DE102016100191A1

DE102016100191A1 - Faserverbundbauteil und Strukturbauteil sowie Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE102016100191A1
Application number: DE102016100191.0A
Authority: DE
Inventors: Florian Rubner
Original assignee: Wobben Properties GmbH
Current assignee: Wobben Properties GmbH
Priority date: 2016-01-06
Filing date: 2016-01-06
Publication date: 2017-07-06
Also published as: WO2017118578A1; JP2019506481A; KR102121884B1; KR20180100404A; EP3400131A1; CA3008752A1; US20190001610A1; CN108472887A; BR112018013702A2; US11285688B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Faserverbundbauteil, umfassend ein Basiselement, das in ein Matrixmaterial eingebettete Fasern umfasst. Die Erfindung betrifft ferner ein Herstellungsverfahren für ein Faserverbundbauteil. Die Erfindung betrifft weiterhin ferner ein Strukturbauteil, umfassend ein Trägerelement und ein Verstärkungselement sowie ein Herstellungsverfahren für das Strukturbauteil. Das Faserverbundbauteil umfasst ein Basiselement, umfassend in ein Matrixmaterial eingebettete Fasern, und ein Verstärkungselement, umfassend in ein Matrixmaterial eingebettete Fasern, wobei das Basiselement und das Verstärkungselement miteinander verbunden sind, ein Loch durch das Basiselement und das Verstärkungselement führt, wobei an das Loch angrenzende Fasern des Basiselements durchtrennt sind, und an das Loch angrenzende Fasern des Verstärkungselements durchgängig sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Faserverbundbauteil, umfassend ein Basiselement, das in ein Matrixmaterial eingebettete Fasern umfasst. Die Erfindung betrifft ferner ein Herstellungsverfahren für ein Faserverbundbauteil. Die Erfindung betrifft ferner ein Strukturbauteil, umfassend ein Trägerelement und ein Verstärkungselement. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren für ein Strukturbauteil.
Faserverbundbauteile der eingangs genannten Art sind im Wesentlichen aus Faserverbundmaterialien hergestellt, die zwei Hauptbestandteile aufweisen. Die Hauptbestandteile sind ein Matrixmaterial und Fasern, wobei die Hauptbestandteile derartige Wechselwirkungen miteinander aufweisen, dass das Faserverbundmaterial höherwertige Eigenschaften aufweist als jede der beiden einzelnen beteiligten Hauptbestandteile.
Das Matrixmaterial bildet die Matrix aus, die die Fasern in ihrer Position halten und Spannungen zwischen den Fasern übertragen und verteilen. Darüber hinaus dient die Matrix dem Schutz der Fasern vor äußeren mechanischen und chemischen Einflüssen. Die Fasern erhöhen die Festigkeit des Materials, die in Abhängigkeit des Faserverlaufs in der Matrix entweder richtungsabhängig (anisotrop) oder richtungsunabhängig (isotrop) ist.
Faserverbundmaterialien werden in unterschiedlichen Bereichen der Technik eingesetzt, insbesondere für Anwendungen in denen ein geringes Bauteilgewicht bzw. ein genereller Leichtbau und hohe Festigkeiten angestrebt werden. Beispielhafte Produkte für die Anwendung von Faserverbundmaterialien sind Flugzeuge, Automobile, Rotoren für Windenergieanlagen oder Sportgeräte.
Strukturbauteile der eingangs genannten Art kommen als Bestandteile technischer Erzeugnisse in einem Großteil technischer Produkte vor. Die eingesetzten Materialien zur Herstellung von Strukturbauteilen umfassen beispielsweise Stahl, Aluminium, Titan, sonstige metallische Materialien, Gusswerkstoffe, Kunststoff, Holz und/oder sonstige Materialien.
Häufig bestehen Produkte, die Faserverbundbauteile und/oder Strukturbauteile umfassen, aus mehr als einem Bauteil, was dazu führt, dass die Bauteile miteinander verbunden werden müssen. Zu diesem Zweck werden in die Faserverbundbauteile und/oder Strukturbauteile häufig Löcher, vorzugsweise Bohrungen, eingebracht, um beispielsweise eine Schraubverbindung oder andere lösbare und/oder nicht-lösbare Verbindungen anzubringen. Die Löcher wirken dabei als Kerben, so dass eine Kerbwirkung am Faserverbundbauteil oder Strukturbauteil auftritt. Die Bauteile werden an diesen Stellen durch eine Spannungskonzentration geschwächt und es kann zum technischen Versagen der Bauteile kommen.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Faserverbundbauteil und ein Strukturbauteil sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils und eines Strukturbauteils bereitzustellen, welche einen oder mehrere der genannten Nachteile vermindern oder beseitigen. Insbesondere ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Faserverbundbauteil und ein Strukturbauteil sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils und eines Strukturbauteils bereitzustellen, welche eine Bauteilschwächung im Bereich der Löcher reduziert und/oder aufhebt.
Die Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt gelöst durch ein Faserverbundbauteil umfassend ein Basiselement, umfassend in ein Matrixmaterial eingebettete Fasern, und umfassend ein Verstärkungselement, umfassend in ein Matrixmaterial eingebettete Fasern, wobei das Basiselement und das Verstärkungselement miteinander verbunden sind, ein Loch durch das Basiselement und das Verstärkungselement führt, wobei an das Loch angrenzende Fasern des Basiselements durchtrennt sind, und an das Loch angrenzende Fasern des Verstärkungselements durchgängig sind.
Das Faserverbundbauteil weist ein Basiselement auf, das ein Matrixmaterial und in diesem eingebettete Fasern umfasst oder aus diesen besteht. Das Basiselement ist dabei als ein Bestandteil eines technischen Bauteils zu verstehen, beispielsweise ein einteiliger Rotor oder ein Teil eines Rotors einer Windenergieanlage.
Ferner ist das Basiselement aus einem Faserverbundmaterial hergestellt, wobei das Faserverbundmaterial im Wesentlichen das Matrixmaterial und die Fasern umfasst oder aus diesen besteht. Die Fasern werden vorzugsweise als vorgefertigte Halbzeuge eingebracht, so dass die Faserrichtung durch das verwendete Halbzeug bestimmt wird. Beispielsweise kann die genaue Richtung des Faserverlaufs an unterschiedlichen Stellen des Basiselements lediglich eingeschränkt bestimmbar sein.
Die Erfindung beruht unter anderem auf der Erkenntnis, dass ein gekerbtes und mit einer Kraft beaufschlagtes Faserverbundbauteil eine lokale Spannungskonzentration erfährt. Aufgrund dessen werden in existierenden Lösungen Bauteilbereiche mit einer Spannungskonzentration oft derart verstärkt, dass der kraftaufnehmende Querschnitt vergrößert wird und somit die Spannung reduziert wird. Eine übliche Maßnahme zur Vergrößerung des kraftaufnehmenden Querschnitts ist das Vorsehen von mehr Material an entsprechenden Bauteilbereichen.
Es wird daher im Stand der Technik häufig eine Materialaufdickung vorgesehen, so dass das Bauteil trotz der Kerbwirkung eine ausreichende Festigkeit aufweist. Eine derart gestaltete Materialaufdickung resultiert im Allgemeinen in einer hohen Gewichtszunahme, die insbesondere bei Faserverbundmaterialien dem forcierten Leichtbaueffekt entgegen wirkt. Darüber hinaus schränkt die derart gestaltete Materialaufdickung den konstruktiven Freiraum ein und kann das ästhetische Formempfinden stören. Weiterhin ist eine derart gestaltete Materialaufdickung mit hohen Kosten verbunden, da Faserverbundmaterialien in der Regel durch einen hohen Materialpreis charakterisiert sind.
Das erfindungsgemäße Faserverbundbauteil beruht unter anderem auf der Erkenntnis, dass eine starke Materialaufdickung sowie die erläuterten Nachteile einer derartigen Materialaufdickung durch ein Verstärkungselement vermieden werden können. Das Verstärkungselement ist ein Bestandteil des Faserverbundbauteils und mit dem Basiselement verbunden. Das Verstärkungselement ist in einem Bereich des Basiselements angeordnet, in dem eine Spannungskonzentration, beispielsweise durch ein Loch, auftritt, und ermöglicht es, die hier vormals vorgesehene Materialaufdickung zu ersetzen.
Das Verstärkungselement umfasst ebenfalls ein Faserverbundmaterial oder besteht daraus, wobei das Faserverbundmaterial im Wesentlichen aus einem Matrixmaterial und Fasern besteht. Vorzugsweise weist das Faserverbundmaterial des Verstärkungselements teilweise oder vollständig das gleiche Matrixmaterial und/oder teilweise oder vollständig die gleichen Fasern wie das Basiselement auf. Alternativ kann das Faserverbundmaterial des Verstärkungselements nicht das gleiche Matrixmaterial und/oder nicht die gleichen Fasern wie das Basiselement aufweisen.
Die Form des Verstärkungselements ist vorzugsweise an die Belastungssituation im Faserverbundbauteil angepasst. Dabei wird die geometrische Form des Verstärkungselements vorzugsweise durch eine Simulation der Kräfte bzw. des Kraftflusses und/oder der Spannungen im Basiselement und im Verstärkungselement bestimmt. Ferner kann die Ausrichtung der Fasern entsprechend der jeweils lokal herrschenden Kraftflussrichtung angepasst werden, um eine möglichst hohe Steifigkeit des Materials zu erzielen und den Materialeinsatz zu minimieren. Eine derartige Simulation kann beispielsweise auf Basis der Finite Elemente Methode erfolgen. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist das Verstärkungselement einen länglichen Querschnitt auf. Der Querschnitt ist hier so zu verstehen, dass es sich um einen Querschnitt orthogonal zu einer Längsachse des Lochs im Bereich des Verstärkungselements handelt. Der Querschnitt des Verstärkungselements kann grundsätzlich jegliche Form annehmen, wobei diese insbesondere durch den Kraftfluss bestimmt wird. Vorzugsweise kann das Verstärkungselement einen kreisrunden oder quadratischen Querschnitt aufweisen. Ferner vorzugsweise ist die Höhe des Verstärkungselements, gemessen parallel zu einer Durchgangsachse des Lochs, in der Mitte und/oder im Bereich des Lochs des Verstärkungselements am größten, wobei die Höhe zu den Seiten hin abnimmt und einen vorzugsweise bündigen Übergang zum Basiselement ermöglicht.
Alternativ kann für das Verstärkungselement ein geometrischer Standard definiert werden, so dass das Verstärkungselement für einen Großteil von Basiselementen und Belastungssituationen geeignet ist. Diese alternative Variante ermöglicht eine besonders kostengünstige Herstellung des Verstärkungselements aufgrund der gesteigerten Stückzahl.
Verstärkungselemente der beschriebenen Art bieten gegenüber der konventionellen Materialaufdickung aufgrund der durchgängigen Fasern des Faserverbundmaterials den Vorteil einer höheren Steifigkeit, so dass weniger Material eingesetzt werden muss. Daher können die Vorteile einer verbesserten Materialausnutzung, eines geringeren Gewichts, einer besseren Ästhetik und geringerer Kosten realisiert werden.
Ferner umfasst das Verstärkungselement einen Bereich oder eine Seite, der oder die ausgebildet ist, als Auflagefläche zu dienen, vorzugsweise um das Verstärkungselement an dem Basiselement anzubringen. Das Basiselement weist demnach ebenfalls einen geeigneten Bereich oder eine geeignete Seite auf, um das Verstärkungselement an dem Basiselement anzubringen. Ferner vorzugsweise sind diese Flächen aufeinander abgestimmt, so dass die Auflagefläche des Verstärkungselements einen vollständigen Kontakt zur Auflagefläche des Basiselements aufweist.
Das Basiselement und das Verstärkungselement sind ferner miteinander verbunden. Miteinander verbunden kann im vorliegenden Zusammenhang vorzugsweise bedeuten, dass das Basiselement und das Verstärkungselement in einem oder mehreren Bereichen aneinander anliegen. Die Verbindung zwischen dem Basiselement und dem Verstärkungselement kann stoff-, kraft- und/oder formschlüssig ausgebildet sein. Besonders bevorzugt ist eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Basiselement und dem Verstärkungselement. Ferner vorzugsweise ist diese Verbindung lösbar gestaltet, um das Faserverbundbauteil zu demontieren, beispielsweise um Verschleißteile auszutauschen und/oder um einen einfacheren Transport zu ermöglichen.
Das erfindungsgemäße Faserverbundbauteil beruht ferner auf der Erkenntnis, dass zur Verbindung von mehreren Faserverbundbauteilen häufig Verbindungselemente verwendet werden, die ein Loch in einem oder mehreren der zu verbindenden Bauteile erfordern. Daher führt erfindungsgemäß ein Loch durch das Basiselement und durch das Verstärkungselement. Das Loch weist dabei einen Querschnitt auf, der vorzugsweise über die gesamte axiale Länge des Lochs gleich ist oder alternativ vorzugsweise über die axiale Länge des Lochs veränderlich ist. Insbesondere besteht die Möglichkeit, den Querschnitt des Lochs im Bereich des Basiselements andersartig zu gestalten als im Bereich des Verstärkungselements. Diese Andersartigkeit kann sich auf den Durchmesser des Lochs und/oder auf die Geometrie des Querschnitts des Lochs beziehen. Das Loch kann ferner vorzugsweise einen im Wesentlichen runden, ovalen, dreieckigen oder mehreckigen, schlitzförmigen und/oder geometrisch undefinierten Querschnitt aufweisen.
Ferner vorzugsweise ist das Loch als Durchgangsloch vorgesehen. In dieser bevorzugten Variante führt das Loch vollständig durch das Basiselement und das Verstärkungselement hindurch. Alternativ vorzugsweise ist das Loch als Sackloch vorgesehen. In dieser bevorzugten Variante führt das Loch entweder durch das Verstärkungselement vollständig hindurch, tritt jedoch nicht aus dem Basiselement wieder aus, oder das Loch führt durch das Basiselement vollständig hindurch, tritt jedoch nicht aus dem Verstärkungselement wieder aus.
Die an das Loch angrenzenden Fasern des Faserverbundmaterials des Basiselements sind im Wesentlichen durchtrennt. Vorzugsweise ist die Lochkante des Lochs des Basiselements im Wesentlichen durch die Trennflächen der durchtrennten, an das Loch angrenzenden Fasern und das Matrixmaterial gebildet. Vorzugsweise werden die Fasern der Lochkante bzw. im Bereich der Lochkante beim und/oder durch das Herstellen des Lochs durchtrennt, beispielsweise durch einen Bohrvorgang. Sowohl im Loch bzw. durch das Loch des Basiselements als auch im Loch bzw. durch das Loch des Verstärkungselements verlaufen keine Fasern.
Erfindungsgemäß sind an das Loch angrenzende Fasern des Faserverbundmaterials des Verstärkungselements durchgängig. Durchgängig ist in diesem Zusammenhang insbesondere dahingehend zu verstehen, dass die im Verstärkungselement enthaltenen Fasern nicht durchtrennt sind und somit auch keine Trennflächen aufweisen, insbesondere nicht die im Bereich der Lochkante verlaufenden Fasern. Vorzugsweise verlaufen die Fasern durchgängig um das Loch herum, insbesondere im Bereich der Lochkante. Ferner vorzugsweise verlaufen die Fasern in im Wesentlichen tangentialer Richtung um das Loch herum und/oder tangential an der Lochkante entlang.
Bei nicht durchgängigen Fasern ist die Kraftübertragung innerhalb des Faserverbundmaterials weniger homogen als in Faserverbundmaterialien mit durchgängigen Fasern. Die Durchgängigkeit der Fasern hat demnach den besonderen Vorteil, dass die Festigkeit des Bauteils besonders hoch ist. Ferner hat die beschriebene Anordnung der Fasern im Verstärkungselement den Vorteil, dass die Fasern im Umfeld des Lochs, insbesondere im Bereich der Lochkante, verdichtet sind, so dass die Festigkeit gerade in diesem in der Regel höher beanspruchten Bereich wiederum positiv beeinflusst wird.
In dieser Beschreibung sind durchtrennte bzw. durchgängige Fasern so zu verstehen, dass darunter die Fasern in ihrer jeweiligen Erscheinungs- bzw. Verarbeitungsform fallen. Wenn die Fasern des Basiselements beispielsweise als Gewebe, und/oder Gelege, und/oder Multiaxialgelege, und/oder Gesticke, und/oder Vließstoff, und/oder Matten und/oder Geflechte innerhalb des Matrixmaterials angeordnet sind, sind mit durchtrennten Fasern entsprechend auch durchtrennte Gewebe, Gelege, Multiaxialgelege, Gesticke, Vließstoff, Matten und/oder Geflechte gemeint oder Teile bzw. Abschnitte davon. Wenn die Fasern des Verstärkungselements beispielsweise als Faserbündel, vorzugsweise als Rovings, innerhalb des Matrixmaterials angeordnet sind, sind mit durchgängigen Fasern entsprechend auch durchgängige Faserbündel oder Rovings gemeint oder Teile bzw. Abschnitte davon. Vorzugsweise kommen Faserbündel oder Rovings in (handels-)üblicher Qualität zum Einsatz, insbesondere mit üblichen Spleiß-Stellen (splice-Stellen).
Die Kombination eines Basiselements, bei dem in herkömmlicher Weise ein Loch hergestellt wird, in dem die Fasern durchtrennt werden, mit einem Verstärkungselement, bei dem die Fasern so gelegt sind, dass sie um das Loch durchgängig herum verlaufen, hat den Vorteil, dass die Kostenersparnisse bei der Herstellung des Basiselements mit der erhöhten Festigkeit und Steifigkeit des Verstärkungselements in einem gemeinsamen Faserverbundbauteil zusammengebracht werden können.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Faserverbundbauteils sind die Fasern des Basiselements als Gewebe, und/oder Gelege, und/oder Multiaxialgelege, und/oder Gesticke, und/oder Vließstoff, und/oder Matten und/oder Geflechte innerhalb des Matrixmaterials angeordnet, und die Fasern des Verstärkungselements liegen als Faserbündel, vorzugsweise als Rovings, vor.
Die Fasern des Basiselements liegen in einer oder mehreren der zuvor genannten Formen vorzugsweise bereits als Halbzeug vor. Dadurch besteht die Möglichkeit einer wirtschaftlichen Fertigung des Basiselements und insbesondere auch die Möglichkeit großvolumige Elemente mit einem vertretbaren Zeitaufwand herstellen zu können. Durch die Nutzung derartiger Halbzeuge besteht jedoch in der Regel nicht die Möglichkeit, dass bestimmte, filigrane Geometrieelemente, wie beispielsweise Löcher, während der Verlegung der Halbzeuge bereits erzeugt werden.
Die Fasern des Verstärkungselements liegen in Form von Faserbündeln, vorzugsweise Rovings, vor, die sehr flexibel verlegt werden können und somit auch komplexe Geometrien erzeugt werden können. Ein Faserbündel besteht aus einer Faser oder aus mehr als einer Faser. Besteht das Faserbündel aus mehr als einer Faser sind die Fasern im Wesentlichen parallel angeordnet und vorzugsweise handelt es sich um sogenannte Endlosfasern. Faserbündel und Rovings im Speziellen werden üblicherweise gemäß ihrer Faseranzahl oder ihrer längenbezogener Masse kategorisiert.
Die Faserbündel können kraftflussorientiert verlegt werden, so dass eine sehr hohe Festigkeit des Materials erzielt werden kann. Kraftflussorientiert verlegte Fasern sind derart zu verstehen, dass die Faserbündel entlang der Hauptlastpfade bzw. der Hauptspannungen verlegt werden. Das kraftflussorientierte Verlegen von Faserbündeln erfordert daher eine Kenntnis über den im Bauteil verlaufenden Kraftfluss bzw. der Richtung der im Bauteil lokal wirkenden Spannungen. Diese Kenntnis wird vorzugsweise über eine Simulation, ferner vorzugsweise auf Basis einer Finite-Elemente Simulation erlangt. Diese hohe Festigkeit wiederum resultiert in der Regel darin, dass weniger Material zur Aufnahme von durch äußere Kräfte induzierten Spannungen benötigt wird. Die hohe Flexibilität bei der Verlegung bei Faserbündel resultiert darin, dass die Fasern beispielsweise um Geometrieelemente herum verlegt werden können.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Faserverbundbauteils sieht vor, dass die Fasern des Basiselements und/oder Verstärkungselements organische Fasern, und/oder anorganische Fasern, und/oder Naturfasern umfassen oder sind.
Anorganische Fasern sind beispielsweise Glasfasern, Basaltfasern, Borfasern, Keramikfasern oder Stahlfasern. Organische Fasern sind beispielsweise Aramidfasern, Kohlenstofffasern, Polyesterfasern und Polyethylenfasern (insbesondere High Performance Polyethylene (HPPE) Fasern, wie beispielsweise Dyneema-Fasern). Naturfasern sind beispielsweise Hanffasern, Flachsfasern oder Sisalfasern.
In einer Variante einer bevorzugten Ausführungsform des Faserverbundbauteils bestehen die Fasern des Basiselements ausschließlich aus Glasfasern oder ausschließlich aus Kohlestofffasern oder ausschließlich aus Aramidfasern. In einer weiteren Variante einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Basiselement zwei unterschiedliche Fasern ausgewählt aus Glasfasern, Kohlestofffasern und Aramidfasern. Eine weitere Variante einer bevorzugten Ausführungsform sieht vor, dass das Basiselement Glasfasern, Kohlstofffasern und Aramidfasern umfasst. Ferner vorzugsweise können die Fasern des Basiselements auch aus einer anderen Faser bestehen oder diese umfassen, die dazu ausgebildet und geeignet ist, in einem Faserverbundwerkstoff verarbeitet zu werden.
In einer Variante einer bevorzugten Ausführungsform des Faserverbundbauteils bestehen die Fasern des Verstärkungselements ausschließlich aus Glasfasern oder ausschließlich aus Kohlestofffasern oder ausschließlich aus Aramidfasern. In einer weiteren Variante einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verstärkungselement zwei unterschiedliche Fasern ausgewählt aus Glasfasern, Kohlestofffasern und Aramidfasern. Eine weitere Variante einer bevorzugten Ausführungsform sieht vor, dass das Verstärkungselement Glasfasern, Kohlstofffasern und Aramidfasern umfasst. Ferner vorzugsweise können die Fasern des Verstärkungselements auch aus einer anderen Faser bestehen oder diese umfassen, die dazu ausgebildet und geeignet ist, in einem Faserverbundwerkstoff verarbeitet zu werden.
Das Vorsehen lediglich einer einzigen Faserart, beispielsweise ausschließlich Glasfasern, ist dahingehend vorteilhaft, dass innerhalb des Bauteils keine Steifigkeitssprünge entstehen und die Herstellung im Allgemeinen vereinfacht ist. Ferner können die vollständigen Vorteile der einen Faser genutzt werden. Das Vorsehen von zwei oder mehr Arten von Fasern, beispielsweise Glasfasern und Aramidfasern oder Glasfasern und Kohlenstofffasern kann einen Vorteil hinsichtlich der Nutzung der spezifischen Vorteile der eingesetzten Fasern herbei führen.
Eine weitere bevorzugte Fortbildung des Faserverbundbauteils sieht vor, dass das Matrixmaterial des Basiselements und/oder des Verstärkungselements einen Kunststoff umfasst oder daraus besteht, und der Kunststoff vorzugsweise ein Thermoplast und/oder ein Duroplast umfasst oder daraus besteht, und/oder dass das Matrixmaterial des Basiselements und/oder des Verstärkungselements Zement umfasst oder daraus besteht, und/oder Beton umfasst oder daraus besteht, und/oder Metall umfasst oder daraus besteht, und/oder Keramik umfasst oder daraus besteht, und/oder Kohlenstoff umfasst oder daraus besteht.
Eine Matrix mit einer thermoplastischen Matrix hat den Vorteil, dass sich das erzeugte Faserverbundbauteil noch umformen und verschweißen lässt. Dies hat insbesondere seine Ursache darin, dass das thermoplastische Matrixmaterial mehrfach aufgeschmolzen werden kann. Faserverbundbauteile, die ein Duroplast als Matrixmaterial aufweisen oder aus diesem bestehen, zeichnen sich durch eine besonders hohe Festigkeit aus.
Der Einsatz von Zement, Beton, Metall, Keramik und/oder Kohlenstoff ermöglicht die Nutzung der spezifischen Vorteile der genannten Materialien, die sich insbesondere aber nicht ausschließlich auf deren Steifigkeiten hinsichtlich Zug- und/oder Druckkräfte, deren spezifisches Gewicht, und/oder deren Verarbeitbarkeit beziehen.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Faserverbundbauteils sieht vor, dass das Basiselement und das Verstärkungselement stoffschlüssig und/oder formschlüssig miteinander verbunden sind, und/oder das Basiselement und das Verstärkungselement über Fasern, die in das Matrixmaterial des Basiselements und in das Matrixmaterial des Verstärkungselements eingebettet sind, miteinander verbunden sind, und/oder das Verstärkungselement an einem dem Basiselement abgewandten Ende des Lochs eine orthogonal zur Durchtrittsrichtung des Loches ebene Auflagefläche zur Aufnahme eines Verbindungselements aufweist.
Eine derartige stoffschlüssige Verbindung ist insbesondere zu verstehen als eine Verbindung, die durch stoffliches Ineinandergreifen der beteiligten Materialien zustande kommt. Vorzugsweise wird für die Verbindung von Elementen ein weiterer Stoff genutzt, der das stoffliche Ineinandergreifen ermöglicht. In einer weiteren Variante dieser bevorzugten Ausführungsform ist die stoffschlüssige Verbindung mit einem Klebstoff realisiert. Ein Klebstoff ist als ein Material zu verstehen, das mindestens zwei Elemente durch Adhäsion und/oder Kohäsion miteinander verbindet. Ferner vorzugsweise weist der Klebstoff das gleiche Material wie das Matrixmaterial des Basiselements und/oder des Verstärkungselements auf. Ferner vorzugsweise besteht der Klebstoff aus dem gleichen Material wie das Matrixmaterial des Basiselements und/oder des Verstärkungselements.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Fortbildung sind das Basiselement und das Verstärkungselement über Fasern, die in das Matrixmaterial des Basiselements und in das Matrixmaterial des Verstärkungselements eingebettet sind, miteinander verbunden. Die Fasern zum Verbinden des Basiselements und des Verstärkungselements können die gleichen Fasern sein, die das Basiselement und/oder das Verstärkungselement aufweisen. Ferner vorzugsweise sind diese Fasern ausgewählt aus Glasfasern, Kohlenstofffasern und/oder Aramidfasern. In einer besonderen Variante dieser bevorzugten Fortbildung des Faserverbundbauteils ist an der Verbindungsstelle von Basiselement und Verstärkungselement zusätzlich das Matrixmaterial des Basiselements und/oder des Verstärkungselements vorhanden bzw. eingebracht. Ferner vorzugsweise ist an der Verbindungsstelle von Basiselement und Verstärkungselement zusätzlich ein Matrixmaterial vorhanden bzw. eingebracht, das nicht das Matrixmaterial des Basiselements und/oder des Verstärkungselements ist. Die Fasern, über die das Basiselement und das Verstärkungselement miteinander verbunden sind können vorzugsweise als Faserbündel, vorzugsweise Rovings, vorliegen und/oder als Gewebe, Gelege, Multiaxialgelege, Gesticke, Vließstoff, Matten und/oder Geflechte oder Teile bzw. Abschnitte davon ausgebildet sein.
Eine Verbindung des Basiselements und des Verstärkungselements über Fasern ermöglicht eine hohe Festigkeit der Verbindung und eine Homogenität des Faserverbundbauteils. Besonders vorteilhaft ist eine solche Verbindung des Basiselements und des Verstärkungselements durch die Möglichkeit, Spannungssprünge zu reduzieren. Ferner ergibt sich eine sehr gute Lebensdauer der Verbindung. Ferner werden die im Basiselement und im Verstärkungselement übertragenden Kräfte bzw. die entstehenden Kraftflüsse besonders vorteilhaft übertragen.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltungsform des Faserverbundbauteils sieht vor, dass das Basiselement und das Verstärkungselement formschlüssig miteinander verbunden sind. Eine formschlüssige Verbindung entsteht durch ein Ineinandergreifen von mindestens zwei zu verbindenden Elementen, wie es beispielsweise bei einer Nut-Feder-Verbindung, einer Schwalbenschwanzverbindung oder einer Passfeder der Fall ist.
In einer weiteren Variante einer bevorzugten Ausführungsform des Faserverbundbauteils weist das Verstärkungselement an einem dem Basiselement abgewandten Ende des Lochs eine orthogonal zur Durchtrittsrichtung des Loches ebene Auflagefläche zur Aufnahme eines Verbindungselements auf. Die Auflagefläche ist im Umkreis des Loches in das Verstärkungselement eingebracht, so dass beispielsweise eine Unterlegscheibe auf der Auflagefläche angebracht werden kann, so dass das Loch und eine Öffnung der Unterlegscheibe die gleiche Durchtrittsrichtung aufweisen und beispielsweise eine Schraube durch die Öffnung der Unterlegscheibe in das Loch eingeführt werden kann. Ferner vorzugsweise dient die Auflagefläche der unmittelbaren Aufnahme eines Schraubenkopfes. Alternativ vorzugsweise wird in das Loch ein anderweitiges Befestigungsmittel eingeführt, das mit einem Abschnitt und/oder einem Bereich an der Auflagefläche aufliegt.
Für weitere Vorteile, Ausführungsvarianten und Ausführungsdetails des Faserverbundbauteils und seiner Fortbildungen wird auch auf die unten folgende Beschreibung zu den Merkmalen des zugehörigen Herstellungsverfahrens verwiesen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die eingangs genannte Aufgabe gelöst durch ein Verstärkungselement umfassend in ein Matrixmaterial eingebettete Fasern, wobei ein Loch durch das Verstärkungselement führt und das Loch derart bei der Herstellung des Verstärkungselements aus Fasern und einem Matrixmaterial ausgebildet ist, dass die an das Loch angrenzenden Fasern durchgängig sind.
Das erfindungsgemäße Verstärkungselement und seine möglichen Fortbildungen weisen Merkmale auf, die sie insbesondere dafür geeignet machen, für ein erfindungsgemäßes Faserverbundbauteil und Strukturbauteil sowie ihre Fortbildungen verwendet zu werden. Zu den Vorteilen, Ausführungsvarianten und Ausführungsdetails des Verstärkungselements und seiner Fortbildungen wird auf die Beschreibung zu den entsprechenden Merkmalen des Faserverbundbauteils und des Strukturbauteils verwiesen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die eingangs genannte Aufgabe gelöst durch ein Strukturbauteil umfassend ein Trägerelement und ein Verstärkungselement nach dem zuvor beschriebenen Aspekt der Erfindung, wobei das Trägerelement und das Verstärkungselement miteinander verbunden sind, und ein Loch durch das Trägerelement und das Verstärkungselement führt.
Das Strukturbauteil ist ein Bestandteil eines technischen Erzeugnisses. Das Strukturbauteil kann dabei der einzige Bestandteil des technischen Erzeugnisses sein oder auch ein Bestandteil neben weiteren Bestandteilen. Ferner weist das Strukturbauteil ein Trägerelement auf, das vorzugsweise Stahl, Aluminium, Titan, sonstigen metallischen Materialien, Kunststoff, Holz und/oder sonstigen Materialien umfasst oder daraus besteht. Ferner vorzugsweise umfasst das Trägerelement einen Gusswerkstoff oder besteht aus einem oder mehreren Gusswerkstoffen. Das Verstärkungselement weist die zuvor beschriebenen Eigenschaften, Funktionen, Ausführungen und dergleichen auf wie das Verstärkungselement gemäß den zuvor beschriebenen Aspekten der Erfindung.
Das Trägerelement und das Verstärkungselement sind ferner miteinander verbunden. Miteinander verbunden kann im vorliegenden Zusammenhang vorzugsweise bedeuten, dass das Trägerelement und das Verstärkungselement in einem oder mehreren Bereichen aneinander anliegen. Die Verbindung zwischen dem Trägerelement und dem Verstärkungselement kann stoff-, kraft- und/oder formschlüssig ausgebildet sein. Besonders bevorzugt ist eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Basiselement und dem Verstärkungselement. Ferner vorzugsweise ist diese Verbindung lösbar gestaltet, um das Strukturbauteil zu demontieren, beispielsweise um Verschleißteile auszutauschen und/oder um einen einfacheren Transport zu ermöglichen.
Das Loch führt durch das Trägerelement und durch das Verstärkungselement. Das Loch weist dabei einen Querschnitt auf, der vorzugsweise über die gesamte axiale Länge des Lochs gleich ist oder alternativ vorzugsweise über die axiale Länge des Lochs veränderlich ist. Insbesondere besteht die Möglichkeit, den Querschnitt des Lochs im Bereich des Trägerelements andersartig zu gestalten als im Bereich des Verstärkungselements. Diese Andersartigkeit kann sich auf den Durchmesser des Lochs und/oder auf die Geometrie des Querschnitts des Lochs beziehen. Das Loch kann ferner vorzugsweise einen im Wesentlichen runden, ovalen, dreieckigen oder mehreckigen, schlitzförmigen und/oder geometrisch undefinierten Querschnitt aufweisen.
Ferner vorzugsweise ist das Loch als Durchgangsloch vorgesehen. In dieser bevorzugten Variante führt das Loch vollständig durch das Trägerelement und das Verstärkungselement hindurch. Alternativ vorzugsweise ist das Loch als Sackloch vorgesehen. In dieser bevorzugten Variante führt das Loch entweder durch das Verstärkungselement vollständig hindurch, tritt jedoch nicht aus dem Trägerelement wieder aus, oder das Loch führt durch das Trägerelement vollständig hindurch, tritt jedoch nicht aus dem Verstärkungselement wieder aus.
Das Strukturbauteil hat Ähnlichkeit mit dem zuvor beschriebenen Faserverbundbauteil. Insbesondere das Verstärkungselement des Strukturbauteils kann ausgebildet und fortgebildet sein, wie für das Faserverbundbauteil beschrieben. Ein Unterschied des Strukturbauteils zum zuvor beschriebenen Faserverbundbauteil liegt darin, dass das Trägerelement des Strukturbauteils anders als das Basiselement des Faserverbundbauteils keine in ein Matrixmaterial eingebettete Fasern umfasst, sondern ein anderes Material aufweist oder daraus besteht. Das Verstärkungselement kann also nicht nur mit Basiselementen, die als Faser-Matrix-Elemente aufgebaut sind, sondern ebenso mit Trägerelementen, die aus anderen Materialien aufgebaut sind, vorteilhaft eingesetzt werden. Ein derartiges Strukturbauteil mit einem Trägerelement und einem Verstärkungselement ist insbesondere vorteilhaft, da die Möglichkeit besteht, eine Vielzahl an Materialien bzw. Kombinationen aus Materialien einzusetzen. Darüber hinaus kann ein solches Strukturbauteil insbesondere im Leichtbau eingesetzt werden, wobei, trotz eines geringen Materialvolumens, eine hohe Steifigkeit durch entsprechende Verstärkungselemente an Kerben erreicht werden kann. Bezüglich weiterer Vorteile wird auch auf die entsprechende Beschreibung des Faserverbundbauteils verwiesen, die entsprechend auf das Strukturbauteil mit einem Trägerelement aus anderem Material als das Basiselement übertragbar sind. Insbesondere auch die mit Bezug auf das Faserverbundbauteil beschriebenen Fortbildungen gelten – unter Berücksichtigung des vom Basiselements verschiedenen Trägerelements – für das Strukturbauteil entsprechend.
Für weitere Vorteile, Ausführungsvarianten und Ausführungsdetails des Strukturbauteils und seiner Fortbildungen wird auch auf die unten folgende Beschreibung zu den Merkmalen des zugehörigen Herstellungsverfahrens verwiesen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die eingangs genannte Aufgabe gelöst durch ein Faserverbundintegralbauteil, umfassend in ein Matrixmaterial eingebettete Fasern, wobei das Faserverbundintegralbauteil mindestens eine lokale Materialaufdickung aufweist, ein Loch an der Stelle der lokalen Materialaufdickung durch das Faserverbundintegralbauteil führt, und das Loch derart bei der Herstellung des Faserverbundintegralbauteil aus Fasern und einem Matrixmaterial ausgebildet ist, dass die an das Loch angrenzenden Fasern durchgängig sind.
Die Fasern des Faserverbundintegralbauteils sind oder umfassen vorzugsweise Glasfasern, Kohlenstofffasern und/oder Aramidfasern. Die Matrix wird durch ein Matrixmaterial gebildet, das vorzugsweise ein Kunststoff ist oder einen Kunststoff umfasst. Ein Kunststoff ist insbesondere bevorzugt, da dieser in der Regel ein geringes Gewicht aufweist und dementsprechend zur Leichtbauweise des Faserverbundintegralbauteils beiträgt.
Die Materialaufdickung des Faserverbundintegralbauteils weist vorzugsweise einen im Wesentlichen definierten Faserverlauf auf. Ferner sind die Fasern derart angeordnet, dass diese um ein an der Stelle der Materialaufdickung angeordnetes Loch herum verlaufen. Da die Fasern um das Loch herum verlaufen, sind diese durchgängig und nicht durchtrennt.
Durchgängig ist in diesem Zusammenhang insbesondere dahingehend zu verstehen, dass die im Faserverbundintegralbauteil enthaltenen Fasern nicht durchtrennt sind und somit auch keine Trennflächen aufweisen, insbesondere die im Bereich einer Lochkante verlaufenden Fasern nicht. Vorzugsweise verlaufen die Fasern durchgängig um das Loch herum, insbesondere im Bereich der Lochkante. Ferner vorzugsweise verlaufen die Fasern in im Wesentlichen tangentialer Richtung um das Loch herum und/oder tangential an der Lochkante entlang.
Ein erfindungsgemäßes Faserverbundintegralbauteil ist insbesondere bevorzugt, da die Festigkeit im Bereich des Lochs aufgrund der durchgehenden Fasern sehr hoch ist. Die Festigkeit ist insbesondere höher als bei der in existierenden Lösungen vorgesehenen Materialaufdickung mit durchtrennten Fasern, so dass bei gleicher Festigkeit weniger Material eingesetzt werden muss und komplexe Geometrien realisiert werden können.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die eingangs genannte Aufgabe gelöst durch eine Windenergieanlage mit einem Turm, einer Gondel und einem Rotor, dadurch gekennzeichnet, dass die Windenergieanlage ein zuvor beschriebenes Faserverbundbauteil und/oder ein zuvor beschriebenes Strukturbauteil und/oder Faserverbundintegralbauteil nach einem der zuvor beschriebenen Aspekte umfasst. In einer besonderen Variante dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform ist ein erfindungsgemäßes Basiselement als aerodynamischer Rotor ausgeführt, der an einer Nabe der Windenergieanlage befestigt ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die eingangs genannte Aufgabe gelöst durch die Herstellung eines Faserverbundbauteils mit den Schritten Herstellung eines Basiselements aus Fasern und einem Matrixmaterial, Einbringen eines ersten Lochs in das Basiselement, wobei die an das erste Loch angrenzenden Fasern durchtrennt werden, Herstellung eines Verstärkungselements aus Fasern und einem Matrixmaterial derart, dass dabei ein zweites Loch ausgebildet wird, bei dem die an das zweite Loch angrenzenden Fasern durchgängig sind, und Anordnen und Verbinden des Basiselements und des Verstärkungselements derart miteinander, dass das erste Loch und das zweite Loch miteinander verbunden sind, vorzugsweise eine gemeinsame Durchgangsachse besitzen.
Die Herstellung des Basiselements erfolgt vorzugsweise durch den Einsatz von Faserhalbzeugen, in denen die Fasern zusammengefasst sind, da diese bzw. einzelne Faserbündel nur schwer zu handhaben sind. Ferner besteht die Möglichkeit Faserhalbzeuge zu verwenden, die bereits vorimprägniert sind. Vorimprägnierte Faserhalbzeuge zeichnen sich dadurch aus, dass diese nicht nur bereits die Fasern sondern ebenfalls das Matrixmaterial enthalten.
Das erste Loch wird in das Basiselement vorzugsweise nach der Herstellung des Basiselements eingebracht. Das erste Loch ist vorzugsweise als Durchgangsloch mit einer Öffnung an einer Seite des Basiselements sowie einer Öffnung an der gegenüberliegenden Seite des Basiselements ausgebildet. Ferner vorzugsweise wird das erste Loch als Sackloch ausgeführt, das lediglich eine Öffnung an einer Seite des Basiselements aufweist.
Das erste Loch kann auf unterschiedliche Arten in das Basiselement eingebracht werden. Diese Art ist insbesondere abhängig von den Materialien und dem Querschnitt des ersten Lochs. Der Querschnitt des ersten Lochs ist im Rahmen der fertigungstechnischen Möglichkeiten frei wählbar. Vorzugsweise wird hierfür ein trennendes Fertigungsverfahren wie beispielsweise Bohren verwendet. Durch das Einbringen des ersten Lochs werden die Fasern, die an das herzustellende erste Loch angrenzen, durchtrennt. Durch das Einbringen des ersten Lochs wird ferner eine Lochkante ausgebildet, an der die Faserenden zu erkennen sind. Die Faserenden können unterschiedliche Querschnitte aufweisen, die einerseits von dem Ausgangsquerschnitt der Faser und andererseits von der Lage der Faser an der Lochkante abhängig sind.
Die Herstellung des Verstärkungselements erfolgt vorzugsweise über ein Verlegen von Faserbündeln, vorzugsweise von Rovings. Das Verlegen der Faserbündel erfolgt insbesondere derart, dass an einer definierten Stelle ein zweites Loch ausgebildet wird. Die Faserbündel werden daher um dieses zweite Loch herum angeordnet, so dass vorzugsweise keine mechanische Nacharbeit erforderlich ist. Ferner vorzugsweise wird im Rovingverfahren bis 0° gewickelt. Diese Herstellung des zweiten Lochs resultiert darin, dass an das zweite Loch angrenzende Fasern durchgängig sind. Durchgängig ist in diesem Zusammenhang insbesondere derart zu verstehen, dass im Umfeld des zweiten Lochs keine durch das Einbringen des Lochs durchtrennten Fasern vorliegen. Das zweite Loch wird vorzugsweise als Durchgangsloch ausgebildet, das zwei Öffnungen an gegenüberliegenden Seiten des Verstärkungselements aufweist. Alternativ kann das Loch des Verstärkungselements als Sackloch ausgeführt sein, das lediglich an einer Seite des Verstärkungselements eine Öffnung aufweist.
Ein orthogonal zur axialen Achse ausgebildeter Querschnitt des zweiten Lochs kann unterschiedliche Geometrien aufweisen und entsprechend der Belastungssituation durch äußere und/oder innere Kräfte gestaltet werden. Der Querschnitt ist vorzugsweise kreisrund, vorzugsweise oval oder weist ferner vorzugsweise einen Schlitz oder alternativ vorzugsweise drei oder mehr Ecken auf. In einer besonders bevorzugten Variante weist der Querschnitt über die gesamte axiale Länge des ersten und/oder zweiten Lochs eine gleichbleibende Geometrie und/oder gleichbleibende Größe auf. In einer weiteren bevorzugten Variante weist der Querschnitt über die axiale Länge des ersten und/oder zweiten Lochs eine veränderliche Geometrie und/oder veränderliche Größe auf.
Ferner erfolgt das Anordnen und Verbinden des Basiselements und des Verstärkungselements miteinander. Die Anordnung des Basiselements und des Verstärkungselements erfolgt derart, dass die beiden Löcher miteinander verbunden sind, was bedeutet, dass eine Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Loch entsteht, sich die beiden Lochquerschnitte sich also vorzugsweise zumindest teilweise überschneiden. Vorzugsweise weisen das erste Loch und das zweite Loch eine gemeinsame Durchgangsachse auf. Eine gemeinsame Durchgangsachse ist insbesondere bevorzugt, da das Loch vorzugsweise zur Anbringung eines Befestigungsmittels dient. Vorzugsweise sind die beiden Löcher koaxial angeordnet. Die gemeinsame Durchgangsachse muss nicht zwingend jeweils durch eine Mitte des ersten Lochs und/oder des zweiten Lochs führen. Insbesondere ist dies nicht der Fall, wenn der Querschnitt des ersten Lochs und/oder zweiten Lochs nicht rund ausgeführt ist. Ferner können das erste und das zweite Loch versetzt zueinander angeordnet sein, wobei in diesem Fall dennoch eine gemeinsame Durchgangsachse vorhanden sein muss.
Das Befestigungsmittel sollte daher durch und/oder in das erste Loch und das zweite Loch vollständig oder teilweise eingeführt werden können. Das Verbinden des Basiselements mit dem Verstärkungselement erfolgt vorzugsweise stoffschlüssig und/oder formschlüssig und/oder kraftschlüssig.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Herstellungsverfahrens sieht vor, dass zur Herstellung des zweiten Lochs ein Platzhalter verwendet wird. Der Platzhalter wird vor oder während des Verlegens der Faserbündel an der Stelle platziert, an der das Loch erzeugt werden soll. Die Faserbündel werden während der Herstellung des Verstärkungselements um den Platzhalter herum verlegt. Der Platzhalter hat vorzugsweise den gleichen Querschnitt wie das zu erzeugende Loch. Der Platzhalter wird am Ende des Herstellungsprozesses wieder aus dem Verstärkungselement entfernt. Die Nutzung des Platzhalters resultiert insbesondere in einem Loch, das sehr gute Maß- und Formgenauigkeiten aufweist. Ferner besteht die Möglichkeit die Geschwindigkeit der Faserbündelverlegung zu beschleunigen.
Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren des Faserverbundbauteils und seine Fortbildungen weisen Merkmale auf, die sie insbesondere dafür geeignet machen, ein erfindungsgemäßes Faserverbundbauteil und seine Fortbildungen herzustellen. Zu den Vorteilen, Ausführungsvarianten und Ausführungsdetails des Herstellungsverfahrens und seiner Fortbildungen wird daher auch auf die vorangegangene Beschreibung zu den entsprechenden Vorrichtungsmerkmalen des Faserverbundbauteils verwiesen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die eingangs genannte Aufgabe gelöst durch die Herstellung eines Verstärkungselements mit den Schritten Herstellung eines Verstärkungselements aus Fasern und einem Matrixmaterial, wobei ein Loch ausgebildet wird und die an das Loch angrenzenden Fasern durchgängig bleiben.
Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren des Verstärkungselements und seine Fortbildungen seine möglichen Fortbildungen weisen Merkmale auf, die sie insbesondere dafür geeignet machen, ein erfindungsgemäßes Verstärkungselement und seine Fortbildungen herzustellen. Zu den Vorteilen, Ausführungsvarianten und Ausführungsdetails des Herstellungsverfahrens und seiner Fortbildungen wird daher auch auf die vorangegangene Beschreibung zu den entsprechenden Vorrichtungsmerkmalen des Verstärkungselements verwiesen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die eingangs genannte Aufgabe gelöst durch die Herstellung eines Faserverbundintegralbauteils mit den Schritten Herstellung eines Faserverbundintegralbauteils aus Fasern und einem Matrixmaterial derart, dass dabei ein Loch ausgebildet wird, bei dem die an das Loch angrenzenden Fasern durchgängig sind.
Die Herstellung des Faserverbundintegralbauteils erfolgt vorzugsweise über ein Verlegen von Faserbündeln, vorzugsweise von Rovings. Das Verlegen der Faserbündel erfolgt insbesondere derart, dass an einer definierten Stelle das Loch ausgebildet wird. Die Faserbündel werden daher um dieses Loch herum angeordnet, so dass vorzugsweise keine mechanische Nacharbeit erforderlich ist. Ferner vorzugsweise wird im Rovingverfahren bis 0° gewickelt. Zur Herstellung des Lochs wird vorzugsweise ein Platzhalter verwendet.
Diese Herstellung des Lochs resultiert darin, dass an das Loch angrenzende Fasern durchgängig sind. Durchgängig ist in diesem Zusammenhang insbesondere derart zu verstehen, dass im Umfeld des Lochs keine durch das Einbringen des Lochs durchtrennten Fasern vorliegen. Das Loch wird vorzugsweise als Durchgangsloch ausgebildet, das zwei Öffnungen an gegenüberliegenden Seiten des Faserverbundintegralbauteils aufweist.
Ein orthogonal zur axialen Achse ausgebildeter Querschnitt des Lochs kann unterschiedliche Geometrien aufweisen und entsprechend der Belastungssituation durch äußere und/oder innere Kräfte gestaltet werden. Der Querschnitt ist vorzugsweise kreisrund, vorzugsweise oval oder weist ferner vorzugsweise einen Schlitz oder alternativ vorzugsweise drei oder mehr Ecken auf. In einer besonders bevorzugten Variante weist der Querschnitt über die gesamte axiale Länge des Lochs eine gleichbleibende Geometrie und/oder gleichbleibende Größe auf. Alternativ kann der Querschnitt über die axiale Länge des Lochs eine veränderliche Geometrie und/oder veränderliche Größe aufweisen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die eingangs genannte Aufgabe gelöst durch die Herstellung eines zuvor beschriebenen Strukturbauteils, mit den Schritten Herstellung eines Trägerelements, Einbringen eines Lochs in das Trägerelement, Herstellung eines Verstärkungselements mit einem Loch wie zuvor beschrieben, und Anordnen und Verbinden des Trägerelements und des Verstärkungselements derart miteinander, dass das Loch des Trägerelements und das Loch des Verstärkungselements miteinander verbunden sind.
Zur Herstellung des Trägerelements können eine Vielzahl unterschiedlicher Materialien verwendet werden, so dass insbesondere spezifische Anforderungen durch die mechanische Belastungssituation, durch Umwelteinflüsse, an Kosten und/oder an ästhetische Aspekte berücksichtigt werden können. Die Herstellung wird insbesondere auch durch das zu verarbeitende Material beeinflusst. Ferner ist bei dem Einbringen des Lochs in das Trägerelement zu beachten, dass es sich hier um ein nicht-faserverstärktes Material handelt, so dass dieses Einbringen im Allgemeinen mit einem geringeren Aufwand durchzuführen ist als bei dem Einbringen des Lochs in das Basiselement. Dies gilt insbesondere bei Einbringung des Lochs durch ein spanendes Fertigungsverfahren.
Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren des Strukturbauteils weist Merkmale auf, die es insbesondere dafür geeignet machen, ein erfindungsgemäßes Strukturbauteil herzustellen. Zu den Vorteilen, Ausführungsvarianten und Ausführungsdetails des Herstellungsverfahrens wird daher auch auf die vorangegangene Beschreibung zu den entsprechenden Vorrichtungsmerkmalen des Strukturbauteils verwiesen.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden beispielhaft anhand der beiliegenden Figuren erläutert. Es zeigen:
1: eine schematische Darstellung einer Windenergieanlage;
2: eine schematische horizontal geschnittene Querschnittsansicht einer beispielhaften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Faserverbundbauteils;
3a: eine schematische vertikal geschnittene Querschnittsansicht einer beispielhaften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Faserverbundbauteils;
3b: eine schematische Ansicht einer Lochkante des Lochs einer beispielhaften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Faserverbundbauteils;
4: eine schematische horizontal geschnittene Querschnittsansicht einer beispielhaften Ausführungsform eines Verstärkungselements eines erfindungsgemäßen Faserverbundbauteils;
5: eine schematische horizontal geschnittene Querschnittsansicht einer beispielhaften Ausführungsform eines Basiselements eines erfindungsgemäßen Faserverbundbauteils.
6: eine schematische horizontal geschnittene Querschnittsansicht einer beispielhaften Ausführungsform eines Trägerelements eines erfindungsgemäßen Strukturbauteils.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Windenergieanlage. 1 zeigt eine Windenergieanlage 100 mit einem Turm 102 und einer Gondel 104. An der Gondel 104 ist ein Rotor 106 mit drei Rotorblättern 108 und einem Spinner 110 angeordnet. Der Rotor 106 wird im Betrieb durch den Wind in eine Drehbewegung versetzt und treibt dadurch einen Generator in der Gondel 104 an.
Erfindungsgemäße Faserverbundbauteile und Strukturbauteile können für unterschiedliche Komponenten der Windenergieanlage 100 genutzt werden. Beispielsweise können die Rotorblätter 108 aus faserverstärkten Kunststoffen hergestellt werden. Vorzugsweise sind die Rotorblätter 108 aus einem faserverstärkten Kunststoff hergestellt und stellen hier eine Ausführungsform eines in den 2, 3 und 5 gezeigten Basiselements 20 dar. Die Rotorblätter 108 müssen mit der Gondel 104 verbunden werden. Diese Verbindung kann ein Verstärkungselement umfassen.
2 zeigt eine schematische horizontal geschnittene Querschnittsansicht eines Faserverbundbauteils 2 mit einem Ausschnitt eines Basiselements 20 und einem Verstärkungselement 21. Ein kreisrundes Loch 22 führt durch das Verstärkungselement 21 und durch das Basiselement 20 hindurch. Das Loch 22 befindet sich in der Mitte des Verstärkungselements 21 und weist einen kreisrunden Querschnitt auf.
Das Verstärkungselement 21 erstreckt sich in Längsrichtung von einem ersten Ende 211 zu einem zweiten Ende 212. Das Verstärkungselement 21 weist am ersten Ende 211 und am zweiten Ende 212 jeweils ein schlankes Ende auf. Das Loch 22 ist zwischen dem ersten Ende 211 und dem zweiten Endes 212 angeordnet. Ferner weist das Verstärkungselement 21 zwischen dem ersten und zweiten Ende 211, 212 eine Verbreiterung 213 auf. Die Verbreiterung 213 hat ihre breiteste Stelle an einem Ort, an dem das Loch 22 seinen Mittelpunkt aufweist. Von diesem Ort aus nimmt die Breite der Verbreiterung 213 in Längsrichtung hin zu dem ersten Ende 211 und hin zu dem zweiten Ende 212 ab.
3a zeigt eine schematische vertikal geschnittene Querschnittsansicht des erfindungsgemäßen Faserverbundbauteils 2 umfassend einen Ausschnitt des Basiselements 20 und das Verstärkungselement 21. Das Verstärkungselement 21 ist erfindungsgemäß derart an dem Basiselement 20 angeordnet, dass die gesamte Grundfläche des Verstärkungselements 21 an dem Basiselement 20 anliegt. Das Basiselement 2 kann eine konstante Höhe über die gesamte Ausdehnung aufweisen, wobei die Enden hier geschnitten sind, um zu zeigen, dass es sich um einen Ausschnitt handelt. Die Höhe kann allerdings auch variieren. Das Faserverbundbauteil 2 weist das Loch 22, ausgeführt als Durchgangsloch, auf. Ferner weist das Loch 22 eine Durchgangsachse 221 auf, die axial durch die Mitte des Lochs 22 verläuft. Das Loch 22 ist in diesem Ausführungsbeispiel als Durchgangsloch ausgebildet, das entlang der Durchgangsachse 221 einen, hinsichtlich der Geometrie und des Durchmessers, gleichbleibenden Querschnitt aufweist. Das Loch 22 wird ferner durch seine erste Lochkante 222 im Bereich des Verstärkungselements 21 und durch seine zweite Lochkante 223 im Bereich des Basiselements 20 von den das Loch 22 umgebenden Elementen abgegrenzt.
Das Verstärkungselement 21 dieser bevorzugten Ausführungsform ist spiegelsymmetrisch um die immaterielle vertikale Achse 221 des Loches 22 ausgebildet. Das Verstärkungselement kann auch asymmetrisch ausgebildet sein, insbesondere wenn ein bestimmter Kraftfluss dies erfordert oder bevorzugt erscheinen lässt. Die dem Basiselement 20 zugewandte Seite des Verstärkungselementes 21 weist eine plane, horizontale Seite auf, an der das Verstärkungselement 21 in physischem Kontakt mit dem Basiselement 20 steht. Auf der dem Basiselement 20 abgewandten Seite erhöht sich das Verstärkungselements 21 vom ersten Ende 211 bis zum Loch 22 hin um dann wieder bis zum zweiten Ende 212 niedriger zu werden und die gleiche Höhe wie am ersten Ende 211 anzunehmen. Das Bauteil weist daher am ersten Ende 211 und am zweiten Ende 212 eine geringe vertikale Abmessung auf sowie eine vergleichsweise große vertikale Abmessung im Bereich der Verbreiterung 213.
3b zeigt eine schematische Ansicht der ersten Lochkante 222 und der zweiten Lochkante 223 des Lochs 22. Die Richtung der Ansicht von 3b ist in 3a an der Durchgangsachse 221 des Loches 22 mit den Pfeilen 224 dargestellt, wobei die Ansicht in Richtung der Pfeilspitzen der Pfeile 224 gerichtet ist. Ferner ist unter einer horizontalen Linie 224 eine Ansicht des Basiselements 20 und oberhalb der horizontalen Linie 224 eine Ansicht des Verstärkungselements 21 dargestellt. Ferner ist oberhalb der horizontalen Linie 224 die erste Lochkante 222 im Bereich des Verstärkungselements 21 dargestellt und unterhalb der horizontalen Linie 224 die zweite Lochkante 223 im Bereich des Basiselements 20 dargestellt. Die horizontale Linie 224 in 3b stellt die Trennfuge zwischen dem Basiselement 20 und dem Verstärkungselement 21 dar.
Im Bereich der ersten Lochkante 222 ist ausschließlich das Matrixmaterial 2221 des Verstärkungselements 21 zu erkennen, Faserenden sind nicht zu erkennen. Dies ist begründet in der erfindungsgemäßen Tatsache, dass Fasern des Verstärkungselements 21 um das Loch herum durchgängig verlaufen und somit keine Fasern durch ein Einbringen des Lochs 22 durchtrennt werden. Im Bereich der zweiten Lochkante 223 sind einerseits ein Matrixmaterial 2231 und andererseits Faserenden 2232 dargestellt. Dies ist begründet in der erfindungsgemäßen Tatsache, dass die Fasern des Basiselements 20 verlegt werden und im Anschluss das Loch 22 in das Basiselement 20 eingebracht wird und dabei an die Lochkante 223 des Lochs 22 angrenzende Fasern durchtrennt werden. Die dabei entstehenden Schnitt- bzw. Trennflächen der Fasern sind als Faserenden 2232 an der zweiten Lochkante 223 angeordnet.
4 zeigt eine schematische horizontal geschnittene Querschnittsansicht des Verstärkungselements 21 des Faserverbundbauteils 2. Die äußere Form des Verstärkungselements 21 weist die in 2 gezeigte Form auf, die sich von dem schlanken ersten Ende 211 bis zu dem schlanken zweiten Ende 212 erstreckt, sowie eine Verbreiterung 213 zwischen dem ersten Ende 211 und dem zweiten Ende 212 aufweist. Ferner weist das Verstärkungselement 21 ein Loch 22 mit einem kreisrunden Querschnitt auf, das sich in der Mitte des Verstärkungselementes 21 befindet.
Darüber hinaus sind schematisch im Faserverbundmaterial verlaufende Fasern 23 des Verstärkungselements 21 dargestellt. Ferner ist der Verlauf der Fasern 23 bzw. deren lokale Ausrichtung zu erkennen. Die Fasern 23 sind im Bereich der Verbreiterung 213 um das Loch 22 bzw. um die erste Lochkante 222 herum angeordnet. Der Abstand zwischen den Fasern 23 im Bereich der Verbreiterung 213 ist geringer als im Bereich des ersten Endes 211 und des zweiten Endes 212. Aufgrund dieser Anordnung der Fasern 23 um das Loch 22 herum, weist die erste Lochkante 222 in 3b keine durchtrennten Fasern bzw. Faserenden auf. Das Matrixmaterial 2221 des Verstärkungselements 21 ist überall dort vorhanden, wo keine Fasern 23 angeordnet sind.
5 zeigt eine schematische horizontal geschnittene Querschnittsansicht eines Ausschnitts des Basiselements 20 des erfindungsgemäßen Faserverbundbauteils 2. In der Mitte des Ausschnitts des Basiselements 20 befindet sich das Loch 22, das sich von dem umgebenden Basiselement 20 durch seine Lochkante 223 abgrenzt. Ferner sind schematisch die im Faserverbundmaterial des Basiselements 20 verlaufenden Fasern 24 dargestellt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Fasern 24 als Gelege mit parallelen Fasern angeordnet.
Ferner zeigt 5, dass die Fasern 24 nicht wie im Verstärkungselement 21 um das Loch herum verlaufen, sondern durch das Loch 22 unterbrochen werden und daher nicht durchgängig sind. Die Fasern 24 werden demzufolge durch das Einbringen des Lochs 22 durchtrennt, aufgrund dessen weist die zweite Lochkante 223 in 3b die Faserenden auf.
Die Faserenden 2232 sind in 3b an den Rändern des Ausschnitts oval dargestellt, da die in diesem Ausführungsbeispiel kreisrunden Fasern 24 an den Rändern nicht orthogonal zu ihrer Längsrichtung durchtrennt werden, sondern in Abhängigkeit ihrer Position in der Lochkante 223 mit einem Winkel zu ihrer Orthogonalen zur Längsrichtung. Mit anderen Worten werden die Fasern 24 seitlich durchschnitten. Ferner besteht die Möglichkeit, dass die Fasern 24 lediglich angeschnitten werden, so dass lediglich deren Durchmesser reduziert wird.
Das Faserverbundbauteil 2 und seine möglichen Fortbildungen ermöglichen es daher, das Faserverbundbauteil auf eine vorteilhafte Weise mit einem weiteren Bauteil zu verbinden. Insbesondere werden die häufig in existierenden Lösungen vorgesehenen Materialaufdickungen substituiert. Zu diesem Zweck ist neben dem Basiselement 20 das Verstärkungselement 21 und das Loch 22 vorgesehen, durch die beispielsweise eine Schraube hindurch geführt werden kann. Durch die beschriebene Anordnung wird insbesondere eine materialsparende Anordnung mit einer höheren Festigkeit ermöglicht, die ferner mit geringeren Kosten einher geht.
6 zeigt eine schematische horizontal geschnittene Querschnittsansicht eines Ausschnitts des Trägerelements 30 des erfindungsgemäßen Strukturbauteils. In der Mitte des Ausschnitts des Trägerelements 30 befindet sich ein Loch 22, das sich von dem umgebenden Trägerelement 30 durch eine Lochkante 223 abgrenzt. Ferner sind die in 5 schematisch dargestellten Fasern hier nicht abgebildet, da es sich beim Material des Trägerelements 30 nicht um ein Faserverbundmaterial handelt und daher im Gegensatz zum Basiselement 20 keine Fasern enthält. Die Kombination eines derartigen Trägerelements 30 mit einem hier nicht dargestellten Verstärkungselement 21 bietet die Möglichkeit insbesondere im Bereich von Löchern oder anderen Kerben ein geringes Materialvolumen bei ausreichender Steifigkeit vorzusehen. Dadurch kann das Gesamtgewicht reduziert werden und insbesondere Materialkosten eingespart werden.
Bezugszeichenliste

2: Faserverbundbauteil
20: Basiselement
21: Verstärkungselement
22: Loch
23: Fasern Verstärkungselement
24: Fasern Basiselement
30: Trägerelement
100: Windenergieanlage
102: Turm
104: Gondel
106: Rotor
108: Rotorblatt
110: Spinner
211: erstes Ende Verstärkungselement
212: zweites Ende Verstärkungselement
213: Verbreiterung Verstärkungselement
221: Durchgangsachse des Lochs
222: erste Lochkante
223: zweite Lochkante
224: Pfeile
2221: Matrixmaterial Verstärkungselement
2231: Matrixmaterial Basiselement
2232: Faserenden

Claims

Faserverbundbauteil (2), umfassend – ein Basiselement (20), umfassend in ein Matrixmaterial (2231) eingebettete Fasern (24), und – ein Verstärkungselement (21), umfassend in ein Matrixmaterial (2221) eingebettete Fasern (23), – wobei das Basiselement (20) und das Verstärkungselement (21) miteinander verbunden sind, – ein Loch (22) durch das Basiselement (20) und das Verstärkungselement (21) führt, – wobei an das Loch (22) angrenzende Fasern (24) des Basiselements (20) durchtrennt sind, und an das Loch (22) angrenzende Fasern (23) des Verstärkungselements (21) durchgängig sind.
Faserverbundbauteil (2) nach dem vorstehenden Anspruch, wobei die Fasern (24) des Basiselements als – Gewebe, und/oder – Gelege, und/oder – Multiaxialgelege, und/oder – Gesticke, und/oder – Vließstoff, und/oder – Matten, und/oder – Geflechte innerhalb des Matrixmaterials (2231) angeordnet sind, und die Fasern (23) des Verstärkungselements (21) als Faserbündel, vorzugsweise als Rovings, vorliegen.
Faserverbundbauteil (2) nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Fasern (24) des Basiselements (20) und/oder Verstärkungselements (21) – organische Fasern, und/oder – anorganische Fasern, und/oder – Naturfasern umfassen oder sind.
Faserverbundbauteil (2) nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Matrixmaterial (2231) des Basiselements (20) und/oder Verstärkungselements (21) – Kunststoff umfasst oder daraus besteht, und der Kunststoff vorzugsweise ein Thermoplast und/oder ein Duroplast umfasst oder daraus besteht, und/oder – Zement umfasst oder daraus besteht, und/oder – Beton umfasst oder daraus besteht, und/oder – Metall umfasst oder daraus besteht, und/oder – Keramik umfasst oder daraus besteht, und/oder – Kohlenstoff umfasst oder daraus besteht.
Faserverbundbauteil (2) nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, – wobei das Basiselement (20) und das Verstärkungselement (21) stoffschlüssig und/oder formschlüssig miteinander verbunden sind; und/oder – wobei das Basiselement (20) und das Verstärkungselement (21) über Fasern, die in das Matrixmaterial (2231) des Basiselements (20) und in das Matrixmaterial (2221) des Verstärkungselements (21) eingebettet sind, miteinander verbunden sind; und/oder – wobei das Verstärkungselement (21) an einem dem Basiselement (20) abgewandten Ende des Lochs (22) eine orthogonal zur Durchtrittsrichtung des Loches (22) ebene Auflagefläche zur Aufnahme eines Verbindungselements aufweist.
Verstärkungselement (21) umfassend – in ein Matrixmaterial eingebettete Fasern, – wobei ein Loch (22) durch das Verstärkungselement (21) führt und – das Loch (22) derart bei der Herstellung des Verstärkungselements (21) aus Fasern und einem Matrixmaterial ausgebildet ist, dass die an das Loch (22) angrenzenden Fasern durchgängig sind.
Strukturbauteil, umfassend – ein Trägerelement (30), und – ein Verstärkungselement (21) nach Anspruch 6, – wobei das Trägerelement (30) und das Verstärkungselement (21) miteinander verbunden sind, und – ein Loch (22) durch das Trägerelement (30) und das Verstärkungselement (21) führt.
Faserverbundintegralbauteil, umfassend – in ein Matrixmaterial eingebettete Fasern, – wobei das Faserverbundintegralbauteil mindestens eine lokale Materialaufdickung aufweist, – ein Loch an der Stelle der lokalen Materialaufdickung durch das Faserverbundintegralbauteil führt, und – das Loch derart bei der Herstellung des Faserverbundintegralbauteils aus Fasern und einem Matrixmaterial ausgebildet ist, dass die an das Loch angrenzenden Fasern durchgängig sind.
Windenergieanlage (100) mit einem Turm (102), einer Gondel (104) und einem Rotor (106), dadurch gekennzeichnet, dass die Windenergieanlage (100) ein Faserverbundbauteil (2) nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche 1–5 und/oder ein Verstärkungselement nach Anspruch 6 und/oder ein Strukturbauteil nach Anspruch 7 und/oder ein Faserverbundintegralbauteil nach Anspruch 8 umfasst.
Herstellung eines Faserverbundbauteils (2) nach mindestens einem der Ansprüche 1–5 mit den Schritten – Herstellung eines Basiselements (20) aus Fasern (24) und einem Matrixmaterial (2231), – Einbringen eines ersten Lochs in das Basiselement (20), wobei die an das erste Loch angrenzenden Fasern (24) durchtrennt werden, – Herstellung eines Verstärkungselements (21) aus Fasern (23) und einem Matrixmaterial (2221) derart, dass dabei ein zweites Loch ausgebildet wird, bei dem die an das zweite Loch angrenzenden Fasern (23) durchgängig sind, und – Anordnen und Verbinden des Basiselements (20) und des Verstärkungselements (21) derart miteinander, dass das erste Loch und das zweite Loch miteinander verbunden sind.
Herstellung eines Faserverbundbauteils (2) nach Anspruch 10, wobei das Verbinden stoffschlüssig durchgeführt wird, vorzugsweise mit einem Klebstoff bestehend aus einem der Matrixmaterialien.
Herstellung eines Faserverbundbauteils (2) nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche 10–11, wobei zur Herstellung des zweiten Lochs ein Platzhalter verwendet wird.
Herstellung eines Verstärkungselements (21) nach Anspruch 6 mit den Schritten – Herstellung eines Verstärkungselement (21) aus Fasern (23) und einem Matrixmaterial (2221), – wobei ein Loch (22) ausgebildet wird und die an das Loch (22) angrenzenden Fasern durchgängig bleiben.
Herstellung eines Faserverbundintegralbauteils nach Anspruch 8 mit dem Schritt – Herstellung eines Faserverbundintegralbauteils aus Fasern und einem Matrixmaterial mit einer lokalen Materialaufdickung derart, dass dabei ein Loch an der Stelle der lokalen Materialaufdickung ausgebildet wird, bei dem die an das Loch angrenzenden Fasern durchgängig sind.
Herstellung eines Strukturbauteils nach Anspruch 7, mit den Schritten – Herstellung eines Trägerelement (30), – Einbringen eines Lochs in das Trägerelement (30), – Herstellung eines Verstärkungselements (21) mit einem Loch nach Anspruch 13, und – Anordnen und Verbinden des Trägerelements (30) und des Verstärkungselements (21) derart miteinander, dass das Loch des Trägerelements (30) und das Loch des Verstärkungselements (21) miteinander verbunden sind.