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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verbinderelement zur Verbindung mit einem flächigen, eine Durchführöffnung aufweisenden Faserhalbzeug, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Verbindung zwischen einem flächigen, eine Durchführöffnung aufweisenden Faserhalbzeug und einem Verbinderelement.
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Verbundmaterialien wie Kohlefaserwerkstoffe sind im Stand der Technik vielfach bekannt und werden vorteilhafterweise immer dann eingesetzt, wenn eine leichte Bauweise mit hohen mechanischen Beanspruchungen umgesetzt werden soll. Ähnlich wie Stahlbeton besteht ein solches Verbundmaterial aus zwei unterschiedlichen Komponenten, nämlich den Fasern und dem so genannten Matrixwerkstoff. Während die Fasern gleichsinnig angeordnet werden um die Wirkrichtung der Fasern vorzugeben, sorgt die Matrix für eine räumliche Fixierung der Fasern und nimmt zusätzlich auch einen Teil der Stoßbeanspruchung in Faserrichtung auf. Hierdurch ist das entstehende Verbundmaterial sowohl elastisch als auch steif.
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In der Anwendung kann vor allem dadurch eine große Flexibilität erreicht werden, dass weitgehend beliebige Formen aus den Fasern vorgegeben und dann mit dem Matrixwerkstoff fixiert werden können. Bei dem Matrixwerkstoff kann es sich beispielsweise um ein Kunstharz handeln.
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Problematisch ist bei diesen Faserwerkstoffen, dass diese besonders in sehr dünne Formen gebracht werden, die im Rahmen ihrer geometrischen Vorgaben sehr widerstandsfähig, aber bei der Bearbeitung spröde sind. Das Material nimmt seine Widerstandsfähigkeit aus dem so genannten Größeneffekt. Weil die Größe einer Fehlstelle in einer Faser auf ihren Durchmesser begrenzt ist, können sehr lange fehlerfreie Bereiche der Faser erreicht werden, so dass die Festigkeit der Faser dadurch als sehr hoch angenommen werden kann. Eine Bohrung quer durch das Faserhalbzeug, also eines vorgefertigten Gewebes oder Geleges, zerstört daher die Fasern an der betroffenen Stelle und aufgrund dieser Unterbrechung der Struktur kann diese ausgehend von der auf diese Weise künstlich geschaffenen Fehlstelle aus leicht weiter beschädigt werden.
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Der Stand der Technik kennt daher mehrere Möglichkeiten, wie eine solche Bohrung, wann immer sie erforderlich ist, hergestellt werden kann.
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Ein erster Ansatz sieht insoweit zunächst vor, in den Verbundwerkstoff aus Fasern und Matrix einen Materialblock mit einzulaminieren, also zunächst das Fasergewebe oder -gelege mit einem Block zu verbinden und diese Kombination dann mit dem Matrixwerkstoff zu versehen, etwa zu bestreichen und zu tränken. Erst im fertigen und ausgehärteten Zustand wird dann durch die Fasern hindurch eine Bohrung in den Materialblock eingebracht. Weil die Fasern mit dem Materialblock verklebt sind, bleibt im Bereich des Materialblocks die Verbundstruktur erhalten, die Verklebung der Fasern hält und die Bohrung reißt nicht aus. Allerdings funktioniert eine derartige Verbindung immer nur in dem Maße, wie sie vorab geplant worden ist, weil der Materialblock an der richtigen Stelle vorgesehen werden muss.
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Eine weitere Möglichkeit, eine Verbindung aus der Ebene des Faserhalbzeugs heraus zu schaffen besteht darin, einen Materialblock mit einem Verbindungselement zu versehen und ihn vollflächig auf das vorgefertigte Faserhalbzeug zu kleben. In diesem Fall wird die Faser zwar erst gar nicht beschädigt, aber es muss stets mit dem auftragenden Materialblock gearbeitet werden.
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Vor dem Hintergrund dieses Standes der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Verbinderelement zur Verbindung mit einem flächigen, eine Durchführöffnung aufweisenden Faserhalbzeug, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Verbindung zwischen einem flächigen, eine Durchführöffnung aufweisenden Faserhalbzeug und einem Verbinderelement zu schaffen, welche die Nachteile des Standes der Technik überwinden und eine sichere und feste, aber gleichzeitig kompakte Querverbindung an dem Faserhalbzeug ermöglichen.
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Dies gelingt durch ein Verbinderelement zur Verbindung mit einem flächigen, eine Durchführöffnung aufweisenden Faserhalbzeug gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1, sowie durch ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Verbindung zwischen einem flächigen, eine Durchführöffnung aufweisenden Faserhalbzeug und einem Verbinderelement gemäß dem nebengeordneten Anspruch 8. Sinnvolle Weiterbildungen des Verbinderelements bzw. des Verfahrens können den jeweiligen Unteransprüchen entnommen werden.
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Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, ein Verbinderelement bereitzustellen, welches aus zwei Teilen besteht. Es handelt sich um eine äußere und eine innere Buchse, welche jeweils einen Zylindermantel aufweisen, wobei der Zylindermantel der inneren Buchse abschnittsweise oder ganz in den Zylindermantel der äußeren Buchse einführbar ist. Ähnlich einer Hutkrempe weist die äußere Buchse einen Umfangsrand auf, der endständig an den Zylindermantel der äußeren Buchse anschließt und sich von diesem aus radial forterstreckt. Auch die innere Buchse weist einen solchen Umfangsrand auf, jedoch ist dieser nicht zwangsläufig endständig an der inneren Buchse angeordnet sein. Nach einer Bohrung in ein Faserhalbzeug, welches mit dem Verbinderelement versehen werden soll, wird die innere Buchse durch diese Bohrung hindurchgesteckt, bis der Umfangsrand an dem die Bohrung umgebenden Fasermaterial anliegt. Von der anderen Seite her wird die äußere Buchse über die innere Buchse gestülpt, ebenfalls bis der Umfangsrand der äußeren Buchse an dem Fasermaterial um die Bohrung herum anliegt. Die beiden Umfangsränder klemmen nun das Fasermaterial um die Bohrung herum zwischen sich ein. Der Zylindermantel der inneren Buchse weist hierbei eine Außenkontur auf, die mit einer Innenkontur der äußeren Buchse kraftschlüssig zusammen wirkt. Hierdurch werden die beiden Buchsen miteinander verbunden und die Verklemmung zwischen den Umfangsrändern schützt das Fasermaterial.
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Im Rahmen des Verfahrens kann nun die Kombination aus dem Faserhalbzeug und dem Verbinderelement mit einem Matrixmaterial, etwa mit Kunstharz, getränkt werden. Danach wird die Anordnung einem Vakuum ausgesetzt, welches zum einen die Faserschichten aufeinanderzieht und somit den Faserverbund verdichtet, zum anderen aber auch dafür sorgt, dass das Harz zwischen die beiden Buchsen gezogen wird und dort die Verbindung der Buchsen verbessert. Auch zwischen den beiden Umfangsrändern wird so Harz eingebracht, so dass auch hier eine feste Verbindung mit dem Faserverbund hergestellt werden kann. Bedarfsweise kann diese Verbindung anschließend aushärten oder auch in einem Autoklaven fixiert werden.
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Ein weiteres Mögliches Verfahren ist das so genannte Resin Transfer Moulding, das dem Spritzgussverfahren ähnelt. Gearbeitet wird hier mit einem geschlossenen Werkzeug aus Kern und Matrize und einem trockenen Gewebevorformling als Faserhalbzeug, welcher die Durchführöffnung aufweist oder dem sie im Rahmen des Verfahrens hinzugefügt wird. Im geschlossenen Werkzeug wird dann das Faserhalbzeug mit dem Harz beschickt. Dieses Verfahren eignet sich besonders für größere Stückzahlen. Die innere Buchse und die äußere Buchse können dabei jeweils in Kern und Matrize des Werkzeugs manuell oder durch einen Roboter vorbestückt werden. Im Zuge des Werkzeugschließens und Aushärtens des anschließend injizierten Harzes entsteht dann eine unlösbare Verbindung zwischen den beiden Buchsen. In diesem Fall bildet sich keine im eigentlichen Sinne kraftschlüssige, sondern vielmehr eine Klebeverbindung, also eine stoffschlüssige, oder besser eine Hybridverbindung.
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Alternativ kann auch eine vorimprägnierte Fasermatte verwendet werden, ein sogenanntes Prepreg, welches bereits als Halbzeug mit dem Faserverbund und dem noch nicht ausgehärteten Harz hergestellt wird. Nach dem Verbinden der beiden Buchsen kann die Verbindung auch hier bedarfsweise im Autoklaven fixiert werden.
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Grundsätzlich ist es vorgesehen, dass die beiden Buchsen miteinander in eine kraftschlüssige Verbindung gebracht werden können. Dies ist aufgrund der Möglichkeit, die Verbindung über das einfließende Harz herzstellen nicht notwendig auch im trockenen Zustand baulich nötig, ein solches strukturelles Ineinandergreifen wird aber im Allgemeinen die Festigkeit der Verbindung unterstützen. Insoweit kann die Innenkontur der äußeren Buchse so geformt sein, dass sie mit der Außenkontur der inneren Buchse kraftschlüssig zusammenwirkt. Insbesondere kann dies über eine Presspassung oder ein einfaches Schraubgewinde erfolgen, aber auch über unterschiedlichste für eine Verrastung hilfreiche Formgebungen oder Rastmittel, letztere etwa in Form eines Steckbolzens oder dergleichen.
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In dem Fall, dass der Umfangsrand auch endständig an der inneren Buchse befestigt ist, trägt das Verbinderelement aus den ineinandergesteckten Buchsen lediglich einseitig auf, während von der Seite des Umfangsrandes der inneren Buchse her die einzige Erhöhung gegenüber der Fasermatte in der Dicke des Umfangsrandes liegt.
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In einer anderen Ausgestaltung des Verbinderelements befindet sich bei der inneren Buchse der Umfangsrand in einer mittleren Position, so dass sich der Zylindermantel auf beiden Seiten des Umfangsrandes fortsetzt. In diesem Fall kann die von der äußeren Buchse weg weisende Seite eine dickere Wandstärke besitzen, so dass sich für den Betrachter von beiden Seiten her ein übereinstimmender Eindruck ergibt.
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Je nach Bedarf kann der Zylindermantel einer der beiden Buchsen auf einer oder auch beiden Seiten verschlossen sein und auch auf den Außenkonturen der äußeren Buchse oder den Außenkonturen der von der äußeren Buchse weg weisende Seite der inneren Buchse kann etwa ein Gewinde vorgesehen sein, über welches weitere Bauelemente angeschlossen werden können. Auch ist es möglich und mit der Erfindung abgedeckt, beide Buchsen geschlossen auszubilden.
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Mithin kann die innere Buchse auch geschlossen gebildet oder mit Material gefüllt sein. Eine solche Lösung ist auch dann ausdrücklich von der Erfindung mit umfasst, wenn es sich in diesem Sonderfall nicht mehr um eine Buchse im Wortsinn handelt.
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Von beiden Seiten her wird das Faserhalbzeug zwischen den Umfangsrändern eingeklemmt. Zumindest auf ihren dem Faserhalbzeug im bestimmungsgemäß montierten Zustand zugewandten Flächen können die Umfangsränder aufgeraut oder mit einer Verrastungskontur versehen sein, welche einen Halt gegen eine Bewegung, insbesondere eine Verdrehung gegenüber dem Faserhalbzeug bietet.
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Die vorstehend beschriebene Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Es zeigen
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1 ein Verbinderelement, bestehend aus einer inneren und einer äußeren Buchse in einer seitlichen Querschnittsdarstellung, sowie
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2 eine Variante des Verbinderelements gemäß 1 mit einem verlängerten Zylindermantel der inneren Buchse in einer seitlichen Querschnittsdarstellung.
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1 zeigt eine Querschnittsdarstellung durch ein Faserhalbzeug 2, welches eine Bohrung aufweist, durch welche hindurch ein Verbinderelement 1 in der Bohrung fixiert wurde. Hierzu wurde zunächst eine innere Buchse 10 durch die Bohrung hindurchgesteckt, welche aus einem Zylindermantel 11 und einem Umfangsrand 12 gebildet ist. Die innere Buchse 10 kann mit dem Zylindermantel 11 so weit in die Bohrung eingesteckt werden, dass der Umfangsrand 12 an der die Bohrung umgebende Fläche des Faserhalbzeugs anschlägt. Dann wird von der Gegenseite her eine äußere Buchse 20 durch Presspassung, Verschraubung oder dergleichen mehr auf den Zylindermantel 11 der inneren Buchse 10 aufgesetzt, wobei der Zylindermantel 11 der inneren Buchse in den Zylindermantel 21 der äußeren Buchse eingebracht wird. Auch die äußere Buchse 20 weist neben dem Zylindermantel 21 einen Umfangsrand 22 auf, welcher einen Anschlag bildet, der bis an die Fläche des Faserhalbzeugs 2 herangebracht wird. Auf ihren dem Faserhalbzeug 2 zugewandten Seiten können die Umfangsränder 12 und 22 jeweils eine Verrastungskontur aufweisen, die ein Verdrehen des Verbinderelements 1 gegenüber dem Faserhalbzeug 2 verhindern. Das vorliegende Verbinderelement 1 sieht zudem eine Stirnwand 23 am freien Ende der äußeren Buchse 20 vor, so dass die Gesamtanordnung des Verbinderelements 1 ein Sackloch bildet.
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Nach der mechanischen Befestigung des Verbinderelements 1 an dem Faserhalbzeug kann nun, je nachdem um welche Art von Faserhalbzeug es sich handelt, ein weiterer Fertigungsschritt erfolgen. Falls es sich um eine reine Fasermatte handelt, könnte der nächste Schritt die Laminierung mit einem Matrixwerkstoff, etwa einem Harz sein. Dann würde die Gesamtanordnung mit dem Harz getränkt und einem Vakuum ausgesetzt werden. Hierbei durchzieht das Harz auch eventuelle Öffnungen des Verbinderelements 1, die hierdurch mit dem Harz verklebt werden. Durch einen einfachen Trocknungsvorgang oder auch durch eine Behandlung im Autoklaven kann die abschließende Aushärtung des Matrixwerkstoffs erfolgen, bei dem auch das Verbindungselement 1 fest mit dem Faserwerkstoff verbunden wird.
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Bedarfsweise kann aber auch mit vorimprägnierten Faserwerkstoffen, so genannten Prepregs, gearbeitet werden. In der Regel erfolgt auch hier noch eine Aushärtung, gegebenenfalls ebenfalls unter Anwendung eines Vakuums.
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2 zeigt eine weitere Ausgestaltungsmöglichkeit des erfindungsgemäßen Verbinderelements 1. Hier ist durch den Wegfall der Stirnwand 23 an der äußeren Buchse 20 eine Durchführung gebildet, wobei die im Bild nach oben ragende Zylinderwand aus den Teilen 11 und 21 zweischichtig gebildet ist, während die im Bild nach unten ragende Zylinderwand eine Verdickung 13 ausbildet, die allein die gleiche Dicke aufweist, um nach beiden Seiten eine symmetrische Anordnung zu schaffen.
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Vorstehend beschrieben sind somit ein Verbinderelement zur Verbindung mit einem flächigen, eine Durchführöffnung aufweisenden Faserhalbzeug, sowie durch ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Verbindung zwischen einem flächigen, eine Durchführöffnung aufweisenden Faserhalbzeug und einem Verbinderelement, wobei eine innere und eine äußere Buchse derart miteinander zusammenwirken, dass das Faserhalbzeug zwischen zwei den Buchsen jeweils zugeordneten Umfangsrändern festgehalten wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Verbinderelement
- 2
- Faserhalbzeug
- 10
- innere Buchse
- 11
- Zylindermantel
- 12
- Umfangsrand
- 13
- Verdickung
- 20
- äußere Buchse
- 21
- Zylindermantel
- 22
- Umfangsrand
- 23
- Stirnwand
