten Längsseite des Stickgrunds geführt. Durch diese Art des Ablegens entstehen einfache, halboffene Schlaufen um jeden Platzhalter mit jeweils zwei geradlinigen Schenkeln und einem Öffnungswinkel α zwischen den beiden Schenkeln. Der Öffnungswinkel α ist demnach der Winkel, um welchen der erste Schenkel der Schlaufe bezüglich des zweiten Schenkels um den Mittelpunkt des jeweiligen kreisförmigen Platzhalters gedreht ist. Definitionsgemäß nimmt der Öffnungswinkel α einen Wert zwischen 0° und 180° an. Vorzugsweise liegt der Öffnungswinkel α zwischen den beiden Schenkeln im Bereich zwischen 15° und 150°.
Somit werden die Flanschbohrungen durch die lokale Orientierung der Verstärkungsfaserstränge umhüllt. Um jeden Platzhalter werden vorzugsweise mindestens zwei Verstärkungsfaserstränge gelegt, wobei die Verstärkungsfaserstränge im Bereich der geradlinigen Schenkel nebeneinander auf dem Stickgrund und im Bereich des Schlaufenbogens (am Platzhalter) übereinander, d. h. als Stapel auf dem Stickgrund, angeordnet sind. Gleichzeitig werden die Verstärkungsfaserstränge an ihren Schenkein mit den Verstärkungsfasersträngen, welche schlaufenartig um benachbarte Flanschbohrungen verlaufen, gewebeartig verflochten.
Die Gesamtheit aller Verstärkungsfaserstränge, die schlaufenartig um jeweils eine kreisförmige Aussparung (d. h. Flanschbohrung) in der Art angeordnet sind, dass sie die äußere Berandung der Flanschbohrung zumindest zu einem Teil umschließen, werden im Folgenden als „Zuggurte“ bezeichnet, da sie eine Zugbelastung aufnehmen. Um jeden Platzhalter, d.h. Flanschbohrung, wird genau ein Zuggurt gelegt. Diejenigen Abschnitte der Zuggurte, welche in gerader Linie von der zweiten Außenkante des Stickgrunds in Richtung Platzhalter verlaufen, werden im Folgenden als Schenkel der Zuggurte bezeichnet; ein Zuggurt weist somit zwei Schenkel auf.
Aufgrund des Herstellungsverfahrens ist die Breite (d. h. die laterale Ausdehnung senkrecht zu den Verstärkungsfasersträngen und parallel zur Oberfläche des Stickgrunds) jedes Zuggurtes im Auslauf der Schenkel größer als an dem kreisförmigen Platzhalter. Entsprechend ist die Höhe (in Bezug zu der Oberfläche des Stickgrunds) der Zuggurte im Auslauf der Schenkel kleiner als an dem kreisförmigen Platzhalter.
Die derart auf dem Stickgrund abgelegten und um die kreisförmigen Platzhalter geführten Verstärkungsfaserstränge werden auf dem Stickgrund mit einem Stickfaden aufgestickt. Hierzu kann der Stickfaden in einem Zick-Zack-Muster entlang der Verstärkungsfaserstränge geführt werden, wobei jeweils mindestens zwei benachbart liegende und zu derselben Schlaufe gehörende Verstärkungsfaserstränge auf dem Stickgrund befestigt werden.
Anschließend kann gegebenenfalls ein Zuschneiden des Stickgrunds zu einer für den Flansch benötigten Grundform erfolgen.
Das somit erhaltene Flanschverstärkungselement (d. h. der Stickgrund mit den darauf aufgestickten Verstärkungsfasersträngen) wird durch Umbiegen in die gewünschte dreidimensionale Form des Flansches gebracht. Dazu wird das Flanschverstärkungselement entlang einer parallel und beabstandet (nicht über die Mitte des Stickgrunds hinausgehenden) zur zweiten Längskante des Stickgrunds verlaufenden Längskante um etwa 90° abgeknickt, um an dem Faserverbund-Hohlkörper mit Flanschstruktur im Flanschbereich (am Übergang zwischen Hohlkörper und Flansch) angeformt werden zu können. Gegebenenfalls wird das Flanschverstärkungselement noch in die runde Flanschform gebogen und auf die Flanschstruktur drapiert. Es kann auch vorgesehen sein, dass das Flanschverstärkungselement erst beim Drapieren auf die Flanschstruktur entsprechend der Struktur geformt wird.
Nach dem Formen erfolgt ein Konsolidieren (d. h. Verfestigen) des Flanschverstärkungselementes in der Flanschform. Dies kann durch Binden oder lokales Verkleben oder Vernähen mit einer bekannten, speziellen Nähtechnik geschehen.
Letztlich kann noch, falls notwendig, ein Einbringen, z. B. mittels Ausstanzen oder Bohren, der durch die Schlaufen der Verstärkungsfaserstränge definierten Flanschbohrungen erfolgen.
Der Vorteil des Verfahrens zur Herstellung einer Verstärkung ist die den Zug- /Druckbedingungen eines Flansches angepasste Faserausrichtung des verwendeten Flanschverstärkungselementes. Zudem sind die einzelnen Fasern entlang des gesamten Flanschverstärkungselementes kraftschlüssig miteinander verbunden. Dadurch entfällt die Notwendigkeit, Verstärkungen aus artfremdem und deutlich massereicherem Material in den Flansch eines Bauteils, bspw. eines Triebwerksgehäuses, in Faserverbundbauweise zu integrieren.
Ein weiterer Vorteil des Verfahrens liegt darin, dass das Flanschverstärkungselement trocken ist, d. h., die Kunststoffmatrix ist noch nicht injiziert. Somit lässt sich das Flanschverstärkungselement gut drapieren und der gewünschten Form anpassen. Insofern kann das Flanschverstärkungselement auch in den regulären Faserablageprozess zur Herstellung eines Hohlkörpers mit verstärktem Flansch integriert werden.
Der für die Fixierung der Verstärkungsfaserstränge auf dem Stickgrund verwendete Stickfaden kann in vorteilhafter Weise aus einem Material sein, welches in der Kunststoffmatrix des Faserverbundwerkstoffes löslich ist, sodass sich die Stickfäden beim Harzinjektionsprozess und anschließendem Aushärtevorgang im Kunststoff auflösen.
Vorteilhafte Ausgestaltungsvarianten des Verfahrens sehen für zu erwartende Zugbelastungen auf die Flanschbohrungen, d. h., Belastungen, welche vom Mittelpunkt des Flansches radial in Richtung Flanschrand verlaufen, einen Öffnungswinkel α zwischen den beiden Schenkeln der Zuggurte im Bereich zwischen 15° und 20° vor. Für zu erwartende Torsionsbelastungen auf den Flansch ist der Öffnungswinkel α zwischen den beiden Schenkeln der Zuggurte im Bereich zwischen 85° und 95° vorgesehen.
Gemäß einer Ausführungsform wird für die Herstellung des Flanschverstärkungselementes der Stickgrund aus Gewebefasern mit einer Faserorientierung von ±45° bezüglich seiner Außenkante verwendet.
Die Erfindung kann weiter derart ausgebildet sein, dass für eine Übertragung von Druckkräften, die radial vom Flanschrand zum Flanschmittelpunkt gerichtet sind, auf dem Stickgrund zusätzlich Druckgurte in Form von Verstärkungsfasersträngen aufgelegt werden, welche auf der den Zuggurten gegenüberliegenden Außenseite, d. h. der inneren Berandung, der Flanschbohrung um dieselbe verlaufen, sodass die Verstärkungsfaserstränge einen Knick an der Position aufweisen, an der die Schenkel der Faserstränge die Flanschbohrung berühren.
Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines mit diesem Verfahren hergestellten Flanschverstärkungselementes und drei Figuren beschrieben; hierzu zeigen in schematischer Darstellung die

1 : einen Ausschnitt des Flanschverstärkungselementes in Draufsicht;
2: einen Zuggurt in Draufsicht und im Querschnitt; und
3: einen Zuggurt und eine Ausführungsvariante eines Druckgurts in Draufsicht.

1 verdeutlicht den Verlauf der Verstärkungsfaserstränge 3 und 4 auf dem Stickgrund 8. Der Stickgrund 8 weist die Flanschbohrungen 2 auf, welche regelmäßig zueinander beabstandet entlang einer Linie, welche parallel zu der ersten Außenkante 8.1 des Stickgrunds verläuft, angeordnet sind. Es sind die Verstärkungsfaserstränge 3 der Zuggurte und die die Druckgurte bildenden Verstärkungsfaserstränge 4 dargestellt. Um jedes Flanschloch 2 sind mehrere Verstärkungsfaserstränge 3, welche den Zuggurt bilden, in einer Schlaufe um die äußere Berandung der vorgesehenen Flanschbohrung 2 herum geführt. Die Faserstränge 3 laufen von der zweiten Außenkante 8.2 des bandartigen Stickgrunds 8 in Richtung der Flanschbohrung 2, folgen der Außenlinie der Flanschbohrung, wobei ein Kreisbogen gebildet wird, und laufen weiter in gerader Linie zurück zur zweiten Außenkante 8.2 des Stickgrunds 8, wobei zwischen den beiden Schenkeln 3.1 und 3.2 des Faserstrangs 3 der Öffnungswinkel α gebildet ist. Dieser Öffnungswinkel α der Zuggurte wird den zu erwartenden Flanschbelastungen entsprechend gewählt.
Die Verstärkungsfaserstränge 4 der Druckgurte sind in ähnlicher Weise auf dem Stickgrund 8 angeordnet, wobei sie jedoch kreisförmig um das Flanschloch 2 entlang der inneren Berandung geführt sind, Auf diese Art wird die Flanschbohrung 2 komplett von Verstärkungsfasersträngen 3 und 4 umschlossen. Die Verstärkungsfaserstränge 3 der Zuggurte und 4 der Druckgurte sind nebeneinander auf dem Stickgrund 8 angeordnet. Zur Fixierung auf dem Stickgrund 8 werden sie mit den Stickfäden 6 in einem Zick-Zack-Muster darauf festgenäht.
2 zeigt die Verstärkungsfaserstränge 3 eines um ein Flanschloch 2 angeordneten Zuggurtes. Die Breite d des Zuggurtes am Auslauf der Schenkel ist um ein Vielfaches größer als die Breite des Zuggurtes an der Flanschbohrung 2. Im Querschnitt A-A ist zu sehen, dass entsprechend die Höhe des Zuggurtes über dem Stickgrund 8 an der Flanschbohrung 2 am größten ist.
In 3 ist eine Ausgestaltungsvariante des Druckgurtes zu sehen. Die Verstärkungsfaserstränge 4 des Druckgurtes werden während der Herstellung des Flanschverstärkungselementes parallel zu den Verstärkungsfasersträngen 3 des Zuggurtes und somit direkt auf die Bohrung 2 gelegt, wodurch die Flanschbohrung 2 durch die Verstärkungsfaserstränge 4 des Druckgurtes verdeckt wird. Erst nach dem Stickprozess, bei dem die Verstärkungsfaserstränge 3 und 4 auf dem Stickgrund 8 vernäht werden, werden die Flanschbohrungen 2 ausgestanzt, wodurch die Faserstränge 4 der Druckgurte in zwei Teile geschnitten werden. Alternativ kann das Einbringen der Flanschbohrungen 2 auch erst nach der Harzinjektion und Aushärtung erfolgen. Für diesen Fall sind im Stickgrund 8 Bohrungen 9 vorzusehen, welche zur Fixierung der Position des Flanschverstärkungselementes im Flanschbereich einer Faserverbund-Hohlkörperstruktur mittels beispielsweise Bolzen dient.
Bezugszeichenliste

2: Flanschbohrung
3: Verstärkungsfaserstrang (Zuggurt)
3.1: erstes Teilstück/Schenkel
3.2: zweites Teilstück/Schenkel
4: Verstärkungsfaserstrang (Druckgurt)
6: Stickfaden
8: Stickgrund
8.1: erste Außenkante des Stickgrunds
8.2: zweite Außenkante des Stickgrunds
9: Positionierbohrung
α: Öffnungswinkel
d: Breite (Zuggurt)

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Verstärkung für Flanschstrukturen aus Faserverbundwerkstoff umfassend die folgenden Schritte: - Bereitstellen eines bandförmigen Stickgrunds (8) aus Fasergewebe; - Auf- oder Einbringen von kreisförmigen Platzhaltern (2) für Flanschbohrungen im Randbereich entlang einer ersten Längsseite (8.1) des Stickgrunds (8), wobei die Platzhalter (2) auf einer Linie parallel zu der ersten Längsseite (8.1) und von dieser bis maximal zur Mitte des Stickgrunds beabstandet angeordnet werden; - Auflegen von Verstärkungsfasersträngen (3) auf den Stickgrund (8) als Zuggurt, die die Platzhalter (2) partiell umschließen, wobei die Verstärkungsfaserstränge (3) jeweils mit einem ersten Teilstück (3.1) in gerader Linie von der zweiten, der ersten gegenüberliegenden, Längsseite (8.2) des Stickgrunds (8) tangential an den kreisförmigen Rand des Platzhalters (2) geführt werden, in dem Bereich zwischen der ersten Längsseite (8.1) des Stickgrunds (8) und dem Platzhalter (2) in einem Kreisbogen um den Platzhalter (2) herum und tangential vom Platzhalter (2) weg in einem Winkel (α) zu dem ersten Teilstück (3.1) des Verstärkungsfaserstrangs (3) mit einem zweiten Teilstück (3.2) wieder in gerader Linie zu der zweiten Längsseite (8.2) geführt werden, sodass die Verstärkungsfaserstränge (3) jeweils eine halboffene Schlaufe mit zwei geradlinigen Schenkeln (3.1, 3.2) und einem Öffnungswinkel (α) in einem Bereich von 15° bis 150° zwischen den beiden geradlinigen Schenkeln (3.1, 3.2) bilden; - Verweben jedes Verstärkungsfaserstrangs (3) an den Schenkeln (3.1, 3.2) der Schlaufen mit Verstärkungsfasersträngen (3), welche als Schlaufe um benachbarte Platzhalter für Flanschbohrungen (2) verlaufen; - Aufsticken der Verstärkungsfaserstränge (3) auf dem Stickgrund (8) mit einem Stickfaden (6); - Umbiegen des Stickgrunds (8) um etwa 90° entlang einer Längskante, die parallel zu der zweiten Längsseite (8.2) bis maximal zur Mitte des Stickgrunds beabstandet ist, und Drapieren des so gestalteten Stickgrunds (8) mit den darauf aufgestickten Verstärkungsfasersträngen (3) auf einer Flanschstruktur eines Faserverbund-Hohlkörpers; und - Konsolidieren des Stickgrunds (8) mit den aufgestickten Verstärkungsfasersträngen (3) in der Flanschform durch Binden oder lokales Verkleben oder Vernähen;
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Verstärkungsfaserstränge (3) in einer Schlaufe (3.1, 3.2) um jeden Platzhalter (2) gelegt werden, wobei die Verstärkungsfaserstränge (3) auf dem Stickgrund (8) an den Schenkeln (3.1, 3.2) der Schlaufe nebeneinander liegend und am Kreisbogen der Schlaufe in Form eines Stapels übereinander angeordnet werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich Verstärkungsfaserstränge (4) als Druckgurt jeweils in dem von den beiden Schenkeln (3.1, 3.2) und dem Kreisbogen der Verstärkungsfaserstränge (3) jedes Zuggurts eingeschlossenen Bereich in einer Schlaufe auf dem Stickgrund (8) abgelegt, mit den kreuzenden Verstärkungsfasersträngen (3, 4) verwoben und mit dem Stickfaden (6) auf dem Stickgrund (8) aufgestickt werden, wobei die Verstärkungsfaserstränge (4) des Druckgurts zumindest in den Bereichen der Schenkel (3.1, 3.2) parallel zu den Verstärkungsfasersträngen (3) des Zuggurts verlaufen.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Einbringen von Flanschbohrungen (2) an den Positionen, die durch die kreisförmigen Platzhalter (2) definiert sind, die Verstärkungsfaserstränge (4) der Druckgurte von den Flanschbohrungen (2) in zwei Hälften zerteilt werden, wobei der Kreisbogen der Verstärkungsfaserstränge (4) herausgeschnitten wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsfaserstränge (4) der Druckgurte in einem Kreisbogen den Verstärkungsfasersträngen (3) der Zuggurte gegenüberliegend an die Platzhalter (2) geführt werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der für die Fixierung der Verstärkungsfaserstränge (3, 4) auf dem Stickgrund (8) verwendete Stickfaden (6) aus einem Material, welches in der Kunststoffmatrix des Faserverbundwerkstoffes löslich ist, verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Platzhalter (2) für Flanschbohrungen auf den Stickgrund (8) aufgedrückte Wickelpins oder durch in den Stickgrund (8) eingebrachte Bohrungen geführte Wickelpins verwendet werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stickgrund (8) vor dem Umbiegen und Drapieren zu einer für den Flansch benötigten Grundform zugeschnitten wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den Stickgrund (8) in einem nach der Fertigstellung eines Flansches ab- oder herausgeschnittenen Bereich zusätzliche Positionierbohrungen (9) eingebracht werden, in die nach dem Drapieren auf der Flanschstruktur zur Fixierung der Position Bolzen eingeführt werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stickgrund (8) verwendet wird, bei dem die Gewebefasern mit einer Faserorientierung von ±45° bezüglich einer Außenkante des Stickgrunds (8) angeordnet sind.