-
Die Erfindung betrifft ein Reparaturverfahren für ein Faserverbundwerkstück, wobei das Faserverbundwerkstück eine Schadensstelle aufweist.
-
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Reparatursystem zur Reparatur eines Faserverbundwerkstücks mit einer Schadensstelle.
-
Aus der
DE 10 2007 009 719 B3 ist ein Verfahren zur Reparatur eines Bauteils, insbesondere Faserverbundbauteils, bekannt. Bei dem Verfahren ist vorgesehen, dass eine Schäftung des Bauteils im Bereich einer Schadensstelle durchgeführt wird, und Reparaturmaterial in die Schäftung eingebracht wird. Die Schäftung wird mit einer Stufenfläche ausgebildet und als Reparaturmaterial wird ein mit einer korrespondierenden Stufenfläche vorgefertigtes Reparaturstück in die Schäftung eingebracht.
-
Aus der
DE 10 2008 051 380 B4 ist ein Verfahren zur Reparatur von faserverstärkten Kunststoffbauteilen bekannt. Das Verfahren umfasst ein Aufbringen von nicht ausgehärtetem Faserverbundmaterial an der zu reparierenden Stelle des Kunststoffbauteils, ein Anbringen eines Vakuumaufbaus zur Aushärtung des Faserverbundmaterials, die Aushärtung des Faserverbundmaterials unter Durchlaufen mehrerer Temperaturstufen, wobei das nicht ausgehärtete Faserverbundmaterial in Form von Faser-Prepreg-Lagen vorliegt, und die Aushärtung durchgehend unter Vakuum und ohne Anwendung von Überdruck erfolgt. Während der Aushärtung auf mindestens einer Temperaturstufe oberhalb der Raumtemperatur erfolgt ein Auswalzen der Prepreg-Lagen durch den Vakuumaufbau hindurch.
-
Aus der
DE 10 2010 053 574 B4 ist ein Verfahren zur Reparatur eines insbesondere aus einem faserverstärkten Verbundmaterial bestehenden Flugzeugsstrukturbauteils bekannt.
-
Aus der
DE 10 2008 021 788 A1 ist ein weiteres Verfahren zum Reparieren einer Flugzeugkomponente aus faserverstärktem Kunststoff bekannt.
-
Aus der
DE 10 2010 006 384 A1 ist ein Reparaturverfahren für ein Verbundbauteil für ein Luftfahrzeug mit einem Grundkörper aus einem Faserverbundwerkstoff und einem mit dem Grundkörper verbundenen Metallteil bekannt. Bei dem Reparaturverfahren sind Maßnahmen vorgesehen, damit die Temperatur im Bereich der Verbindung des Metallteils mit dem Grundkörper einen vorbestimmten Wert nicht überschreitet, und auf das Metallteil zusätzliches Material unter thermischer Energiezufuhr aufgetragen wird.
-
Aus der
DE 10 2006 057 641 A1 ist eine Verwendung von Formwerkzeugen zur Herstellung von Formbauteilen und insbesondere zur Reparatur und/oder nachträglichen Konturänderung einer Formoberfläche eines gebrauchten Formwerkzeugs bekannt.
-
Aus der
US 2008/0281554 A1 ist ein Reparatursystem für ein Verbundwerkstück bekannt.
-
Aus der
DE 20 2007 013 755 U1 ist ein flexibles flächiges Element für die Herstellung und Reparatur von Bauteilen aus Glas- oder Kohlefaserverbundwerkstoffen bekannt. Das flächige Element enthält Glas- oder Kohlefasern und ein durch Wärme aushärtbares und/oder zu vernetzendes Material, in dem die Glas- oder Kohlefasern eingebettet sind. Das flächige Element ist beheizbar ausgebildet.
-
Aus der
US 2012/0132344 A1 ist ein Reparaturverfahren für ein Faserverbundwerkstück bekannt, bei dem ein Reparaturbereich mit einer Mehrzahl von Stufen ausgebildet wird, und bei dem eine Länge der Stufen in Abhängigkeit einer Haupt-Faserorientierung des Faserverbundwerkstücks unterschiedlich gewählt wird.
-
Aus der
WO 2008/135856 A2 ist ein weiteres Reparaturverfahren für ein Faserverbundwerkstück bekannt, bei dem ein Reparaturbereich mit einer Mehrzahl von Stufen ausgebildet wird.
-
Aus der
DE 10 2013 209 179 A1 ist ein Verfahren zur Reparatur einer Schadstelle an einem Bauteil bekannt, bei dem eine maschinelle Schäftung des Bauteils im Bereich der Schadensstelle erfolgt, ein in Größe und Form zur Schadensstelle korrespondierendes Reparaturteil bereitgestellt wird und bei dem das Reparaturteil in die Schäftung eingefügt wird.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Reparaturverfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, welches bei minimalem Materialaufwand eine Reparatur eines Faserverbundwerkstücks mit verbesserter Stabilität ermöglicht.
-
Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Reparaturverfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass an der Schadensstelle durch Abtragung von Strukturmaterial des Faserverbundwerkstücks ein Reparaturbereich erstellt wird, wobei der Reparaturbereich einen Reparaturgrundbereich aufweist, der Reparaturbereich mit mindestens einer Stufe hergestellt wird, welche eine quer und insbesondere senkrecht zum Reparaturgrundbereich orientierte Normale geschlossen umgibt, die mindestens eine Stufe eine längs einer senkrecht zur Normalen orientierten radialen Richtung definierte orientierungsabhängige Länge aufweist, bei der Herstellung des Reparaturbereichs die Länge der mindestens einen Stufe in Abhängigkeit von einem Winkel zwischen einer Orientierung der radialen Richtung und einer Haupt-Faserorientierung des Faserverbundwerkstücks variiert wird, die Länge der mindestens einen Stufe bei der Herstellung des Reparaturbereichs in einer radialen Richtung parallel zu der Haupt-Faserorientierung des Faserverbundwerkstücks am größten gewählt wird, ein Verhältnis einer längs zur Normalen definierten Breite der mindestens einen Stufe zu der Länge Abhängigkeit des Winkels variiert wird, und bei dem ein Reparaturwerkstück an dem Reparaturbereich angeordnet wird, welches eine zu einer Negativform des Reparaturbereichs korrespondierende Positivform aufweist.
-
Das Faserverbundwerkstück weist insbesondere eine Mehrzahl von Lagen auf, welche beispielsweise in einer zur Normalen parallelen Richtung schichtweise übereinander angeordnet sind.
-
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass der Reparaturbereich eine Mehrzahl von Stufen aufweist. Beispielsweise ist eine Stufe des Reparaturbereichs jeweils an einer Lage des Faserverbundwerkstücks ausgebildet und/oder es ist eine Stufe des Reparaturbereichs jeweils einer Lage des Faserverbundwerkstücks zugeordnet.
-
An der Schadensstelle des Faserverbundwerkstücks wird der Reparaturbereich hergestellt. Durch die zu der Negativform des Reparaturbereichs korrespondierende Positivform des Reparaturwerkstücks kann das Reparaturwerkstück formpassend an dem Reparaturbereich angeordnet werden.
-
Das Reparaturwerkstück umfasst beispielsweise ein Material, welches sich stoffschlüssig mit dem Strukturmaterial des Faserverbundwerkstücks verbinden kann. Dadurch kann eine beschädigte Struktur des Faserverbundwerkstücks an der Schadensstelle wiederhergestellt werden.
-
Das Reparaturwerkstück umfasst beispielsweise ein Reparaturharz, welches sich durch Erwärmung stoffschlüssig mit dem Strukturmaterial des Faserverbundwerkstücks verbindet. Dazu kann das Reparaturwerkstück beispielsweise mit einer Induktionsheizvorrichtung, welche zum Beispiel aus der
DE 20 2015 100 080 U1 bekannt ist, erwärmt werden.
-
Eine besonders große Kraftübertragung erfolgt an dem Faserverbundwerkstück längs der Haupt-Faserorientierung des Faserverbundwerkstücks.
-
Durch die Maximierung der Länge der mindestens einen Stufe des Reparaturbereichs längs der radialen Richtung, welche längs zur Haupt-Faserorientierung des Faserverbundwerkstücks orientiert ist, wird eine Überlappungsfläche zwischen dem Reparaturbereich und dem Reparaturwerkstück längs dieser radialen Richtung erhöht. Dies ermöglicht eine besonders große Kraftübertragung an dem Reparaturbereich des Faserverbundwerkstücks entlang der Haupt-Faserorientierung.
-
Die Länge der mindestens einen Stufe wird beispielsweise gegenüber der maximierten Länge verringert, falls die Orientierung der radialen Richtung längs einer von der Haupt-Faserorientierung des Faserverbundwerkstücks verschiedenen Richtung liegt. Dadurch wird die Überlappungsfläche längs der radialen Richtungen verringert, entlang welchen eine geringere Kraftübertragung erfolgt. Es wird dadurch eine Menge des zur Herstellung des Reparaturbereichs abzutragenden Strukturmaterials verringert. Dadurch wird auch eine Menge eines zur Herstellung des Reparaturwerkstücks erforderlichen Materials verringert.
-
Die Länge der mindestens einen Stufe wird bei der Herstellung des Reparaturbereichs in Abhängigkeit von einem Winkel zwischen einer Orientierung der radialen Richtung und der Haupt-Faserorientierung des Faserverbundwerkstücks variiert. Es wird ein Verhältnis einer längs zur Normalen definierten Breite der mindestens einen Stufe zu der Länge in Abhängigkeit des Winkels variiert. Es kann dadurch die Länge der mindestens einen Stufe auf einfache Weise bezüglich der Haupt-Faserorientierung des Faserverbundwerkstücks variiert werden.
-
Insbesondere wird bei der Herstellung des Reparaturbereichs das Verhältnis der Breite der mindestens einen Stufe zu der Länge in der radialen Richtung längs zur Haupt-Faserorientierung des Faserverbundwerkstücks am kleinsten gewählt. Dadurch lässt sich die Länge der mindestens einen Stufe und/oder die Überlappungsfläche zwischen dem Reparaturbereich und dem Reparaturwerkstück längs zur Haupt-Faserorientierung des Faserverbundwerkstücks maximieren.
-
Insbesondere wird bei der Herstellung des Reparaturbereichs die Länge der mindestens einen Stufe in einer radialen Richtung quer und insbesondere senkrecht zur Haupt-Faserorientierung des Faserverbundwerkstücks am kleinsten gewählt.
-
Insbesondere wird das Verhältnis der Breite der mindestens einen Stufe zu der Länge in einer radialen Richtung quer und insbesondere senkrecht zur Haupt-Faserorientierung des Faserverbundwerkstücks am größten gewählt. Dadurch wird die Länge der mindestens einen Stufe und/oder die Überlappungsfläche zwischen dem Reparaturbereich und dem Reparaturwerkstück quer und insbesondere senkrecht zur Haupt-Faserorientierung des Faserverbundwerkstücks minimiert.
-
Günstig ist es, wenn die längs zur Normalen definierte Breite der mindestens einen Stufe längs einer Umfangsrichtung quer zur radialen Richtung zumindest näherungsweise konstant ist. Es lässt sich dadurch der Reparaturbereich und/oder das Reparaturwerkstück auf einfache Weise herstellen.
-
Insbesondere nimmt die Länge der mindestens einen Stufe längs einer Umfangsrichtung quer zur radialen Richtung abschnittsweise monoton zu und/oder abschnittsweise monoton ab. Es kann dadurch die Variation der Länge der mindestens einen Stufe einfach durchgeführt werden. Dadurch kann der Reparaturbereich und/oder das Reparaturwerkstück einfach hergestellt werden.
-
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass das Verhältnis der Breite zu der Länge der mindestens einen Stufe längs einer Umfangsrichtung quer zur radialen Richtung abschnittsweise monoton zunimmt und/oder abschnittsweise monoton abnimmt. Die Länge der mindestens einen Stufe lässt sich dadurch auf einfache Weise variieren und/oder definieren.
-
Günstig ist es, wenn eine Kante der mindestens einen Stufe zumindest näherungsweise eine Ellipse beschreibt. Dadurch kann die Länge der mindestens einen Stufe längs einer vorgegebenen Richtung auf einfache Weise maximiert werden und quer zu der vorgegebenen Richtung auf einfache Weise minimiert werden.
-
Günstig ist es dann, wenn eine große Halbachse der Ellipse längs zur Haupt-Faserorientierung des Faserverbundwerkstücks liegt, und insbesondere wenn eine kleine Halbachse der Ellipse quer und insbesondere senkrecht zur Haupt-Faserorientierung liegt. Dadurch kann die Länge der mindestens einen Stufe längs zur Haupt-Faserorientierung einfach maximiert werden und quer zur Haupt-Faserorientierung einfach minimiert werden.
-
Es hat sich als günstig erwiesen, wenn bei der Herstellung des Reparaturbereichs eine durchschnittliche Länge der mindestens einen Stufe längs einer Umfangsrichtung quer zur radialen Richtung in Abhängigkeit von einem Winkel zwischen einer Faserorientierung einer Lage des Faserverbundwerkstücks, an welcher die mindestens eine Stufe ausgebildet wird, und der Haupt-Faserorientierung des Faserverbundwerkstücks variiert wird. Dadurch kann die Überlappungsfläche des Reparaturbereichs und des Reparaturwerkstücks in Abhängigkeit der jeweiligen Faserorientierung der Lage an der mindestens einen Stufe und der Haupt-Faserorientierung des Faserverbundwerkstücks variiert werden. Es wird dadurch die Menge des zur Herstellung des Reparaturbereichs abzutragenden Strukturmaterials und die Menge des zur Herstellung des Reparaturwerkstücks benötigten Materials weiter reduziert.
-
Insbesondere wird die durchschnittliche Länge der mindestens einen Stufe am größten gewählt, falls die Faserorientierung der Lage des Faserverbundwerkstücks, an welcher die mindestens eine Stufe ausgebildet wird, längs zur Haupt-Faserorientierung des Faserverbundwerkstücks liegt. Es kann dadurch die Überlappungsfläche zwischen dem Reparaturbereich und dem Reparaturwerkstück an der mindestens einen Stufe weiter erhöht werden, falls die Faserorientierung der Lage an der mindestens einen Stufe längs zur Haupt-Faserorientierung des Faserverbundwerkstücks liegt. Dadurch kann die übertragbare Kraft an dem Reparaturbereich längs der Haupt-Faserorientierung weiter erhöht werden.
-
Insbesondere wird die durchschnittliche Länge der mindestens einen Stufe am kleinsten gewählt, falls die Faserorientierung der Lage des Faserverbundwerkstücks, an welcher die mindestens eine Stufe ausgebildet wird, quer und insbesondere senkrecht zur Haupt-Faserorientierung des Faserverbundwerkstücks liegt. Dadurch wird die Überlappungsfläche zwischen dem Reparaturbereich und dem Faserverbundwerkstück quer zur Haupt-Faserorientierung weiter reduziert. Es wird dadurch die Menge des an dem Reparaturbereich abzutragenden Strukturmaterials und die Menge des zur Herstellung des Reparaturwerkstücks benötigten Materials weiter reduziert.
-
Insbesondere liegt eine Faserorientierung einer Lage an der mindestens einen Stufe des Reparaturbereichs längs zu einer Faserorientierung einer Lage an mindestens einer korrespondierenden Stufe des Reparaturwerkstücks, welche die mindestens eine Stufe des Reparaturbereichs überlappt. Dadurch wird die übertragbare Kraft an dem Reparaturbereich weiter erhöht.
-
Es hat sich als günstig erwiesen, wenn der Reparaturbereich längs der radialen Richtung einen Durchmesser aufweist, welcher in einer Richtung längs zur Normalen stufenförmig erweitert wird. Dadurch lässt sich der Reparaturbereich auf einfache Weise herstellen.
-
Beispielsweise ist eine Einhüllende des Reparaturbereichs zumindest näherungsweise kegelstumpfförmig. Es kann dadurch der Reparaturbereich auf einfache Weise realisiert werden.
-
Insbesondere wird aus Daten, welche für eine Herstellung der Negativform des Reparaturbereichs verwendet werden, eine Gegenform berechnet, und aus der Gegenform die Positivform des Reparaturwerkstücks hergestellt. Es kann dadurch eine einfache und effiziente Herstellung des Reparaturwerkstücks erfolgen.
-
Erfindungsgemäß wird ein Reparatursystem zur Reparatur eines Faserverbundwerkstücks mit einer Schadensstelle bereitgestellt, umfassend eine Abtragungseinheit und eine mit der Abtragungseinheit signalwirksam verbundene Steuereinheit, wobei mittels der Abtragungseinheit durch Abtragung von Strukturmaterial des Faserverbundwerkstücks ein Reparaturbereich herstellbar ist, und wobei die Steuereinheit die Abtragungseinheit derart steuert, dass der Reparaturbereich einen Reparaturgrundbereich aufweist, der Reparaturbereich mit mindestens einer Stufe hergestellt wird, welche eine quer und insbesondere senkrecht zum Reparaturgrundbereich orientierte Normale geschlossen umgibt, die mindestens eine Stufe eine längs einer senkrecht zur Normalen orientierten radialen Richtung definierte orientierungsabhängige Länge aufweist, bei der Herstellung des Reparaturbereichs die Länge der mindestens einen Stufe in Abhängigkeit von einem Winkel zwischen einer Orientierung der radialen Richtung und einer Haupt-Faserorientierung des Faserverbundwerkstücks variiert wird, die Länge der mindestens einen Stufe bei der Herstellung des Reparaturbereichs in einer radialen Richtung parallel zu der Haupt-Faserorientierung des Faserverbundwerkstücks am größten gewählt wird, und ein Verhältnis einer längs zur Normalen definierten Breite der mindestens einen Stufe zu der Länge in Abhängigkeit des Winkels variiert wird.
-
Das erfindungsgemäße Reparatursystem weist bereits die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Reparaturverfahren erläuterten Vorteile auf.
-
Insbesondere lässt sich das erfindungsgemäße Reparaturverfahren mit dem erfindungsgemäßen Reparatursystem durchführen. Insbesondere führt das erfindungsgemäße Reparatursystem das erfindungsgemäße Reparaturverfahren aus.
-
Günstig kann es sein, wenn das Reparatursystem eine Herstellungseinheit zur Herstellung eines Reparaturwerkstücks umfasst, welches an dem Reparaturbereich anordenbar ist, und welches eine zu einer Negativform des Reparaturbereichs korrespondierende Positivform aufweist.
-
Die Herstellungseinheit ist beispielsweise signalwirksam mit der Steuereinheit des Reparatursystems verbunden.
-
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die Steuereinheit eine Form und/oder eine Geometrie des herzustellenden Reparaturwerkstücks berechnet und/oder Informationen hinsichtlich einer Form und/oder einer Geometrie des herzustellenden Reparaturwerkstücks an die Herstellungseinheit übermittelt.
-
Vorteilhaft kann es sein, wenn das Reparatursystem eine Positionierungseinheit zur Anordnung und/oder Positionierung eines Reparaturwerkstücks an dem Reparaturbereich des Faserverbundwerkstücks aufweist.
-
Die Positionierungseinheit ist beispielsweise signalwirksam mit der Steuereinheit des Reparatursystems verbunden.
-
Beispielsweise übermittelt die Steuereinheit an die Positionierungseinheit Informationen hinsichtlich einer Position und/oder einer Form und/oder einer Geometrie des Reparaturbereichs.
-
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung.
-
Es zeigen:
- 1 eine perspektivische Ansicht eines Faserverbundwerkstücks mit einem Reparaturbereich;
- 2 eine Aufsicht auf ein Ausführungsbeispiel eines Reparaturbereichs;
- 3 eine teilweise Schnittansicht des Reparaturbereichs gemäß 2;
- 4 eine schematische Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels eines Reparaturbereichs; und
- 5 eine schematische Darstellung eines Reparatursystems zur Durchführung eines Reparaturverfahrens an einem Faserverbundwerkstück.
-
Ein Faserverbundwerkstück, welches in 1 perspektivisch gezeigt und dort mit 10 bezeichnet ist, umfasst eine Schadensstelle 12. Das Faserverbundwerkstück 10 ist beispielsweise ein Bauteil aus einem Faserverbundwerkstoff. Es weist an der Schadensstelle 12 einen beschädigten Bereich auf.
-
An der Schadensstelle 12 wird durch Abtragung von einem Strukturmaterial 14 des Faserverbundwerkstoffs 10 ein definierter Reparaturbereich 16 erstellt.
-
In dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 weist der Reparaturbereich 16 Stufen 18a, 18b, 18c, 18d auf. Die Stufen 18a, 18b, 18c, 18d umgeben eine in einem geometrischen Zentrum 20 des Reparaturbereichs 16 liegende Normale 22 geschlossen, welche senkrecht zu einem Reparaturgrundbereich 24 des Reparaturbereichs 16 verläuft.
-
Die Normale 22 liegt axialsymmetrisch zu einem Schnitt längs zur Normalen 22 durch den Reparaturbereich 16.
-
Ein Durchmesser 26 des Reparaturbereichs 16 ist längs einer radialen Richtung 28 definiert, welche senkrecht zur Normalen 22 orientiert ist. Der Durchmesser 26 wird ausgehend von dem Reparaturgrundbereich 24 längs zur Normalen 22 zu einer Oberseite 30 des Faserverbundwerkstücks 10 hin stufenförmig erweitert.
-
Der Reparaturbereich 16 weist zumindest näherungsweise eine kegelstumpfförmige Einhüllende auf.
-
Ausgehend vom Zentrum 20 des Reparaturbereichs 16 folgt längs der radialen Richtung 28 auf den Reparaturgrundbereich 24 die radial innerste Stufe 18d. Auf die Stufe 18d folgen längs der radialen Richtung 28 jeweils die radial äußeren Stufen 18c, 18b, 18a. Zwischen benachbarten Stufen erfolgt jeweils ein gestufter Übergang.
-
Die Stufe 18a ist die radial äußerste Stufe. Ausgehend von der Stufe 18a erfolgt längs der radialen Richtung 28 ein gestufter Übergang zu der Oberseite 30 des Faserverbundwerkstücks 10.
-
Die Stufen 18a, 18b, 18c, 18d weisen jeweils eine Länge 32a, 32b, 32c, 32d auf, welche längs der radialen Richtung 28 definiert ist. Eine Breite 34a, 34b, 34c, 34d der Stufen 18a, 18b, 18c, 18d ist jeweils längs zur Normalen 22 definiert.
-
Die Breiten 34a, 34b, 34c, 34d der Stufen 18a, 18b, 18c, 18d sind längs einer Umfangsrichtung quer zur radialen Richtung 28 zumindest näherungsweise konstant.
-
Bei dem Reparaturverfahren ist es vorgesehen, dass ein Reparaturwerkstück hergestellt wird, welches eine zu einer Negativform des Reparaturbereichs 16 korrespondierende Positivform aufweist. Das Reparaturwerkstück umfasst Stufen, welche zu den Stufen 18a, 18b, 18c, 18d des Reparaturbereichs 16 korrespondieren. Das Reparaturwerkstück wird formpassend an dem Reparaturbereich 16 angeordnet, wobei die Stufen des Reparaturwerkstücks die Stufen 18a, 18b, 18c, 18d des Reparaturbereichs 16 überlappen. Dies wird weiter unten im Detail anhand von 4 erläutert.
-
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel eines Reparaturbereichs, welcher in 2 und 3 mit 36 bezeichnet ist, sind jene Komponenten, welche mit Komponenten des Reparaturbereichs 16 des ersten Ausführungsbeispiels identisch sind, mit den gleichen Bezugszeichen belegt. Was diese Komponenten betrifft, so gilt die Beschreibung des ersten Ausführungsbeispiels auch für das nachfolgend beschriebene Ausführungsbeispiel.
-
Es ist vorgesehen, dass bei der Herstellung des Reparaturbereichs 36 die Längen der Stufen längs der radialen Richtung 28 in Abhängigkeit von einer Orientierung der radialen Richtung 28 bezüglich einer Haupt-Faserorientierung 38 des Faserverbundwerkstücks 10 variiert werden.
-
Das Faserverbundwerkstück 10 ist aus einzelnen Lagen 40 aufgebaut, welche sich in einer Ebene quer zur Normalen 22 flächig erstrecken. Die Lagen 40 sind längs zur Normalen 22 schichtweise übereinander angeordnet.
-
Die Lagen 40 weisen jeweils Fasern auf, welche sich längs einer definierten Faserorientierung an einer Lage 40 erstrecken. Die Faserorientierung liegt in einer quer zur Normalen 22 verlaufenden Ebene.
-
In dem Faserverbundwerkstück 10 existieren beispielsweise vier unterschiedliche Faserorientierungen, welche unterschiedliche Lagen 40 jeweils annehmen können. Bezogen auf eine Gesamtheit aller Lagen 40 weist eine Mehrheit der Lagen 40 eine Faserorientierung längs zur Haupt-Faserorientierung 38 des Faserverbundwerkstücks 10 auf.
-
Längs der Haupt-Faserorientierung 38 ist daher eine Kraft, welche über das Faserverbundwerkstück 10 übertragen werden kann, am größten.
-
Ein Winkel zwischen der Haupt-Faserorientierung 38 (0°-Richtung) und den vier möglichen Faserorientierungen an den Lagen 40 beträgt beispielsweise 0°, 45°, 90° oder 135°.
-
Der Reparaturbereich 36 ist grundsätzlich gleich aufgebaut wie der Reparaturbereich 16. Er umfasst Stufen 42, welche analog zu den Stufen 18a, 18b, 18c, 18d gemäß 1 jeweils eine Länge 44 und eine Breite 46 aufweisen.
-
Eine der Stufen 42 ist jeweils an einer der Lagen 40 ausgebildet. Die Stufen 42 sind insbesondere rechtwinklig ausgebildet.
-
Die Breite 46 einer der Stufen 42 entspricht jeweils einer Breite einer korrespondierenden Lage 40 an der jeweiligen Stufe 42. Unterschiedliche Stufen 42 (und Lagen 40) weisen insbesondere jeweils gleiche Breiten 46 auf. Beispielsweise beträgt die Breite 46 0,1 mm.
-
Die jeweiligen Längen 44 der Stufen 42 werden bei der Herstellung des Reparaturbereichs 36 in Abhängigkeit eines Winkels 48 zwischen einer Orientierung der radialen Richtung 28 und der Haupt-Faserorientierung 38 variiert.
-
Bei dem Reparaturverfahren ist es vorgesehen, dass die jeweiligen Längen 44 der Stufen 42 längs einer radialen Richtung 28' maximiert werden, welche längs zur Haupt-Faserorientierung 38 des Faserverbundwerkstücks 10 liegt. Der Winkel 48 beträgt in diesem Fall 0° oder 180°.
-
Maximieren der Länge 44 längs der radialen Richtung 28' bedeutet, dass die Länge 44 längs dieser radialen Richtung 28' einen größten Wert annimmt, und dass die Länge 44 längs radialer Richtungen 28 mit anderen Orientierungen jeweils einen Wert annimmt, welcher kleiner als dieser größte Wert ist.
-
Die jeweiligen Längen 44 der Stufen 42 werden längs einer radialen Richtung 28" minimiert, welche quer und insbesondere senkrecht zur Haupt-Faserorientierung 38 des Faserverbundwerkstücks 10 liegt. Für den Fall der senkrechten Lage zur Haupt-Faserorientierung 38 beträgt der Winkel 48 90° oder 270°.
-
Minimieren der Länge 44 längs der radialen Richtung 28" bedeutet, dass die Länge 44 längs dieser radialen Richtung 28" einen kleinsten Wert annimmt, und dass die Länge längs radialer Richtungen 28 mit anderen Orientierungen jeweils einen Wert annimmt, welcher größer als dieser kleinste Wert ist.
-
Die jeweiligen Längen 44 der Stufen 42 nehmen längs einer Umfangsrichtung quer zur radialen Richtung 28 abschnittsweise monoton zu und/oder abschnittsweise monoton ab. In dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 nimmt die jeweilige Länge 44 beispielsweise monoton ab, wenn der Winkel 48 von 0° auf 90° vergrößert wird. Die jeweilige Länge 44 nimmt beispielsweise monoton zu, wenn der Winkel 48 von 90° auf 180° vergrößert wird.
-
Der Reparaturbereich 36 weist in der Aufsicht senkrecht zur Normalen 22 gemäß 2 zumindest näherungsweise eine elliptische Einhüllende auf. Die Stufen 42 umfassen jeweils eine Kante 50, welche zumindest näherungsweise eine Ellipse 52 beschreibt. Ein jeweiliger Mittelpunkt der Ellipsen 52 liegt auf der Normalen 22.
-
Zumindest näherungsweise bedeutet, dass die Ellipse 52 eine Abweichung von höchstens 30 % zu einer idealen Ellipse aufweist.
-
Eine große Halbachse 54 der Ellipsen 52 liegt längs der Haupt-Faserorientierung 38 des Faserverbundwerkstücks 10. Eine kleine Halbachse 56 der Ellipsen 52 liegt senkrecht zur Haupt-Faserorientierung 38.
-
Eine durchschnittliche Länge 58 einer der Stufen 42 ist jeweils längs einer Umfangsrichtung quer zur radialen Richtung 28 definiert.
-
Es ist vorgesehen, dass bei der Herstellung des Reparaturbereichs 36 die durchschnittlichen Längen 58 der Stufen 42 jeweils in Abhängigkeit von einem Winkel zwischen der Faserorientierung der Lage 40 an der jeweiligen Stufe 42 und der Haupt-Faserorientierung 38 des Faserverbundwerkstücks 10 variiert werden.
-
Die durchschnittlichen Längen 58 derjenigen Stufen 42 werden maximiert, falls die Faserorientierungen der jeweiligen Lagen 40 an diesen Stufen 42 längs zur Haupt-Faserorientierung 38 des Faserverbundwerkstücks 10 liegen.
-
Die durchschnittlichen Längen 58 derjenigen Stufen 42 werden minimiert, falls die Faserorientierungen der jeweiligen Lagen 40 an diesen Stufen 42 senkrecht zur Haupt-Faserorientierung 38 liegen.
-
Ein beispielhafter Ausschnitt des Reparaturbereichs 36 ist in 4 in einer schematischen Schnittansicht längs zur Normalen 22 gezeigt. An dem Reparaturbereich 36 ist ein Reparaturwerkstück 60 angeordnet.
-
Das Faserverbundwerkstück 10 umfasst die Lagen 40, welche schichtweise übereinander angeordnet sind. An den Lagen 40 sind jeweils Stufen 42 mit der Länge 44 und der Breite 46 ausgebildet. Die Lagen 40 weisen jeweils eine Faserorientierung 62 auf.
-
Das Reparaturwerkstück 60 umfasst ebenfalls Stufen 64 mit einer Länge 66 und einer Breite 68. Die Stufen 64 des Reparaturwerkstücks 60 sind in analoger Weise zu dem Faserverbundwerkstück 10 an Lagen 70 mit einer Faserorientierung 72 ausgebildet, wobei die Lagen 70 schichtweise übereinander angeordnet sind. Die Lagen 70 des Reparaturwerkstücks 60 erstrecken sich analog zu den Lagen 40 des Faserverbundwerkstücks 10 längs einer Ebene quer zur Normalen 22.
-
Die Stufen 42 des Faserverbundwerkstücks 10 weisen jeweils eine Seite 74 auf. Die Stufen 64 des Reparaturwerkstücks 60 weisen ebenfalls jeweils eine Seite 76 auf.
-
Die Seite 74 einer der Stufen 42 des Reparaturwerkstücks 10 wird jeweils von einer längs der Normalen 22 oberhalb liegenden korrespondierenden Seite 76 der Stufe 64 des Reparaturwerkstücks 60 überlappt.
-
Die Länge 44 einer der Stufen 42 entspricht der Länge 66 einer zu der Stufe 42 korrespondierenden Stufe 64.
-
Die Breiten 46 der Stufen 42 (und der Lagen 40) des Faserverbundwerkstücks 10 entsprechen den Breiten 68 der korrespondierenden Stufen 64 (und der Lagen 70) des Reparaturwerkstücks 60. Insbesondere sind alle Breiten 46 der Stufen 42 des Faserverbundwerkstücks 10 ebenso wie alle Breiten 68 der Stufen 64 des Reparaturwerkstücks 60 zumindest näherungsweise identisch.
-
In dem Ausführungsbeispiel des Reparaturbereichs 36 gemäß 4 wird beispielsweise eine Seite 74a einer Stufe 42a des Faserverbundwerkstücks 10 von einer Seite 76a einer korrespondierenden Stufe 64a des Reparaturwerkstücks 60 überlappt.
-
Eine Länge 44a der Stufe 42a entspricht einer Länge 66a der korrespondierenden Stufe 64a.
-
Die Faserorientierung 62 einer der Stufen 42 entspricht der Faserorientierung 72 einer zu der Stufe 42 korrespondierenden Stufe 64.
-
Beispielsweise entspricht eine Faserorientierung 62a der Stufe 42a des Faserverbundwerkstücks 10 einer Faserorientierung 72a der Stufe 64a des Reparaturwerkstücks 60.
-
Bei dem Reparaturverfahren wird wie vorstehend erläutert der Reparaturbereich 36 an dem Faserverbundwerkstück 10 hergestellt. Die jeweiligen Längen 44 der Stufen 42 längs der radialen Richtung 28 werden maximiert, falls die Orientierung der radialen Richtung 28 längs zur Haupt-Faserorientierung 38 des Faserverbundwerkstücks 10 liegt. Dadurch wird längs der Haupt-Faserorientierung 38 eine größere Überlappungsfläche zwischen jeweiligen Seiten 74 der Stufen 42 des Faserverbundwerkstücks 10 und jeweiligen Seiten 76 der Stufen 64 des Reparaturwerkstücks 60 realisiert.
-
Hierdurch wird nach Abschluss des Reparaturverfahrens eine übertragbare Kraft an dem Reparaturbereich 16 längs der Haupt-Faserorientierung 38 erhöht.
-
Die jeweiligen Längen 44 der Stufen 42 längs der radialen Richtung 28 werden minimiert, falls die Orientierung der radialen Richtung 28 senkrecht zur Haupt-Faserorientierung 38 liegt. Es wird dadurch die Überlappungsfläche der jeweiligen Seite 74 der Stufen 42 und der jeweiligen Seite 76 der Stufen 64 senkrecht zur Haupt-Faserorientierung 38 reduziert. Dadurch wird eine Menge des zur Herstellung des Reparaturbereichs 36 abzutragenden Strukturmaterials 14 reduziert.
-
Durch das Reparaturverfahren wird gezielt die Überlappungsfläche längs der radialen Richtungen 28 mit Orientierungen quer zur Haupt-Faserorientierung 38 minimiert, längs welchen eine geringere Kraftübertragung stattfindet als in Orientierungen längs zur Haupt-Faserorientierung 38.
-
Die durchschnittlichen Längen 58 derjenigen Stufen 42 werden maximiert, falls die jeweilige Faserorientierung 62 der Lagen 40 an den Stufen 42 längs zur Haupt-Faserorientierung 38 liegt. Die durchschnittlichen Längen 58 derjenigen Stufen 42 werden minimiert, falls die jeweilige Faserorientierung 62 der Lagen 70 an den Stufen 42 senkrecht zur Haupt-Faserorientierung 38 liegt. Dadurch wird die Überlappungsfläche zwischen Stufen 42 des Faserverbundwerkstücks 10 und korrespondierenden Stufen 64 des Reparaturwerkstücks 60 vergrößert, falls die Faserorientierung 62 längs zur Haupt-Faserorientierung 38 liegt. Dadurch kann die übertragbare Kraft an dem Reparaturbereich 36 längs der Haupt-Faserorientierung 38 weiter erhöht werden. Die Überlappungsfläche wird verringert, falls die Faserorientierung 62 quer zur Haupt-Faserorientierung 38 liegt. Es kann dadurch die Menge des abzutragenden Strukturmaterials 14 zur Herstellung des Reparaturbereichs 36 weiter reduziert werden.
-
Die jeweilige Faserorientierung 62 der Stufen 42 des Faserverbundwerkstücks 10 ist identisch zu der jeweiligen Faserorientierung 72 der korrespondierenden Stufen 64 des Reparaturwerkstücks 60, welche die jeweiligen Stufen 42 überlappen. Dadurch wird die übertragbare Kraft an dem Reparaturbereich 36 weiter erhöht.
-
Es kann vorgesehen sein, dass die jeweilige Breite 46 der Stufen 42 in einem Verhältnis zu der jeweiligen Länge 44 steht. Dieses Verhältnis wird dann in Abhängigkeit des Winkels 48 zwischen der Haupt-Faserorientierung 38 und der Orientierung der radialen Richtung 28 variiert.
-
Für das Faserverbundwerkstück 10, dessen Lagen 40 beispielsweise vier mögliche Faserorientierungen 62 aufweisen, wird beispielsweise für jeweils vier unterschiedliche Winkel 48 der radialen Richtung 28 ein festes Verhältnis von Breite 46 zu Länge 44 vorgegeben.
-
Beispielsweise beträgt das Verhältnis von Breite 46 zu Länge 44 für Stufen 42, deren Faserorientierung 62 längs zur Haupt-Faserorientierung 38 liegt, für die radiale Richtung 28 bei einem Winkel 48 von 0° 1:50, bei einem Winkel 48 von 45° 1:10, bei einem Winkel 48 von 90° 1:1 und bei einem Winkel 48 von 135° 1:10. Aus Symmetriegründen entspricht das Verhältnis bei einem Winkel 48 von 180° demjenigen bei einem Winkel 48 von 0°, das Verhältnis bei einem Winkel 48 von 225° demjenigen bei einem Winkel 48 von 45°, das Verhältnis bei einem Winkel 48 von 270° demjenigen bei einem Winkel 48 von 90° und das Verhältnis bei einem Winkel 48 von 315° demjenigen bei einem Winkel 48 von 135°.
-
Falls die jeweilige Breite 46 der Stufen 42 beispielsweise 0,1 mm beträgt, ergibt sich hieraus eine jeweilige Länge 44 der Stufen 42 von 5 mm bei einem Winkel 48 von 0°, von 1 mm bei einem Winkel 48 von 45°, von 0,1 mm bei einem Winkel 48 von 90° und von 1 mm bei einem Winkel 48 von 135°.
-
Die Anzahl der Winkel 48, für welche jeweils ein Verhältnis vorgegeben wird, entspricht insbesondere der Anzahl der möglichen Faserorientierungen 62 der Lagen 40.
-
Zur Durchführung des Reparaturverfahrens wird der Reparaturbereich 36 durch Abtragung des Strukturmaterials 14 des Faserverbundwerkstücks 10 hergestellt. Anschließend wird das zu dem Reparaturbereich 16 korrespondierende Reparaturwerkstück 60 hergestellt. Das Reparaturwerkstück 60 weist eine Positivform auf, welche zu einer Negativform des Reparaturbereichs korrespondiert.
-
Es kann vorgesehen sein, dass die Herstellung des Reparaturwerkstücks durch Rapid Prototyping erfolgt.
-
Hierzu wird die Negativform des Reparaturbereichs beispielsweise durch definierte Laserabtragung erzeugt. Anschließend wird aus den Daten, welche für die Herstellung der Negativform verwendet werden, eine Gegenform berechnet. Aus dieser Gegenform wird dann die Positivform des Reparaturwerkstücks 60 hergestellt.
-
Das Reparaturwerkstück 60, welches an dem Reparaturbereich 36 des Faserverbundwerkstücks 10 angeordnet ist, umfasst beispielsweise ein Reparaturharz. Dieses Reparaturharz kann sich durch Erwärmung stoffschlüssig mit dem Strukturmaterial 14 des Faserverbundwerkstücks 10 verbinden. Dadurch kann der beschädigte Bereich der Schadensstelle 12 wiederhergestellt werden.
-
Zur Erwärmung des Reparaturwerkstücks kann beispielsweise eine Induktionsheizvorrichtung eingesetzt werden. Eine solche Induktionsheizvorrichtung ist beispielsweise aus der
DE 20 2015 100 080 U1 und aus der nicht vorveröffentlichten
deutschen Patentanmeldung Nr. 10 2016 209 487.4 vom 31. Mai 2016 des gleichen Anmelders bekannt. Hierauf wird ausdrücklich und vollinhaltlich Bezug genommen.
-
Ein Reparatursystem zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Reparaturverfahrens ist in 5 schematisch gezeigt und dort mit 78 bezeichnet. Das Reparatursystem 78 umfasst eine Abtragungseinheit 80 und eine mit der Abtragungseinheit 80 signalwirksam verbundene Steuereinheit 82.
-
Die Abtragungseinheit 80 dient zur Herstellung des Reparaturbereichs 36 an dem Faserverbundwerkstück 10. Mittels der Abtragungseinheit 80 wird beispielsweise Strukturmaterial 14 des Faserverbundwerkstücks 10 an der Schadensstelle 12 abgetragen.
-
Auf diese Weise werden mittels der Abtragungseinheit 80 beispielsweise die Stufen 42 des Reparaturbereichs 16 an dem Faserverbundwerkstück 10 ausgebildet.
-
Die Steuereinheit 82 dient zur Steuerung der Abtragungseinheit 80. In der Steuereinheit 82 wird beispielsweise die Geometrie des Reparaturbereichs 16 berechnet und/oder es werden zur Herstellung des Reparaturbereichs 16 erforderliche Informationen an die Abtragungseinheit 80 übermittelt.
-
Die Steuereinheit 82 übermittelt beispielsweise Informationen an die Abtragungseinheit 80 hinsichtlich der Länge 32 und/oder der Breite 34 der Stufen 42.
-
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass das Reparatursystem 78 eine Herstellungseinheit 84 zur Herstellung des Reparaturwerkstücks 60 umfasst. Die Herstellungseinheit 84 ist beispielsweise signalwirksam mit der Steuereinheit 82 verbunden.
-
Die Steuereinheit 82 übermittelt der Herstellungseinheit 84 Informationen hinsichtlich der Form und/oder Geometrie des herzustellenden Reparaturwerkstücks 60.
-
Auf diese Weise kann mittels der Herstellungseinheit 84 das Reparaturwerkstück 60 hergestellt werden, dessen Form zu der Form des Reparaturbereichs 36 korrespondiert. Es lässt sich dadurch beispielsweise die Herstellung des Reparaturwerkstücks 60 mittels Rapid Prototyping durchführen.
-
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass das Reparatursystem 78 eine Positionierungseinheit 86 zur Positionierung des Reparaturwerkstücks 60 an dem Faserverbundwerkstück 10 aufweist.
-
Die Positionierungseinheit ist beispielsweise signalwirksam mit der Steuereinheit 82 verbunden. Die Steuereinheit 82 übermittelt der Positionierungseinheit 86 beispielsweise Informationen hinsichtlich der Position und/oder Form und/oder Geometrie des Reparaturbereichs 36. Auf diese Weise lässt sich mittels der Positionierungseinheit 86 das Reparaturwerkstück 60 an dem Reparaturbereich 36 des Faserverbundwerkstücks 10 positionieren und/oder anordnen.
-
Nach der Positionierung des Reparaturwerkstücks 60 an dem Reparaturbereich 36 kann die Schadensstelle 12 beispielsweise durch Erwärmung des Reparaturwerkstücks mittels einer Induktionsheizvorrichtung repariert werden.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- Faserverbundwerkstück
- 12
- Schadensstelle
- 14
- Strukturmaterial
- 16
- Reparaturbereich
- 18a
- Stufe
- 18b
- Stufe
- 18c
- Stufe
- 18d
- Stufe
- 20
- Zentrum
- 22
- Normale
- 24
- Reparaturgrundbereich
- 26
- Durchmesser
- 28
- Radiale Richtung
- 28'
- Radiale Richtung parallel zu einer Haupt-Faserorientierung
- 28"
- Radiale Richtung quer und insbesondere senkrecht zu einer Haupt-Faserorientierung
- 30
- Oberseite
- 32a
- Länge
- 32b
- Länge
- 32c
- Länge
- 32d
- Länge
- 34a
- Breite
- 34b
- Breite
- 34c
- Breite
- 34d
- Breite
- 36
- Reparaturbereich
- 38
- Haupt-Faserorientierung
- 40
- Lage
- 42
- Stufe
- 42a
- Stufe
- 44
- Länge
- 44a
- Länge
- 46
- Breite
- 48
- Winkel
- 50
- Kante
- 52
- Ellipse
- 54
- Große Halbachse
- 56
- Kleine Halbachse
- 58
- Durchschnittliche Länge
- 60
- Reparaturwerkstück
- 62
- Faserorientierung
- 64
- Stufe
- 64a
- Stufe
- 66
- Länge
- 66a
- Länge
- 68
- Breite
- 70
- Lage
- 72
- Faserorientierung
- 74
- Seite
- 74a
- Seite
- 76
- Seite
- 76a
- Seite
- 78
- Reparatursystem
- 80
- Abtragungseinheit
- 82
- Steuereinheit
- 84
- Herstellungseinheit
- 86
- Positionierungseinheit
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102007009719 B3 [0003]
- DE 102008051380 B4 [0004]
- DE 102010053574 B4 [0005]
- DE 102008021788 A1 [0006]
- DE 102010006384 A1 [0007]
- DE 102006057641 A1 [0008]
- US 2008/0281554 A1 [0009]
- DE 202007013755 U1 [0010]
- US 2012/0132344 A1 [0011]
- WO 2008/135856 A2 [0012]
- DE 102013209179 A1 [0013]
- DE 202015100080 U1 [0020, 0111]
- DE 102016209487 [0111]
