DE102018110307A1

DE102018110307A1 - Verbundbauteil und Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils

Info

Publication number: DE102018110307A1
Application number: DE102018110307.7A
Authority: DE
Inventors: Thomas Kruse; Thomas Körwien; Theodor Andres Schmid Fuertes
Original assignee: Airbus Defence and Space GmbH; Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH; Airbus Operations GmbH
Priority date: 2018-04-30
Filing date: 2018-04-30
Publication date: 2019-10-31

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verbundbauteil (10) umfassend mindestens zwei Schichten (12, 14, 16, 18, 20), mindestens einen Basisabschnitt (28), und mindestens einen Verbindungsabschnitt (26) zum Verbinden mit einem weiteren Verbundbauteil (10'), wobei sich die mindestens zwei Schichten (12, 14, 16, 18, 20) von dem Basisabschnitt (28) in den Verbindungsabschnitt (26) erstrecken, wobei mindestens eine der mindestens zwei Schichten (12, 14, 16, 18, 20) eine erste Teilschicht (22) und eine zweite Teilschicht (24) aufweist, wobei die zweite Teilschicht (24) mindestens teilweise im Verbindungsabschnitt (26) angeordnet ist, und wobei die zweite Teilschicht (24) ein kleineres Elastizitätsmodul als die erste Teilschicht (22) aufweist. Die Erfindung stellt damit ein Verbundbauteil (10) bereit, das eine reduzierte Spannungskonzentration bei einer Verbindung mit einem weiteren Verbundbauteil (10') aufweist und dabei keine hohen Herstellungskosten hat.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verbundbauteil umfassend mindestens zwei Schichten, mindestens einen Basisabschnitt und mindestens einen Verbindungsabschnitt zum Verbinden mit einem weiteren Verbundbauteil, wobei sich die mindestens zwei Schichten von dem Basisabschnitt in den Verbindungsabschnitt erstrecken, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils.
Zum Verbinden von zwei Verbundplatten werden die beiden Platten an den Kanten miteinander überlappt und in der Überlappungszone miteinander verbunden. Die überlappenden Kanten sind jedoch Spannungskonzentrationen ausgesetzt. Um diese Spannungskonzentrationen an den Kanten zu reduzieren sind beispielsweise aus US 5,281,454 A abgeschrägte Kanten an den Überlappungsbereichen bekannt, die durch die Schräge sowie die hierdurch resultierende Steifigkeitsreduktion eine Reduktion der Spannungskonzentrationen bewirken. Allerdings können diese abgeschrägten Kanten nur mit hohem Aufwand, d.h. mit hohen Kosten, hergestellt werden. Weiter werden die abgeschrägten Kanten leicht beschädigt, wenn sie falsch gehandhabt werden.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verbundbauteil und ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils bereitzustellen, das diese Spannungskonzentration reduziert und dabei keine hohen Herstellungskosten aufweist.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche sowie der folgenden Beschreibung.
Gemäß der Erfindung ist ein Verbundbauteil vorgesehen umfassend mindestens zwei Schichten, mindestens einen Basisabschnitt, und mindestens einen Verbindungsabschnitt zum Verbinden mit einem weiteren Verbundbauteil, wobei sich die mindestens zwei Schichten von dem Basisabschnitt in den Verbindungsabschnitt erstrecken, wobei mindestens eine der mindestens zwei Schichten eine erste Teilschicht und eine zweite Teilschicht aufweist, wobei die zweite Teilschicht mindestens teilweise im Verbindungsabschnitt angeordnet ist, und wobei die zweite Teilschicht ein kleineres Elastizitätsmodul als die erste Teilschicht aufweist.
Mit der Erfindung wird ein Verbundbauteil bereitgestellt, das eine individuelle integrierte Anpassung der Elastizität des Verbundbauteils zumindest im Verbindungsabschnitt aufweist. Durch den Einsatz mindestens einer Schicht, die eine erste und eine zweite Teilschicht aufweist, wobei das Elastizitätsmodul der zweiten Teilschicht kleiner ist als das Elastizitätsmodul der ersten Teilschicht, kann das Elastizitätsmodul des gesamten Verbindungsabschnittes verändert werden. Durch die Auswahl der Größe der Teilschichten und die Auswahl der Schichten, die eine erste und eine zweite Teilschicht aufweisen, kann damit ein Verlauf des Elastizitätsmoduls im Verbindungsabschnitt eingestellt werden, der dem Verlauf des Elastizitätsmoduls eines Verbundbauteils mit einer abgeschrägten Kante ähnelt oder gar gleicht. Der Verlauf des Elastizitätsmoduls im Verbundbauteil kann damit maßgeschneidert auf einen günstigen Verlauf angepasst werden. Die erste und zweite Teilschicht können während der Herstellung des Verbundbauteils direkt angefertigt werden. Es ist daher keine Nachbearbeitung des Verbundbauteils nötig, um wie im Stand der Technik abgeschrägte Kanten zu erhalten. Dies senkt die Herstellungskosten. Der Erfindung stellt damit eine Vorrichtung bereit, die Spannungskonzentrationen an den Kanten vermeidet und günstig in der Herstellung ist.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verbundbauteils betrifft die durchgehend gleichbleibende Dicke des Verbundbauteils, da die Anzahl der Schichten sich zum Rand hin nicht durch eine Abschrägung reduziert. Dadurch wird der Verbindungsbereich stabiler als im Stand der Technik und es können zum Beispiel Bohrungen platziert werden, um zwei oder mehrere Verbundbauteile miteinander mittels Verbindungselementen zu verbinden. Die Bohrungen und die Verbindungselemente erhöhen durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Verbundbauteils das Risiko von Materialschäden nicht wesentlich, da Spannungskonzentrationen vermieden werden.
Der Verbindungsabschnitt erstreckt sich dabei nicht lediglich in der Fläche eines Verbundbauteils, die mit einer Fläche eines anderen Verbundbauteils bei der Verbindung der beiden Verbundbauteile in Kontakt tritt, sondern auch in die darunterliegenden Schichten, die keinen direkten Kontakt zu dem jeweils anderen Verbundbauteil aufweisen.
Wie der Verbindungsabschnitt ist der Basisabschnitt ein dreidimensionaler Abschnitt der sich nicht lediglich auf der Fläche der äußeren Schicht erstreckt, sondern auch alle darunterliegenden Schichten umfasst.
Gemäß einem vorteilhaften Beispiel erstreckt sich die erste Teilschicht von dem Basisabschnitt in den Verbindungsabschnitt.
Damit umfasst der Verbindungsabschnitt zumindest einen Teil der ersten Teilschicht, sodass der Verbindungsabschnitt nicht vollständig aus zweiten Teilschichten besteht. Die Größe der Erstreckung der ersten Teilschicht in den Verbindungsabschnitt hinein kann von Schicht zu Schicht variieren, so das verschiedene Schichten verschieden große erste Teilschichten in dem Verbindungsabschnitt aufweisen. Durch die Auswahl der Größe der ersten Teilschichten der verschiedenen Schichten kann der Verlauf des Elastizitätsmoduls im Verbindungsabschnitt mit einer hohen Genauigkeit vordefiniert werden.
Für die zweite Teilschicht kann jedes Material genommen werden, welches ein genügend kleines Elastizitätsmodul aufweist, und eine chemisch kompatibel zum Material der ersten Teilschicht ist, um eine sichere Verbindung herzustellen, sowie die geforderten Festigkeitswerte in der Ebene sowie auch in Dickenrichtung aufweist.
Gemäß einem vorteilhaften Beispiel weist die erste Teilschicht einen Verbundwerkstoff, vorzugweise ein Material umfassend Epoxidharz, auf. Der Verbundwerkstoff kann jedoch auch ein anderes Kunststoffmaterial wie z. B. ein Thermoplast sein. Weiter kann der Verbundwerkstoff zum Beispiel Fasern aufweisen, vorzugsweise eine Kohlenstofffasermatte, eine Glasfasermatte oder eine Textilmatte. Dies erhöht die Steifigkeit des Verbundwerkstoffs und der ersten Teilschicht.
Gemäß einem vorteilhaften Beispiel weist die zweite Teilschicht ein Elastomer, vorzugsweise Gummi, auf.
Die zweite Teilschicht kann zum Beispiel weiter ein Epoxidharz oder ein anderes Kunststoffmaterial, wie z. B ein Thermoplast, aufweisen, das mit dem Elastomer vermischt ist. Weiter kann auch die zweite Teilschicht zum Beispiel Fasern aufweisen, vorzugsweise eine Kohlenstofffasermatte, eine Glasfasermatte oder eine Textilmatte. Mittels des Elastomers in der zweiten Teilschicht wird das Elastizitätsmodul der zweiten Teilschicht im Vergleich zur ersten Teilschicht gesenkt. Durch die Auswahl der Menge des Elastomers im Vergleich zum restlichen Material des Verbundwerkstoffs der zweiten Teilschicht kann das Elastizitätsmodul der zweiten Teilschicht mit hoher Genauigkeit eingestellt werden.
Gemäß einem vorteilhaften Beispiel weist das Verbundbauteil mindestens drei Schichten auf, wobei mindestens eine erste und eine letzte Schicht keine zweite Teilschicht im Verbindungsabschnitt aufweisen.
Durch das Fehlen der zweiten Teilschicht in der ersten und der letzten Schicht des Verbundbauteils kann eine durchgehende äußere Schicht bereitgestellt werden, die eine einheitliche Steifigkeit aufweist. Dies erhöht die Stabilität des gesamten Verbundbauteils und schützt die innen liegenden zweiten Teilschichten in Verbindungsabschnitt vor mechanischen Beschädigungen. Weiter wird durch die äußeren Schichten, die keine zweite Teilschicht aufweisen eine geeignete Verbindungsfläche geschaffen, die eine einfache Verbindung mit einem weiteren Verbundbauteil ermöglicht.
Gemäß einem vorteilhaften Beispiel weist das Verbundbauteil eine Vielzahl von Schichten auf, wobei im Verbindungsabschnitt mindestens zwei Schichten eine zweite Teilschicht aufweisen, die eine unterschiedliche Fläche aufweisen.
Durch die unterschiedlichen Flächen der zweiten Teilschichten verschiedener Schichten kann ein günstiger Verlauf des Elastizitätsmoduls im Verbindungsabschnitt hergestellt werden, da eine Verkleinerung der zweiten Teilschicht automatisch eine Vergrößerung der ersten Teilschicht zur Folge hat. In einem Bereich, in dem der Verbindungsabschnitt nahe dem Basisabschnitt angeordnet ist, kann zum Beispiel ein Elastizitätsmodul bereitgestellt werden, das in etwa gleich groß wie das Elastizitätsmodul des Basisabschnitts ist, in dem nur wenige zweite Teilschichten in diesem Bereich angeordnet werden. Mit zunehmender Entfernung vom Basisabschnitt kann das Elastizitätsmodul durch eine höhere Anzahl an zweiten Teilschichten reduziert sein.
Gemäß einem vorteilhaften Beispiel weist das Verbundbauteil eine Vielzahl von Schichten auf, wobei im Verbindungsabschnitt mindestens zwei Schichten eine zweite Teilschicht aufweisen, die symmetrisch in Bezug auf eine Ebene angeordnet sind, wobei sich die Ebene entlang einer der Vielzahl von Schichten erstreckt.
Eine symmetrische Anordnung der zweiten Teilschichten erleichtert die Ausbildung eines gewünschten Verlaufs des Elastizitätsmoduls in Verbindungsabschnitt.
Gemäß einem vorteilhaften Beispiel umfasst der Verbindungsabschnitt einen Rand des Verbundbauteils, und wobei die Größe und die Position der zweiten Teilschichten derart sind, dass eine Steifheit des Verbundbauteils zum Rand hin abnimmt.
Gemäß einem vorteilhaften Beispiel grenzt jede der zweiten Teilschichten an den Rand an.
Durch das Angrenzen jeder der zweiten Teilschichten an den Rand weist der Rand des Verbundbauteils im Vergleich zu den restlichen Bereichen des Verbundbauteils das geringste Elastizitätsmodul auf. Auf diese Weise werden Spannungskonzentrationen am Rand vermieden und die Stabilität der Verbindung der Verbundbauteile erhöht.
Weiter ist erfindungsgemäß ein System vorgesehen umfassend ein Verbundbauteil nach der vorangegangenen Beschreibung, und ein weiteres Verbundbauteil mit einem Verbindungsabschnitt, wobei die Verbindungsabschnitte des Verbundbauteils und des weiteren Verbundbauteils aneinander angeordnet und miteinander verbunden sind.
Dabei können sich die äußeren Schichten der Verbundbauteile an den Verbindungsabschnitten überlappen. Im Überlappungsbereich kann weiter eine Verbindungsschicht angeordnet sein, die die beiden äußeren Schichten der beiden Verbundbauteile miteinander verbindet.
Die Weiterbildungen und Vorteile des ersten Verbundbauteils entsprechen den Weiterbildungen und Vorteilen des Verbundbauteils der vorangegangenen Beschreibung. Daher wird in dieser Hinsicht auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen.
Gemäß einem vorteilhaften Beispiel weist das System mindestens ein Verbindungselement zum Verbinden des ersten und des zweiten Verbundbauteils auf, das durch die Verbindungsabschnitte des ersten und des zweiten Verbundbauteils durchgeführt wird.
Das Verbindungselement kann zum Beispiel eine Niete, eine Schraube oder ein weiteres Befestigungselement aufweisen. Das Verbindungselement erhöht die Verbindungssicherheit zwischen den beiden Verbundbauteilen.
Fluggerät umfassend ein Schalenelement, wobei das Schalenelement ein Verbundbauteil nach der vorangegangenen Beschreibung oder ein System nach der vorangegangenen Beschreibung aufweist.
Die Weiterbildungen und Vorteile des Verbundbauteils und des Systems entsprechen den Weiterbildungen und Vorteilen des Verbundbauteils und des Systems der vorangegangenen Beschreibung. Daher wird in dieser Hinsicht auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen.
Weiter ist erfindungsgemäß ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils nach der vorangegangenen Beschreibung vorgesehen, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:

a) Anordnen einer nicht ausgehärteten Schicht auf einer Form für ein Verbundbauteil oder auf einer weiteren nicht ausgehärteten Schicht; b) Anordnen einer ersten nicht ausgehärteten Teilschicht auf die nicht ausgehärtete Schicht, wobei die erste nicht ausgehärtete Teilschicht die nicht ausgehärtete Schicht höchstens teilweise bedeckt, und Anordnen einer zweiten nicht ausgehärteten Teilschicht auf die nicht ausgehärtete Schicht, die von der ersten nicht ausgehärteten Teilschicht frei ist, wobei die erste und die zweite nicht ausgehärtete Teilschicht eine weitere nicht ausgehärtete Schicht bilden und die zweite nicht ausgehärtete Teilschicht zumindest teilweise in einem Verbindungsabschnitt des herzustellenden Verbundbauteils angeordnet ist, c) Aushärten der nicht ausgehärteten Schichten, wobei Schritt
b) mindestens ein Mal vor Schritt c) durchgeführt wird, und wobei nach Schritt c) die zweite Teilschicht ein kleineres Elastizitätsmodul als die erste Teilschicht aufweist.

Das heißt, dass die zweite Teilschicht nach dem Aushärten in Schritt c) ein kleineres Elastizitätsmodul aufweist als die erste Teilschicht nach dem Aushärten.
Die Weiterbildungen und Vorteile des Verfahrens entsprechen den Vorteilen und Weiterbildungen des Verbundbauteils gemäß der vorangegangenen Beschreibung. Daher wird in dieser Hinsicht auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer beispielhaften Ausführungsform mittels der beigefügten Zeichnung beschrieben. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Systems von einem ersten und einem zweiten Verbundbauteil;
2 eine schematische Darstellung eines Verbundbauteils mit einem schematischen Diagramm, das den Verlauf des Elastizitätsmoduls zeigt;
3 eine schematische Darstellung eines Systems von einem ersten und einem zweiten Verbundbauteil, die durch Verbindungselemente verbunden sind;
4 ein schematisches Flussdiagramm des Verfahrens;
5 eine schematische Darstellung eines Flugzeugs umfassend das System; und
6a-d eine schematische Darstellung der Schritte des Verfahrens.

In 1 wird System 40 als eine Verbindung von einem Verbundbauteil 10 mit einem Verbundbauteil 10' dargestellt.
Das Verbundbauteil 10 umfasst einen Basisabschnitt 28 und einen Verbindungsabschnitt 26. Der Verbindungsabschnitt 26 kennzeichnet dabei den Abschnitt des Verbundbauteils 10, der mit einem Verbindungsabschnitt eines anderen Verbundbauteils verbunden wird, um die Verbundbauteile miteinander zu verbinden.
In 1 sind der Basisabschnitt 28 und der Verbindungsabschnitt 26 durch eine gestrichelte Linie voneinander abgegrenzt. Der Verbindungsabschnitt 26 und der Basisabschnitt 28 bezeichnen dabei zur näheren Erläuterung lediglich verschiedene Abschnitte eines Verbundbauteils. Das Verbundbauteil 10' umfasst analog einen Basisabschnitt 28' und einen Verbindungsabschnitt 26'.
Das Verbundbauteil 10 weist mehrere Schichten 12, 14, 16, 18, 20 auf. Die Schichten mit den Referenznummern 12 und 20 bilden dabei äußere Schichten.
Das Verbundbauteil 10' weist analog zum Verbundbauteil 10 mehrere Schichten 12', 14', 16', 18', 20' auf, wobei die Schichten 12' und 20' äußere Schichten bilden. Die Beschreibung des Verbundbauteils 10' ist damit auch im Folgenden analog zu der Beschreibung des Verbundbauteils 10.
Das Verbundbauteil 10 und das Verbundbauteil 10' sind über eine Verbindungsschicht 30 miteinander verbunden. Die Verbindungsschicht 30 ist dabei an die Verbindungsabschnitte 26, 26' angeordnet und verbindet diese beiden Abschnitte miteinander. In der 1 ist die Verbindungsschicht 30 mit der äußeren Schicht 12 des Verbundbauteils 10 und der äußeren Schicht 12' des Verbundbauteils 10' verbunden. Die äußeren Schichten 12 und 12' weisen keine zweite Teilschicht 24 auf und umfassen lediglich das Material der ersten Teilschichten 22.
Eine erste Teilschicht 22, 22' umfasst dabei in diesem Ausführungsbeispiel einen Verbundwerkstoff, der Epoxidharz aufweisen kann. Alternativ oder zusätzlich kann die erste Teilschicht 22, 22' auch ein Thermoplast oder einen anderen Kunststoff aufweisen.
Falls die äußeren Schichten 12, 12' ein Thermoplast aufweisen, kann die Verbindungsschicht 30 auch eine Schweißnaht sein, wobei die Thermoplaste der äußeren Schichten 12, 12' durch den Schweißvorgang geschmolzen und miteinander verbunden werden.
Wenn die äußeren Schichten 12, 12' keine Thermoplaste aufweisen kann die Verbindungsschicht 30 eine Adhäsionsmaterial bzw. ein Klebstoff sein. Dabei kann die Verbindungsschicht 30 zum Beispiel ein Epoxidharz umfassen.
Die Schichten 14, 16, 18 bilden innere Schichten des Verbundbauteils 10 und weisen jeweils eine erste Teilschicht 22 und eine zweite Teilschicht 24 auf. Die ersten Teilschichten 22 können sich dabei von dem Basisabschnitt 28 in den Verbindungsabschnitt 26 hinein erstrecken. Die zweiten Teilschichten 24 erstrecken sich in diesem Beispiel lediglich in dem Verbindungsabschnitt 26.
Die zweiten Teilabschnitte 24 können sich in einem anderen Ausführungsbeispiel jedoch auch in den Basisabschnitt 28 hinein erstrecken, wobei sich in den entsprechenden Schichten dann die ersten Teilabschnitte 22 nicht in den Verbindungsabschnitt 26 hinein erstrecken.
Die Größenverhältnisse zwischen der ersten Teilschicht 22 und der zweiten Teilschicht 24 sind im Vergleich zwischen den Schichten 14, 16, 18 verschieden. D.h., dass die erste Teilschicht 22 und die zweite Teilschicht 24 der Schicht 14 ein anderes Größenverhältnis zueinander aufweisen als die erste Teilschicht 22 und die zweite Teilschicht 24 der Schicht 16. In dem in 1 dargestellten Beispiel sind die Größenverhältnisse der ersten und zweiten Teilschichten 22, 24 asymmetrisch zwischen den Schichten 14, 16, 18 im Verbundbauteil 10 verteilt. Im Gegensatz dazu sind im Verbundbauteil 10' die Größenverhältnisse der ersten und zweiten Teilschichten 22', 24' zwischen den Schichten 14', 16', 18' symmetrisch verteilt.
In einer anderen beispielhaften Ausführungsform können die Schichten 14, 16, 18 jedoch auch das gleiche Größenverhältnis zwischen den ersten Teilschichten 22 und den zweiten Teilschichten 24 aufweisen.
Eine zweite Teilschicht 24, 24' umfasst in diesem Ausführungsbeispiel einen Verbundwerkstoff, der Epoxidharz gemischt mit einem Elastomer, wie zum Beispiel Gummi, aufweist. Alternativ oder zusätzlich kann die zweite Teilschicht 24, 24' auch ein Thermoplast oder einen anderen Kunststoff aufweisen.
Beide Teilschichten 22, 24 können dabei auch Fasern aufweisen. Die Fasern können beispielsweise in Form von Kohlenstofffasern, Glasfasern oder Textilfasern vorliegen, die auch zu einer Matte verwoben sein können.
Durch das Elastomer weist die zweite Teilschicht 24 ein geringeres Elastizitätsmodul als die erste Teilschicht 22 auf. Durch eine unterschiedliche Verteilung der zweiten Teilschichten 24 in den verschiedenen Schichten 14, 16, 18 kann die Steifigkeit im Verbindungsabschnitt 26 gegenüber dem Basisabschnitt 28 verringert werden. Auch kann ein Steifigkeitsverlauf im Verbindungsabschnitt 26 durch eine entsprechende Größenverteilung der ersten und zweiten Teilschichten 22, 24 im Verbindungsabschnitt 26 erzielt werden.
2 zeigt einen Steifigkeitsverlauf eines Verbundbauteils 10. Im oberen Teil der 2 ist dabei ein Verbundbauteil 10 in einer Querschnittsdarstellung gezeigt. In diesem Ausführungsbeispiel sind die zweiten Teilschichten 24 gegenüber einer Ebene 36 symmetrisch in dem Verbundbauteil 10 verteilt.
Die Ebene 36 erstreckt sich dabei entlang einer der inneren Schichten 14, 16, 18. Weiter sind alle zweiten Teilschichten 24 am Rand 38 des Verbundbauteils 10 angeordnet und weisen verschiedene Größen auf. D.h., dass in den inneren Schichten 14, 16, 18 die Größenverhältnisse zwischen den ersten Teilschichten 22 und den zweiten Teilschichten 24 zwischen verschiedenen Schichten 14, 16, 18 unterschiedlich sein können.
Im unteren Teil der 2 ist das Elastizitätsmodul gegenüber der Position am Verbundbauteil 10 aufgetragen. Der Verlauf des Elastizitätsmoduls ist dabei mit dem Referenzzeichen 32 bezeichnet.
Der Verlauf 32 ist in 2 zur näheren Erläuterung in mehrere Abschnitte 31, 33, 35 eingeteilt. Der Abschnitt 31 bezeichnet dabei den Verlauf des Elastizitätsmoduls im Basisabschnitt 28 des Verbundbauteils 10. Der Abschnitt 33 zeigt den Verlauf 32 im Verbindungsabschnitt 26 in der Nähe des Basisabschnitts 28. Der Abschnitt 35 zeigt den Verlauf 32 nahe des Rands 38 des Verbindungsabschnitts 26 und des Verbundbauteils 10.
Im Abschnitt 31 sind keine zweiten Teilschichten 24 im Verbundbauteil 10 angeordnet. Daher hat das Elastizitätsmodul im Abschnitt 31 seinem höchsten Wert, d.h. das Verbundbauteil 10 weist in diesem Abschnitt im Vergleich zu den anderen genannten Abschnitten seine höchste Steifigkeit auf. Im Abschnitt 33 sind im Verbundbauteil 10 beispielhaft zwei zweite Teilschichten 24 angeordnet. Das Elastizitätsmodul ist im Abschnitt 33 daher geringer als im Abschnitt 31. Im Abschnitt 35 weist das Verbundbauteil 10 beispielhaft sieben zweite Teilschichten 24 auf. Das Elastizitätsmodul ist im Abschnitt 35 daher geringer als im Abschnitt 33 und geringer als im Abschnitt 31.
Insgesamt reduziert sich in diesem Beispiel die Größe des Elastizitätsmoduls im Verlauf 32 je näher der betrachtete Abschnitt am Rand 38 angeordnet ist. Der Verlauf 32 bildet damit in etwa den Verlauf des Elastizitätsmoduls eines Verbundbauteils mit abgeschrägten Rand ab.
Mittels einer geschickten Verteilung der Größenverhältnisse der ersten Teilschicht 22 und der zweiten Teilschicht 24 in den verschiedenen Schichten 14, 16, 18, kann damit ein günstiger Verlauf 32 für das Verbundbauteil 10 bewirkt werden.
Weiter können zwischen den Schichten 14, 16, 18, die zweite Teilschichten 24 aufweisen, auch Schichten 21 vorgesehen werden, die keine zweiten Teilschichten 24 umfassen. Auf diese Weise kann das Elastizitätsmodul am Rand 38 des Verbundbauteils 10 eine Mindestgröße aufweisen, die größer als das Elastizitätsmodul einer zweiten Teilschicht 24 ist.
In 3 ist ein System 40 mit den Verbundbauteilen 10 und 10' in einer Querschnittsdarstellung gezeigt, wobei die Verbundbauteile 10, 10' über eine Verbindungsschicht 30 und über Verbindungselemente 34 miteinander verbunden sind. Die Verbindungselemente 34 durchstoßen dabei das Verbundbauteil 10 und das Verbundbauteil 10' im Verbindungsbereich 26 bzw. 26'.
Weiter ist zu sehen, dass die Verbundbauteile 10 und 10' eine gleichbleibende Dicke 37 bzw. 37' aufweisen. Die Dicke 37, 37' ist dabei quer zum Verlauf der Schichten des Verbundbauteils 10, 10' definiert. Durch die gleichbleibend große Dicke 37, 37' weisen die Verbindungselemente 34 genügend Halt innerhalb des Verbundbauteils 10, 10' auf. Materialbrüche an den Bohrungen für die Verbindungselemente 34 werden durch die gleichbleibende Dicke 37, 37' und den günstigen Verlauf 32 des Elastizitätsmoduls in den Verbundbauteil 10, 10' vermieden.
Die Verbindungselemente 34 können dabei Nieten, Schrauben oder andere Befestigungselemente sein. Durch die Verbindungselemente 34 wird die Verbindung zwischen den Verbundbauteilen 10, 10' verstärkt.
4 zeigt eine schematische Darstellung eines Fluggeräts 50 beispielhaft in Form eines Flugzeugs. Das Fluggerät 50 kann jedoch z. B. auch Helikopter oder ein Raumfahrzeug sein. Das Fluggerät 50 umfasst ein Schalenelement 52, das ein System 40 umfasst. Das Schalenelement 52 umfasst damit Verbundbauteile 10, 10', die miteinander verbunden sind. Die Verbindung ist durch Verbindungselemente 34 verstärkt.
Weiter wird mit der Nennung des Fluggerätes 50 nicht ausgeschlossen, dass das System 40 in anderen Transportmitteln oder anderweitig eingesetzt wird.
5 zeigt ein schematisches Flussdiagramm des Verfahrens 100 zur Herstellung eines Verbundbauteils 10. Die einzelnen Schritte werden dabei in Verbindung mit den 6a bis 6d näher erläutert.
Im Schritt a) wird eine nicht ausgehärtete Schicht 12 zur Herstellung eines Verbundbauteils auf eine Form 48 für ein Verbundbauteil oder auf einer weiteren nicht ausgehärteten Schicht angeordnet 101, wie in 6a gezeigt. Die nicht aus gehärtete Schicht kann beispielsweise ein sogenanntes Prepreg oder eine imprägnierte Kohlenstofffasermatte sein.
Im Schritt b) wird eine erste nicht ausgehärtete Teilschicht auf die nicht ausgehärtete Schicht aus Schritt a) angeordnet 102a. Die erste nicht ausgehärtete Teilschicht bedeckt die nicht ausgehärtete Schicht aus Schritt a) höchstens teilweise. Weiter wird eine zweite nicht ausgehärtete Teilschicht auf den freien Teil der nicht ausgehärteten Schicht aus Schritt a) angeordnet 102b. Diese zweite nicht ausgehärtete Teilschicht ist dabei in dem zukünftigen Verbindungsabschnitt des herzustellenden Verbundbauteils angeordnet.
Das Anordnen 102a der ersten Teilschicht und das Anordnen 102b der zweiten Teilschicht kann auch in umgekehrter Reihenfolge erfolgen. Dies ist in 6b dargestellt. Im linken Teil der 6b ist zuerst das Anordnen 102a der ersten Teilschicht 22 auf eine Schicht 12 dargestellt. Im rechten Teil der 6b ist zuerst das Anordnen 102b der zweiten Teilschicht 24 auf der Schicht 12 dargestellt.
Nach dem Anordnen 102a der ersten Teilschicht 22 und dem Anordnen 102b der zweiten Teilschicht 24 wird eine Schicht 14 durch die erste Teilschicht 22 und die zweite Teilschicht 24 gebildet, wie in 6c dargestellt.
Nach dem Bilden der Schicht 14 kann entschieden 103 werden, ob die nächste Schicht ebenfalls eine erste Teilschicht 22 und eine zweite Teilschicht 24 aufweisen soll oder nicht.
Alternativ oder zusätzlich kann nach Schritt b) weiter entschieden 103 werden, ob nach Schritt b) die Schichten gemäß Schritt c) ausgehärtet 106 werden sollen, um das Verbundbauteil fertigzustellen.
Wenn die nächste Schicht eine erste Teilschicht 22 und eine zweite Teilschicht 24 aufweisen soll, wird der Schritt b) wiederholt.
Wenn nicht, wird, wie in 6d gezeigt, eine weitere nicht ausgehärtete Schicht auf die Schicht 14 angeordnet 104, wobei diese weitere nicht ausgehärtete Schicht 21 die Schicht 14 vollständig bedecken kann und keine zweite Teilschicht 24 aufweist.
Danach kann entschieden 105 werden, ob Schritt b) wiederholt wird. Wenn Schritt b) nicht wiederholt werden soll, werden die Schichten gemäß Schritt c) ausgehärtet 106.
Nach dem Aushärten 106 gemäß Schritt c), weisen die zweiten Teilschichten 24 ein kleineres Elastizitätsmodul als die ersten Teilschichten 22 auf.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 5281454 A [0002]

Claims

Verbundbauteil (10) umfassend mindestens zwei Schichten (12, 14, 16, 18, 20), mindestens einen Basisabschnitt (28), und mindestens einen Verbindungsabschnitt (26) zum Verbinden mit einem weiteren Verbundbauteil (10'), wobei sich die mindestens zwei Schichten (12, 14, 16, 18, 20) von dem Basisabschnitt (28) in den Verbindungsabschnitt (26) erstrecken, wobei mindestens eine der mindestens zwei Schichten (12, 14, 16, 18, 20) eine erste Teilschicht (22) und eine zweite Teilschicht (24) aufweist, wobei die zweite Teilschicht (24) mindestens teilweise im Verbindungsabschnitt (26) angeordnet ist, und wobei die zweite Teilschicht (24) ein kleineres Elastizitätsmodul als die erste Teilschicht (22) aufweist.
Verbundbauteil nach Anspruch 1, wobei sich die erste Teilschicht (22) von dem Basisabschnitt (28) in den Verbindungsabschnitt (26) erstreckt.
Verbundbauteil nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Teilschicht (22) einen Verbundwerkstoff, vorzugweise ein Material umfassend Epoxidharz, aufweist.
Verbundbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die zweite Teilschicht (24) ein Elastomer, vorzugsweise Gummi, aufweist.
Verbundbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Verbundbauteil (10) mindestens drei Schichten (12, 14, 16, 18, 20) aufweist und wobei eine erste Schicht (12) und eine letzte Schicht (20) keine zweite Teilschicht (24) im Verbindungsabschnitt (26) aufweisen.
Verbundbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Verbundbauteil (10) eine Vielzahl von Schichten (12, 14, 16, 18, 20) aufweist, wobei im Verbindungsabschnitt (26) mindestens zwei Schichten (14, 16, 18) eine zweite Teilschicht (24) aufweisen, die eine unterschiedliche Fläche aufweisen.
Verbundbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Verbundbauteil (10) eine Vielzahl von Schichten (12, 14, 16, 18, 20) aufweist, wobei im Verbindungsabschnitt (26) mindestens zwei Schichten (, 16, 18) eine zweite Teilschicht (20) aufweisen, die symmetrisch in Bezug auf eine Ebene (36) angeordnet sind, wobei sich die Ebene (36) entlang einer der Vielzahl von Schichten (12, 14, 16, 18, 20) erstreckt.
Verbundbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Verbindungsabschnitt (26) einen Rand (38) des Verbundbauteils (10) umfasst, und wobei die Größe und die Position der zweiten Teilschichten (24) derart sind, dass eine Steifheit des Verbundbauteils (10) zum Rand (38) hin abnimmt.
Verbundbauteil nach Anspruch 8, wobei jede der zweiten Teilschichten (24) an den Rand (38) angrenzt.
System (40) umfassend ein Verbundbauteil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, und ein weiteres Verbundbauteil (10') mit einem Verbindungsabschnitt, wobei die Verbindungsabschnitte des Verbundbauteils (10) und des weiteren Verbundbauteils (10') aneinander angeordnet und miteinander verbunden sind.
System nach Anspruch 10, wobei das System (40) mindestens ein Verbindungselement (34) zum Verbinden des Verbundbauteils (10) und des weiteren Verbundbauteils (10') aufweist, das durch die Verbindungsabschnitte (26) des Verbundbauteils (10) und des weiteren Verbundbauteils (10') durchgeführt wird.
Fluggerät (50) umfassend ein Schalenelement (52), wobei das Schalenelement (52) ein Verbundbauteil (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 oder ein System (40) nach Anspruch 10 oder 11 aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren (100) folgende Schritte umfasst: a) Anordnen (101) einer nicht ausgehärteten Schicht auf einer Form für ein Verbundbauteil oder auf einer weiteren nicht ausgehärteten Schicht; b) Anordnen (102a) einer ersten nicht ausgehärteten Teilschicht auf die nicht ausgehärtete Schicht, wobei die erste nicht ausgehärtete Teilschicht die nicht ausgehärtete Schicht höchstens teilweise bedeckt, und Anordnen einer zweiten nicht ausgehärteten Teilschicht auf die nicht ausgehärtete Schicht, die von der ersten nicht ausgehärteten Teilschicht frei ist, wobei die erste und die zweite nicht ausgehärtete Teilschicht eine weitere nicht ausgehärtete Schicht bilden und die zweite nicht ausgehärtete Teilschicht zumindest teilweise in einem Verbindungsabschnitt des herzustellenden Verbundbauteils angeordnet ist, c) Aushärten (106) der nicht ausgehärteten Schichten, wobei Schritt b) mindestens ein Mal vor Schritt c) durchgeführt wird, und wobei nach Schritt c) die zweite Teilschicht ein kleineres Elastizitätsmodul als die erste Teilschicht aufweist.