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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft die Reparatur von Faserverbundbauteilen. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verbundbauteilsystem, die Verwendung eines Verbundbauteilsystems sowie ein Verfahren zum Reparieren eines Verbundbauteilsystems.
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Hintergrund der Erfindung
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Faserverbundbauteile werden heutzutage aufgrund ihrer vorteilhaften Eigenschaften, wie geringes Gewicht und hohe Festigkeit, in einer Vielzahl von technischen Gebieten verwendet. Beispielsweise kommen Faserverbundbauteile in der Fahrzeugtechnik sowie in der Luftfahrttechnik in immer größerem Umfang zum Einsatz. Aufgrund der oft großen mechanischen Beanspruchungen solcher Faserverbundbauteile kann es gelegentlich vorkommen, dass Beschädigungen bzw. Schadstellen, wie Risse oder Löcher, im Faserverbundbauteil auftreten. Dabei ist es wichtig, diese Schadstellen so zu reparieren bzw. auszubessern, dass das Faserverbundbauteil im Anschluss wieder eine den Anforderungen entsprechende mechanische Festigkeit und Ermüdungsbeständigkeit aufweist. Entsprechende Reparaturverfahren für Verbundbauteile sind oft zeitaufwändig und kostspielig.
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Die
DE 10 2017 101 074 A1 beschreibt beispielsweise ein Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundbauteils, wobei eine Faserlage durch Ablegen von zumindest zwei Faserbahnen in einer Ebene angrenzend aneinander und entlang eines Führungskreisbogens erzeugt wird.
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EP 3 173 219 A1 beschreibt eine Ablegeeinheit zum Herstellen eines Faserverbundbauteils sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundbauteils, mit einer Ablegeeinheit, bei der die Faserspulen lateral voneinander beabstandet sind.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Reparaturaufwand bei Verbundbauteilen zu reduzieren.
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Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Beispielhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist ein Verbundbauteilsystem vorgesehen. Das Verbundbauteilsystem umfasst ein Basisbauteil mit mindestens einer ersten Bauteilfaserlage und einer zweiten Bauteilfaserlage sowie einen Reparatureinsatz mit mindestens einer ersten Reparaturfaserlage und einer zweiten Reparaturfaserlage. Das Basisbauteil und der Reparatureinsatz können demnach Faserverbundkomponenten sein. Das Basisbauteil ist mittels einer Klebeverbindung mit dem Reparatureinsatz verbunden. Die erste Bauteilfaserlage weist eine Schnittstellenfläche auf, welche einer Schnittstellenfläche der ersten Reparaturfaserlage gegenüberliegt, so dass die Schnittstellenfläche der ersten Bauteilfaserlage mit der Schnittstellenfläche der ersten Reparaturfaserlage mittels der Klebeverbindung verbunden ist. Ebenso weist die zweite Bauteilfaserlage eine Schnittstellenfläche auf, welche einer Schnittstellenfläche der zweiten Reparaturfaserlage gegenüberliegt, so dass die Schnittstellenfläche der zweiten Bauteilfaserlage mit der Schnittstellenfläche der zweiten Reparaturfaserlage mittels der Klebeverbindung verbunden ist. Ferner weist die erste Bauteilfaserlage eine Faserorientierung auf, welche einer Faserorientierung der ersten Reparaturfaserlage im Wesentlichen entspricht und die Schnittstellenfläche der ersten Reparaturfaserlage überlappt zumindest vollständig die Schnittstellenfläche der ersten Bauteilfaserlage.
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Mit anderen Worten wird eine Überlappung der Schnittstellenfläche der ersten Bauteilfaserlage durch die Schnittstellenfläche der ersten Reparaturfaserlage von 100% oder mehr bereitgestellt, da eine solche zumindest vollständige Überlappung zu einer höheren Bauteilfestigkeit bzw. Ermüdungsfestigkeit führt, als wenn die Überlappung beispielsweise kleiner als 100% wäre. Dadurch kann eine in ihren mechanischen Eigenschaften verbesserte Reparaturstelle bereitgestellt werden, wobei die genannte Überlappung lediglich für die sog. 0°-Faserrichtung, das heißt eine Hauptbelastungsrichtung des Verbundbauteilsystems, welche der Faserorientierung der ersten Bauteilfaserlage und der ersten Reparaturfaserlage entsprechen mag, sichergestellt wird. Die Überlappung angrenzender Faserlagen, wie beispielsweise der Grad der Überlappung der Schnittstellenfläche der zweiten Reparaturfaserlage in Bezug auf die Schnittstellenfläche der zweiten Bauteilfaserlage, kann hingegen beliebig ausgestaltet sein.
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Diese Art der Überlappung ist insbesondere bei Reparaturen von Faserverbundbauteilen von Vorteil, wo einzelne Faserlagen, beispielsweise in einer Schadstelle, neu aufgetragen werden müssen, um die Schadstelle aufzufüllen und auszubessern. Um eine hohe und zuverlässige statische Festigkeit und Ermüdungsfestigkeit von Reparaturen mit Verbundverbindungen zu erreichen, spielt die Überlappung der einzelnen Lagen zwischen Reparatureinsatz und Basislaminat eine wichtige Rolle. Wenn die Überlappung einer Faserlage für einen Reparatureinsatz mit gerader Auflage weniger als 100% beträgt, kann dies dazu führen, dass die statische Festigkeit und die Ermüdungsfestigkeit verringert sind. Um eine hohe und gleichmäßige Überlappung der Lagen zu erreichen, würde der Herstellungsaufwand für die Reparatur dramatisch ansteigen. Jede einzelne Reparaturlage müsste gemäß der tatsächlichen Basisbauteilgeometrie gemessen, konstruiert und geschnitten werden. Während des Auflegens und Aushärtens des Reparatureinsatzes können sich die Reparatureinsatzschichten (Reparaturfaserlagen) außerdem bewegen, was zu einer Überlappung von weniger als 100% führt. Dies wird durch das hierin beschriebene Verbundbauteilsystem vermieden, da eine Überlappung von stets mindestens 100% vorgesehen ist.
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Die „Überlappung“ kann dabei das das Maß bzw. der Anteil sein, mit dem die Schnittstellenfläche der ersten Reparaturfaserlage die Schnittstellenfläche der ersten Bauteilfaserlage überdeckt bzw. abdeckt. Ferner kann die Überlappung im Querschnitt betrachtet als das Maß angesehen werden, mit dem eine Länge der Schnittstellenfläche der ersten Reparaturfaserlage eine Länge der Schnittstellenfläche der ersten Bauteilfaserlage überstreicht oder überdeckt, wobei diese Längen jeweils entlang der entsprechenden Schnittstellenflächen oder entlang der Klebeverbindung gemessen werden.
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Es sei verstanden, dass während eines Reparaturvorgangs eine Vielzahl von Reparaturfaserlagen bzw. Reparaturfaserschichten in der Schadstelle aufgetragen werden können und mittels der Klebeverbindung mit den jeweils gegenüberliegenden, korrespondierenden Bauteilfaserlagen bzw. Bauteilfaserschichten verklebt werden können. Diese während des Reparaturvorgangs aufgetragenen Faserlagen bilden nach dem Reparaturvorgang den Reparatureinsatz, der an oder in der Schadstelle am Basisbauteil eingeklebt ist. Dabei sollte zumindest für eine Reparaturfaserlage, also die erste Reparaturfaserlage, vorgesehen sein, dass diese erste Reparaturfaserlage eine Schnittstellenfläche aufweist, welche die Schnittstellenfläche der gegenüberliegenden, korrespondierenden, ersten Bauteilfaserlage zumindest vollständig überlappt, das heißt zu mindestens 100% oder sogar mehr als 100% überlappt. Die Überlappung von weiteren Reparaturfaserlagen mit weiteren jeweils gegenüberliegenden, korrespondierenden Bauteilfaserlagen kann dabei beliebig ausgestaltet sein. Dadurch kann ein verbesserter Herstellungsprozess für den Reparatureinsatz zum Einsetzten in das Basisbauteil bereitgestellt werden, indem beispielsweise die genannte Mindestüberlappung lediglich für die Reparaturfaserlage und die Bauteilfaserlage mit 0°-Faserorientierung eingehalten wird.
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Die 0°-Faserorientierung kann dabei einer Hauptbelastungsrichtung des Verbundbauteilsystems entsprechen.
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Mit anderen Worten wird ein Reparaturvorgang des Basisbauteils dahingehend verbessert, dass bei der Herstellung des Reparatureinsatzes, bei dem die Reparaturfaserlagen Lage für Lage aufgetragen werden, die oben genannte Mindestüberlappung von 100% lediglich für die 0°-Faserlagen des Reparaturbauteils und des Basisbauteils sichergestellt wird. Das bedeutet, dass lediglich für diese 0°-Faserlagen die Reparaturfaserlage im Bereich ihrer Schnittstelle dicker als die gegenüberliegende Bauteilfaserlage ausgestaltet sein kann, so dass die Reparaturfaserlage im Bereich ihrer Schnittstelle zur gegenüberliegenden Bauteilfaserlage die Bauteilfaserlage überlappt und sich damit die Schnittstellenfläche der Reparaturfaserlage über die Schnittstellenfläche der gegenüberliegenden Bauteilfaserlage hinaus erstreckt. Dabei können die angrenzenden (d.h. die im Schichtaufbau darüber oder darunter liegenden) Reparaturfaserlagen, beispielsweise diejenigen mit 45°-Faserorientierung und/oder 135°-Faserorientierung, im Bereich der Schnittstellen dünner als die jeweils gegenüberliegende Bauteilfaserlage ausgestaltet sein. Das heißt nur die Dicke der 0°-Faserlage (erste Faserlage), deren Fasern vorzugsweise in die Hauptbelastungsrichtung des Verbundbauteilsystems ausgerichtet sind, wird derart vergrößert, dass sie ihre gegenüberliegende Bauteilfaserlage (erste Bauteilfaserlage) zumindest zu 100% oder zu mehr als 100% überlappt. Dadurch kann die statische Festigkeit und Ermüdungsfestigkeit von geklebten Reparaturverbindungen unter Verwendung von fasergeschichteten Reparatureinsätzen in Verbundbauteilen deutlich erhöht werden. Zudem können mit einer solchen Anordnung komplexe dreidimensionale Reparaturgeometrien, beispielsweise gebogene oder mehrfach gebogene Geometrien oder verschachtelte Geometrien, mit der gewünschten statischen Festigkeit und Ermüdungsfestigkeit einfacher hergestellt werden. Ferner wird das Reparaturverfahren an sich zuverlässiger gestaltet und die Reparaturzeit verkürzt, da aufwändige Messungen am Lagenaufbau des Reparatureinsatzes vermieden werden können.
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Somit wird zumindest eine Reparaturfaserlage, beispielsweise die erste Reparaturfaserlage, derart in der Schadstelle aufgetragen, dass diese Faserlage durch ihre geometrische Ausdehnung die korrespondierende Faserlage im zu reparierenden Basisbauteil, das heißt die erste Bauteilfaserlage, zumindest vollständig überlappt. Charakteristisch für die erste Bauteilfaserlage ist, dass die Faserorientierung der darin befindlichen Fasern der Faserorientierung der in der ersten Reparaturfaserlage befindlichen Fasern im Wesentlichen entspricht. Insbesondere ist die Faserorientierung der Fasern in der ersten Bauteilfaserlage gleich der Faserorientierung der Fasern in der ersten Reparaturfaserlage.
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Das Basisbauteil kann eine beliebige Komponente, beispielsweise eine Strukturkomponente oder dergleichen sein. Wenn eine Schadstelle, beispielsweise durch eine zu starke Beanspruchung des Basisbauteils aufgetreten ist, kann der Reparatureinsatz in einem Reparaturvorgang in oder an dem Basisbauteil ausgebildet werden, um die Schadstelle auszubessern bzw. zu schließen. Dies erfolgt vorzugsweise, indem der Reparatureinsatz Lage für Lage in Form eines vorimprägnierten Halbzeugs (Prepreg) an der Schadstelle aufgetragen wird. Die Schadstelle kann beispielsweise durch zu hohe Beanspruchungen am Basisbauteil hervorgerufen worden sein. Eine Schadstelle kann zum Beispiel eine Delamination, einen Faserbruch oder etwaige Risse im Matrixmaterial umfassen.
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Da es sich bei dem Basisbauteil um einen Schichtverbund mit gestapelten Faserlagen handeln kann, werden die einzelnen Faserlagen des Reparatureinsatzes derart aufgetragen, dass zumindest die erste Reparaturfaserlage des Reparatureinsatzes in etwa auf Höhe der gegenüberliegenden ersten Bauteilfaserlage liegt, so dass die Schnittstellenfläche der ersten Reparaturfaserlage der Schnittstellenfläche der ersten Bauteilfaserlage gegenüberliegt, so dass diese beiden Faserlagen bei Ausbildung der Klebeverbindung miteinander verklebt werden können, und zwar so, dass die Schnittstellenfläche der ersten Reparaturfaserlage die Schnittstellenfläche der ersten Bauteilfaserlage mindestens zu 100% überlappt, das heißt abdeckt oder überdeckt. Im Umkehrschluss liegt der Schnittstellenfläche der ersten Bauteilfaserlage insbesondere keine Schnittstellenfläche einer anderen Reparaturfaserlage als die Schnittstellenfläche der ersten Reparaturfaserlage gegenüber.
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Eine „Schnittstellenfläche einer Bauteilfaserlage“ kann als eine Fläche verstanden werden, die entsteht, wenn eine Faserlage des Basisbauteils aufgeschnitten wird, so dass eine aufgeschnittene Faserlage des Basisbauteils gebildet wird, die beispielsweise eine Bruchfläche einer Faserschicht eines Faserverbundes bildet. Dies kann beispielsweise im Bereich einer Schadstelle in einem Schichtverbundbauteil bzw. einem Faserlaminat der Fall sein.
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Eine „Schnittstellenfläche einer Reparaturfaserlage“ kann als eine Fläche verstanden werden, die beispielsweise das Ende einer Faserlage eines Schichtverbundes darstellt, wenn ein solcher Schichtverbund hergestellt wird. Dies kann ein Bereich sein, an dem die Fasern einer Faserlage enden. Dies wird in der Figurenbeschreibung noch genauer erläutert werden.
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Gemäß einer Ausführungsform erstreckt sich die Schnittstellenfläche der ersten Reparaturfaserlage über die Schnittstellenfläche der ersten Bauteilfaserlage hinaus.
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Das bedeutet, dass die Schnittstellenfläche der ersten Reparaturfaserlage die Schnittstellenfläche der ersten Bauteilfaserlage zu mehr als 100% überlappt. Eine beispielhafte Überlappung könnte mindestens 120%, mindestens 150% oder aber auch mindestens 180% betragen. Die Überlappung kann dabei proportional zum Größenverhältnis der Schnittstellenfläche der ersten Reparaturfaserlage zur Schnittstellenfläche der gegenüberliegenden ersten Bauteilfaserlage sein.
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Die Schnittstellenfläche der ersten Reparaturfaserlage kann sich über die Schnittstellenfläche der ersten Bauteilfaserlage hinaus erstrecken, beispielsweise entlang einer Ausdehnungsrichtung der Klebeverbindung. Die Klebeverbindung ist dabei zwischen den Schnittstellenflächen von jeweils sich gegenüberliegenden Faserlagen ausgebildet und erstreckt sich damit entlang oder in der Ebene der Schnittstellenflächen.
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Mit anderen Worten kann die Schnittstellenfläche der ersten Reparaturfaserlage größer sein als die Schnittstellenfläche der ersten Bauteilfaserlage, so dass Teile der Schnittstellenfläche der ersten Reparaturfaserlage bereits Schnittstellenflächen von weiteren Bauteilfaserlagen gegenüberliegt, die benachbart oder angrenzend zur ersten Bauteilfaserlage im Schichtverbund angeordnet sind.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform überlappt die Schnittstellenfläche der zweiten Bauteilfaserlage die Schnittstellenfläche der zweiten Reparaturfaserlage zumindest vollständig, insbesondere zu 100% oder zu mehr als 100%.
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Dies kann das Ergebnis davon sein, dass die Schnittstellenfläche der ersten Reparaturfaserlage zu 100% oder zu mehr als 100% die Schnittstellenfläche der ersten Bauteilfaserlage überlappt, wodurch die Schnittstellenfläche der zur ersten Reparaturfaserlage benachbarten, zweiten Reparaturfaserlage verkleinert wird.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform erstreckt sich die Schnittstellenfläche der zweiten Bauteilfaserlage über die Schnittstellenfläche der zweiten Reparaturfaserlage hinaus.
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Dies kann das Ergebnis davon sein, dass sich die Schnittstellenfläche der ersten Reparaturfaserlage über die Schnittstellenfläche der ersten Bauteilfaserlage hinaus erstreckt, da die Schnittstellenfläche der zur ersten Reparaturfaserlage benachbarten, zweiten Reparaturfaserlage verkleinert wird. Diese Zusammenhänge werden in der Figurenbeschreibung noch genauer ersichtlich.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die erste Bauteilfaserlage Fasern auf, die sich in eine Hauptbelastungsrichtung des Verbundbauteilsystems erstrecken und die erste Reparaturfaserlage weist Fasern auf, die sich ebenfalls in die Hauptbelastungsrichtung des Verbundbauteilsystems erstrecken.
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Die Hauptbelastungsrichtung kann eine Richtung sein, entlang der die größte Kraft wirkt, die während eines Betriebszustandes auf das Basisbauteil bzw. das Verbundbauteilsystem ausgeübt wird. Eine solche Kraft bzw. Last kann eine Druckkraft oder eine Zugkraft sein, deren Maximum in Richtung der Hauptbelastungsrichtung zeigt. In Richtungen, die von der Hauptbelastungsrichtung abweichen, kann eine auf das Basisbauteil bzw. das Verbundbauteilsystem wirkende Kraft kleiner sein als diejenige Kraft, die entlang der Hauptbelastungsrichtung wirkt.
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Die Hauptbelastungsrichtung kann dabei durch eine sog. 0°-Richtung definiert sein. Die Erstreckungsrichtung der Fasern in einer Faserlage kann die Faserorientierung der jeweiligen Faserlage darstellen. Das bedeutet, dass nahezu sämtliche Fasern in der ersten Bauteilfaserlage und nahezu sämtliche Fasern in der ersten Reparaturfaserlage in die Hauptbelastungsrichtung, das heißt in die 0°-Richtung orientiert sind. Es sei jedoch verstanden, dass neben einer 0°-Ausrichtung der Fasern auch andere von 0° verschiedene Richtungen als Hauptbelastungsrichtung in Betracht kommen, solange die Fasererstreckungsrichtung in der ersten Reparaturfaserlage der Fasererstreckungsrichtung in der ersten Bauteilfaserlage entspricht.
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Die Reparaturfaserlagen können derart in die Schadstelle eingebracht werden, dass jeweils sich gegenüberliegende Faserlagen des Reparatureinsatzes und des Basisbauteils die gleiche Faserorientierung aufweisen. Diese gleiche Faserorientierung sich gegenüberliegender Faserlagen nach dem Auftragen der Schichten des Reparatureinsatzes in die Schadstelle des Basisbauteils hat eine erhöhte Festigkeit zur Folge. Dabei kann die Festigkeit nach der Reparatur insbesondere dadurch optimiert werden, dass die Schnittstelle der ersten Reparaturfaserlage, welche die Schnittstelle der ersten Bauteilfaserlage mit mindestens 100%, vorzugsweise jedoch sogar zu mehr als 100% überlappt, jeweils gleiche Faserorientierungen aufweisen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die zweite Bauteilfaserlage Fasern auf, die sich in eine von der Hauptbelastungsrichtung abweichende Richtung erstrecken und die zweite Reparaturfaserlage weist Fasern auf, die sich in die von der Hauptbelastungsrichtung abweichende Richtung erstrecken.
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Diese abweichende Richtung kann dabei durch eine sog. 45°-Richtung, 90°-Richtung oder 135°-Richtung definiert sein. Die Erstreckungsrichtung der Fasern kann die Faserorientierung in der jeweiligen Faserlage darstellen. Das bedeutet, dass nahezu sämtliche Fasern in der zweiten Bauteilfaserlage und nahezu sämtliche Fasern in der zweiten Reparaturfaserlage in die 45°-Richtung, 90°-Richtung oder 135°-Richtung orientiert sind. Auch hier sei verstanden, dass neben einer 45°-Richtung, 90°-Richtung oder 135°-Richtung der Fasern andere, von diesen Werten verschiedene Richtungen als Fasererstreckungsrichtungen für die zweite Reparaturfaserlage und die zweite Bauteilfaserlage in Betracht kommen, solange die Fasererstreckungsrichtung in der zweiten Reparaturfaserlage der Fasererstreckungsrichtung in der zweiten Bauteilfaserlage entspricht.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Basisbauteil einen Laminataufbau auf, welcher zumindest die erste Bauteilfaserlage und die zweite Bauteilfaserlage umfasst. Zusätzlich oder alternativ weist der Reparatureinsatz einen Laminataufbau auf, welcher zumindest die erste Reparaturfaserlage und die zweite Reparaturfaserlage umfasst.
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Somit wird eine Schadstelle im Basisbauteil, welches selbst einen Schichtverbund aufweist, durch einen Reparatureinsatz aufgefüllt, der ebenso einen Schichtverbund bildet, um strukturelle Unterschiede zwischen dem Basisbauteil und der reparierten Stelle, das heißt dem Reparatureinsatz, so gering wie möglich zu halten.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Laminataufbau zumindest eine weitere Bauteilfaserlage und eine weitere Reparaturfaserlage auf.
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Die weitere Bauteilfaserlage kann als dritte Bauteilfaserlage bezeichnet werden und die weitere Reparaturfaserlage kann als dritte Reparaturfaserlage bezeichnet werden. Beispielsweise kann der Laminataufbau so ausgelegt sein, dass die erste Bauteilfaserlage zwischen der zweiten und der dritten Bauteilfaserlage liegt, und dass die erste Reparaturfaserlage zwischen der zweiten und der dritten Reparaturfaserlage liegt. Es sei verstanden, dass beliebig viele weitere Bauteilfaserlagen im Laminataufbau des Basisbauteils und beliebig viele weitere Reparaturfaserlagen im Laminataufbau des Reparatureinsatzes angeordnet sein können.
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In einem Beispiel ist die Faserorientierung der ersten Bauteilfaserlage und der ersten Reparaturfaserlage gleich einer 0°-Richtung bzw. gleich einer Hauptlastrichtung des Verbundbauteilsystems, wobei die Faserorientierung der zweiten Bauteilfaserlage und der gegenüberliegenden zweiten Reparaturfaserlage gleich einer 45°-Richtung ist, und wobei die Faserorientierung der dritten Bauteilfaserlage und der gegenüberliegenden dritten Reparaturfaserlage gleich einer 135°-Richtung ist. Die einzelnen Bauteilfaserlagen bzw. Reparaturfaserlagen können eine Dicke von ca. 1/8 mm aufweisen. Andere Dicken sind jedoch möglich.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Reparatureinsatz in eine Aussparung im Basisbauteil einsetzbar, so dass eine Außenfläche des Reparatureinsatzes und eine Außenfläche des Basisbauteils bündig miteinander abschließen.
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Wie zuvor erwähnt, kann der Reparatureinsatz Lage für Lage in die Aussparung eingesetzt werden. Die oberste Lage des Reparatureinsatzes kann dabei bündig mit der obersten Lage des Basisbauteils abschließen, so dass eine ebene Oberfläche des reparierten Basisbauteils bereitgestellt werden kann. Es kann vorgesehen sein, dass ferner eine Dopplerlage auf diese bündig abschließende, ebene Oberfläche aufgebracht wird.
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Während eines Reparaturvorgangs kann eine Schadstelle aus dem Basisbauteil entfernt werden, indem die Aussparung, welche die Schadstelle umfasst, geschaffen wird, beispielsweise durch Heraustrennen bzw. Herausfräsen oder Schäften eines größeren Bereichs des Basisbauteils um die Schadstelle herum. Diese Aussparung kann eine Kegelstumpfform aufweisen. Die Aussparung kann in Form eines Sacklochs in dem Basisbauteil vorgesehen sein. Dies bedeutet, dass die Aussparung zum Beispiel nicht vollständig durch das Basisbauteil hindurchgehen muss. Der Reparatureinsatz, welcher aus mehreren Reparaturfaserlagen aufgebaut ist und während der Reparatur Lage für Lage aufgetragen wird, kann ebenfalls eine geschäftete Form oder Kegelstumpfform aufweisen, welche sich in die Aussparung des Basisbauteils einfügt. Es ist jedoch möglich, dass zwei Basisbauteile mittels des Reparatureinsatzes verbunden werden, so dass die Reparaturstelle keine Aussparung im Basisbauteil darstellt, sondern vielmehr eine Verbindungsstelle, wie dies bei einem Stumpfstoß der Fall ist. Der Reparatureinsatz wird dann zwischen den beiden zu verbindenden Basisbauteilen angeordnet bzw. eingefügt, wobei die oben und nachfolgen beschriebenen Merkmale des Verbundbauteilsystems analog gelten.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist eine Verwendung eines Verbundbauteilsystems, wie es zuvor und nachfolgend beschrieben ist, in einem Fahrzeug vorgesehen. Das Fahrzeug kann beispielsweise ein Bodenfahrzeug oder Luftfahrzeug sein.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Reparieren eines Verbundbauteilsystems angegeben. In einem Schritt des Verfahrens erfolgt ein Bereitstellen eines Basisbauteils mit mindestens einer ersten Bauteilfaserlage und einer zweiten Bauteilfaserlage, wobei die erste Bauteilfaserlage eine Schnittstellenfläche aufweist und die zweite Bauteilfaserlage eine Schnittstellenfläche aufweist. In einem weiteren Schritt erfolgt ein Bereitstellen einer ersten Reparaturfaserlage und einer zweiten Reparaturfaserlage, wobei die erste Reparaturfaserlage eine Schnittstellenfläche aufweist und die zweite Reparaturfaserlage eine Schnittstellenfläche aufweist. In einem weiteren Schritt erfolgt ein Anordnen des Basisbauteils, der ersten Reparaturfaserlage und der zweiten Reparaturfaserlage derart, dass die Schnittstellenfläche der ersten Bauteilfaserlage der Schnittstellenfläche der ersten Reparaturfaserlage gegenüberliegt und, dass die Schnittstellenfläche der zweiten Bauteilfaserlage der Schnittstellenfläche der zweiten Reparaturfaserlage gegenüberliegt. Dabei weist die erste Bauteilfaserlage eine Faserorientierung auf, welche einer Faserorientierung der ersten Reparaturfaserlage im Wesentlichen entspricht. In einem weiteren Schritt erfolgt ein Verkleben des Basisbauteils, der ersten Reparaturfaserlage und der zweiten Reparaturfaserlage, so dass die Schnittstellenfläche der ersten Bauteilfaserlage mit der Schnittstellenfläche der ersten Reparaturfaserlage über die Klebeverbindung verbunden ist und, so dass die Schnittstellenfläche der zweiten Bauteilfaserlage mit der Schnittstellenfläche der zweiten Reparaturfaserlage über die Klebeverbindung verbunden ist. Dabei überlappt die Schnittstellenfläche der ersten Reparaturfaserlage die Schnittstellenfläche der ersten Bauteilfaserlage zumindest vollständig. Die genannten Schritte können in beliebiger Reihenfolge oder in der hier aufgelisteten Reihenfolge durchgeführt werden.
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In einem optionalen Schritt erfolgt ein Anordnen der ersten Reparaturfaserlage und der zweiten Reparaturfaserlage durch ein Auftragen der ersten Reparaturfaserlage zeitlich vor einem Auftragen der zweiten Reparaturfaserlage, wobei die erste Reparaturfaserlage und die zweite Reparaturfaserlage nach dem Auftragen gemeinsam einen Reparatureinsatz bilden.
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Figurenliste
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- 1 zeigt eine Draufsicht auf ein Basisbauteil mit einer Aussparung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
- 2 zeigt eine Schnittansicht eines Verbundbauteilsystem mit dem in 1 gezeigten Basisbauteil und einem Reparatureinsatz gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
- 3 zeigt das Verbundbauteilsystem aus 2 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
- 4 zeigt eine Detailansicht einer Anordnung von Faserlagen eines Verbundbauteilsystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
- 5 zeigt eine Detailansicht von Faserlagen eines Verbundbauteilsystems mit unterschiedlichen Überlappungen von jeweils gegenüberliegenden Faserlagen gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
- 6 zeigt eine Detailansicht einer mehr als 100 prozentigen Überlappung einer ersten Reparaturfaserlage gegenüber einer ersten Bauteilfaserlage, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
- 7 zeigt ein Fahrzeug mit einem Verbundbauteilsystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
- 8 zeigt ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Reparieren eines Verbundbauteilsystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Detaillierte Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen
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Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich. Werden in der folgenden Figurenbeschreibung in verschiedenen Figuren die gleichen Bezugszeichen verwendet, so bezeichnen diese gleiche oder ähnliche Elemente. Gleiche oder ähnliche Elemente können aber auch durch unterschiedliche Bezugszeichen bezeichnet sein.
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1 zeigt eine Draufsicht auf ein Basisbauteil 20 mit einer Aussparung 41. Die Aussparung 41 weist eine geschäftete Form bzw. Kegelstumpfform auf, wie es in der Schnittansicht A-A der 2 zu erkennen ist. Es sei angemerkt, dass diese Form hier lediglich beispielhaft ist und andere Aussparungsformen möglich sind. Die Aussparung 41 kann zum Beispiel durch Ausfräsen oder Herausschneiden eines entsprechenden Materialbereichs des Basisbauteils 20 erfolgen. Die Aussparung 41 umgibt einen Bereich, in dem sich eine Schadstelle 42 im Basisbauteil 20 befand. Durch das Herstellen der Aussparung 41 wurde somit die gesamte Schadstelle 42 aus dem Basisbauteil 20 entfernt. Die dicken Pfeile in 1 stellen eine Hauptbelastungsrichtung 50 einer auf das Basisbauteil wirkenden Hauptlast dar, welche zu der Schadstelle 42 geführt hat.
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Die 2 zeigt die Schnittansicht A-A eines Schnittes durch das Basisbauteil 20 parallel zur Hauptbelastungsrichtung 50. In 2 ist ferner ein Reparatureinsatz 30 in der Aussparung 41 des Basisbauteils 20 vorgesehen, so dass 2 einen reparierten Zustand des Basisbauteils 20 schematisch zeigt. Das Basisbauteil 20 und der Reparatureinsatz 30 bilden somit gemeinsam das Verbundbauteilsystem 10. Es kann vorgesehen sein, dass nach der Reparatur des Basisbauteils 20 eine Außenfläche 25 des Basisbauteils 20 mit einer Außenfläche 35 des Reparatureinsatzes 30 bündig abschließt, um somit eine ebene Oberfläche des Verbundbauteilsystems 10 zu bilden. Zu erkennen ist in 2 ferner, dass der Reparatureinsatz 30 über eine Klebeverbindung 12 bzw. eine Klebeschicht 12 mit den Basisbauteil 20 verbunden, das heißt verklebt, ist.
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3 zeigt nochmals das in 2 dargestellte Verbundbauteilsystem 10, wobei der Ausschnitt B des Verbundbauteilsystems 10 in 4 vergrößert dargestellt ist.
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Wie in 4 zu erkennen ist, weist das Verbundbauteilsystem 10 das Basisbauteil 20 mit mindestens einer ersten Bauteilfaserlage 21 und einer zweiten Bauteilfaserlage 22 auf sowie den Reparatureinsatz 30 mit mindestens einer ersten Reparaturfaserlage 31 und einer zweiten Reparaturfaserlage 32. Das Basisbauteil 20 ist mittels der Klebeverbindung 12 mit dem Reparatureinsatz 30 verbunden. Die erste Bauteilfaserlage 21 weist eine Schnittstellenfläche 21a auf, welche einer Schnittstellenfläche 31a der ersten Reparaturfaserlage 31 gegenüberliegt, so dass die Schnittstellenfläche 21a der ersten Bauteilfaserlage 21 mit der Schnittstellenfläche 31a der ersten Reparaturfaserlage 31 mittels der Klebeverbindung 12 verbunden ist. Die Schnittstellenflächen 21a, 31a können dabei als Endbereich der jeweiligen Faserlagen verstanden werden. Beispielsweise enden die Fasern der ersten Reparaturfaserlage 31 an der Schnittstellenfläche 31a und die Fasern der ersten Bauteilfaserlage 21 enden an der Schnittstellenfläche 21a. Die beiden Schnittstellenflächen 21a, 31a können so gegenüberliegen, dass lediglich die Klebeverbindung 12 bzw. Klebeschicht 12 zwischen ihnen angeordnet ist.
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Die Ausrichtung bzw. Erstreckung der Klebeverbindung kann, wie in 4 dargestellt, einen spitzen Winkel mit der Hauptbelastungsrichtung 50 einschließen, der jedoch in den Figuren lediglich schematisch, das heißt stark übertrieben, dargestellt sein mag.
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Auch die zweite Bauteilfaserlage 22 kann eine Schnittstellenfläche 22a aufweisen, welche einer Schnittstellenfläche 32a der zweiten Reparaturfaserlage 32 gegenüberliegt, so dass die Schnittstellenfläche 22a der zweiten Bauteilfaserlage 22 mit der Schnittstellenfläche 32a der zweiten Reparaturfaserlage 32 mittels der Klebeverbindung 12 verbunden ist.
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Im Bereich der Schnittstellen 21a, 31a der ersten Reparaturfaserlage 31 bzw. ersten Bauteilfaserlage 21 ist eine beispielhafte Überlappung dargestellt. In dem dort dargestellten Beispiel beträgt die Überlappung, mit der die Schnittstellenfläche 31a die Schnittstellenfläche 21a überlappt, 100%. Der Überlappungsbereich d ist in 4 dargestellt. Erfindungsgemäß kann diese Überlappung jedoch mehr als 100% betragen, was mit Bezug zur 6 genauer erläutert wird. In dem in 4 dargestellten Beispiel beträgt die Überlappung für sämtliche gegenüberliegenden Schnittstellenflächen 100%. Insbesondere überlappt auch die Schnittstellenfläche 32a der zweiten Reparaturfaserlage 32 die Schnittstellenfläche 22a der zweiten Bauteilfaserlage 22a zu 100%.
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In der 4 sind ferner beispielhafte Faserorientierungen neben den jeweiligen Faserlagen dargestellt. In dem dort dargestellten Beispiel beträgt die Faserorientierung der ersten Bauteilfaserlage 21 und der ersten Reparaturfaserlage 31 jeweils 0°, was im Wesentlichen der in 1 dargestellten x-Richtung bzw. der Hauptbelastungsrichtung 50 entspricht. Die Faserorientierung der zweiten Bauteilfaserlage 22 und der zweiten Reparaturfaserlage 32 beträgt jeweils 45°, was im Wesentlichen der in 1 dargestellten a-Richtung entspricht.
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Die 4 zeigt ferner eine dritte Bauteilfaserlage 23 und eine dritte Reparaturfaserlage 33, die sich im Bereich der Klebeverbindung 12 jeweils gegenüberliegen. Die Faserorientierung der der dritten Bauteilfaserlage 23 und der dritten Reparaturfaserlage 33 beträgt jeweils 135°, was im Wesentlichen einer Richtung entspricht, die sich senkrecht zu der in 1 dargestellten a-Richtung erstreckt. Es sei angemerkt, dass dies lediglich beispielhafte Richtungskombinationen der einzelnen Faserlagen sind und weitere Richtungskombinationen in Betracht kommen.
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5 zeigt verschiedene Überlappungen, mit der die Schnittstellenfläche 31a der ersten Reparaturfaserlage 31 die Schnittstellenfläche 21a der ersten Bauteilfaserlage 21 überlappt. Die Überlappung kann als das Maß bzw. der Anteil angesehen werden, mit dem die Schnittstellenfläche 31a der ersten Reparaturfaserlage 31 die Schnittstellenfläche 21a der ersten Bauteilfaserlage 21a überdeckt bzw. abdeckt. Ferner kann die Überlappung im Querschnitt der 5 betrachtet als das Maß angesehen werden, mit dem die Länge 31b der Schnittstellenfläche 31a der ersten Reparaturfaserlage 31 die Länge 21b der Schnittstellenfläche 21a der ersten Bauteilfaserlage 21a überstreicht oder überdeckt, wobei die Längen 21b, 31b jeweils entlang der entsprechenden Schnittstellenflächen, 21a, 31a bzw. 22a, 32a oder entlang der nicht dargestellten Klebeverbindung oder entlang dem Schäftungswinkel der Aussparung 41 gemessen werden. Die Überlappung kann daher auch als das Verhältnis angesehen werden, in dem die Länge 31b die Länge 21b überschneidet bzw. überlappt.
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In 5 sind drei beispielhafte Überlappungen dargestellt. In der oberen Darstellung der 5 beträgt die Überlappung ca. 100%, in der mittleren Darstellung ca. 50% und in der unteren Darstellung 0%. Wie nun nachfolgend mit Bezug zu 6 erläutert wird, soll das erfindungsgemäße Verbundbauteilsystem 10 eine zumindest vollständige, das heißt eine zumindest 100 prozentige Überlappung der ersten der Schnittstellenfläche 31a der ersten Reparaturfaserlage 31 gegenüber der Schnittstellenfläche 21a der ersten Bauteilfaserlage 21 bereitstellen.
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Insbesondere zeugt 6 zeigt eine Detailansicht einer mehr als 100 prozentigen Überlappung der ersten Reparaturfaserlage 31 gegenüber einer ersten Bauteilfaserlage 21, insbesondere eine mehr als 100 prozentige Überlappung der ersten der Schnittstellenfläche 31a der ersten Reparaturfaserlage 31 gegenüber der Schnittstellenfläche 21a der ersten Bauteilfaserlage 21. Das bedeutet, dass sich die Länge 31b der Schnittstellenfläche 31a der ersten Reparaturfaserlage 31 im Querschnitt des Verbundbauteilsystems 10 über die Länge 21b der Schnittstellenfläche 21a der ersten Bauteilfaserlage 21 hinauserstreckt.
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Dabei sei verstanden, dass bei der Herstellung des Reparatureinsatzes 30, bei dem die Reparaturfaserlagen 31, 32, 33 Lage für Lage aufgetragen werden, die oben genannte Überlappung von mehr als 100% lediglich für die 0°-Faserlagen des Reparatureinsatzes 30 und des Basisbauteils 20 sichergestellt wird, während die Überlappung der weiteren Faserlagen beliebig sein kann. Somit kann vorgesehen sein, dass lediglich für diese 0°-Faserlagen 21, 31 die Reparaturfaserlage 31 im Bereich der Schnittstellen 21a, 31a eine größere Abmessung als die Bauteilfaserlage 21 haben kann, während die benachbarte zweite Reparaturfaserlage 32 im Bereich der Schnittstellen 22a, 32a eine kleinere Abmessung hat als ihre gegenüberliegende zweite Bauteilfaserlage 22 und, während die benachbarte dritte Reparaturfaserlage 33 im Bereich der Schnittstellen 23a, 33a eine kleinere Abmessung hat als ihre gegenüberliegende dritte Bauteilfaserlage 23.
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Somit kann sich die Schnittstellenfläche 31a der ersten Reparaturfaserlage 31 über die Schnittstellenfläche 21a der ersten Bauteilfaserlage 21 hinaus erstrecken und gleichzeitig kann sich in umgekehrter Weise die Schnittstellenfläche 22a der zweiten Bauteilfaserlage 22 über die Schnittstellenfläche 32a der zweiten Reparaturfaserlage32 hinaus erstrecken. Die Erstreckungsrichtung der Schnittstellenflächen 21a, 31a, 22a, 32a, auf die sich diese Betrachtungsweise bezieht, kann dabei durch die Längserstreckungsrichtung der Klebeverbindung 12 oder die Erstreckungsrichtung der Schäftung der Aussparung 41 im Basisbauteil 21 repräsentiert sein. Insbesondere kann sich die Erstreckungsrichtung der Schnittstellenflächen 21a, 31a, 22a, 32a, entlang derer die Überlappung gemessen wird, auf die Darstellung des Schnittes A-A der 1 und 2 beziehen. Ferner kann vorgesehen sein, dass die zumindest 100 prozentige oder die mehr als 100 prozentige Überlappung der Schnittstellenfläche 31a der Reparaturfaserlage 31 gegenüber der Schnittstellenfläche 21a der ersten Bauteilfaserlage 21 in gleicher Weise für weitere Schichten des Verbundbauteilsystems 10 vorgesehen sein kann. Insbesondere kann diese zumindest 100 prozentige oder die mehr als 100 prozentige Überlappung für zwei, drei oder eine Vielzahl von Schnittstellen innerhalb des Verbundbauteilsystems 10 gelten.
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Jedenfalls zielt das erfindungsgemäße Verbundbauteilsystem 10 u. a. darauf ab, dass die Dicke der Reparaturfaserlagen für die 45°-Richtung, die 135°-Richtung, die 90°-Richtung oder jede beliebige andere Richtung außer die 0°-Reparaturfaserlage (erste Reparaturfaserlage 31) reduziert werden kann, um ein Überlappen dieser Reparaturfaserlagen mit der 0°-Bauteilfaserlage (erste Bauteilfaserlage 21) im Bereich der Schnittstelle 21a zu vermeiden. Dagegen wird eine Abmessung der Reparaturfaserlage 31 mit Faserorientierung in 0°-Richtung (Hauptbelastungsrichtung) vergrößert, so dass die erste Reparaturfaserlage 31, insbesondere deren Schnittstellenfläche 31a die Bauteilfaserlage 21 bzw. deren Schnittstellenfläche 21a zu 100% oder zu mehr als 100% überlappt, wie dies in 6 dargestellt ist.
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7 zeigt ein Luftfahrzeug 100 mit dem erfindungsgemäßen Verbundbauteilsystem 10, wie es beispielsweise in 6 dargestellt ist. Das Verbundbauteilsystem 10 kann dabei zum Beispiel ein Strukturelement des Luftfahrzeugs 100 sein.
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8 zeigt ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Reparieren eines Verbundbauteilsystems 10. In einem Schritt des Verfahrens S1 erfolgt ein Bereitstellen eines Basisbauteils 20 mit mindestens einer ersten Bauteilfaserlage 21 und einer zweiten Bauteilfaserlage 22, wobei die erste Bauteilfaserlage 21 eine Schnittstellenfläche 21a aufweist und die zweite Bauteilfaserlage 22 eine Schnittstellenfläche 22a aufweist. In einem weiteren Schritt S2 erfolgt ein Bereitstellen einer ersten Reparaturfaserlage 31 und einer zweiten Reparaturfaserlage 32, wobei die erste Reparaturfaserlage 31 eine Schnittstellenfläche 31a aufweist und die zweite Reparaturfaserlage 32 eine Schnittstellenfläche 32a aufweist. In einem weiteren Schritt S3 erfolgt ein Anordnen des Basisbauteils 20, der ersten Reparaturfaserlage 31 und der zweiten Reparaturfaserlage 32 derart, dass die Schnittstellenfläche 21a der ersten Bauteilfaserlage 21 der Schnittstellenfläche 31a der ersten Reparaturfaserlage 31 gegenüberliegt und, dass die Schnittstellenfläche 22a der zweiten Bauteilfaserlage 22 der Schnittstellenfläche 32a der zweiten Reparaturfaserlage 32 gegenüberliegt. Dabei weist die erste Bauteilfaserlage 21 eine Faserorientierung auf, welche einer Faserorientierung der ersten Reparaturfaserlage 31 im Wesentlichen entspricht. In einem weiteren Schritt S4 erfolgt ein Verkleben des Basisbauteils 20, der ersten Reparaturfaserlage 31 und der zweiten Reparaturfaserlage 32, so dass die Schnittstellenfläche 21a der ersten Bauteilfaserlage 21 mit der Schnittstellenfläche 31a der ersten Reparaturfaserlage 31 über die Klebeverbindung 12 verbunden ist und, so dass die Schnittstellenfläche 22a der zweiten Bauteilfaserlage 22 mit der Schnittstellenfläche 32a der zweiten Reparaturfaserlage 32 über die Klebeverbindung 12 verbunden ist. Dabei überlappt die Schnittstellenfläche 31a der ersten Reparaturfaserlage 31 die Schnittstellenfläche 21a der ersten Bauteilfaserlage 21 zumindest vollständig.
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In einem optionalen Schritt S5 erfolgt ein Anordnen der ersten Reparaturfaserlage 31 und der zweiten Reparaturfaserlage 32 durch ein Auftragen der ersten Reparaturfaserlage 31 zeitlich vor einem Auftragen der zweiten Reparaturfaserlage 32, wobei die erste Reparaturfaserlage 31 und die zweite Reparaturfaserlage 32 nach dem Auftragen gemeinsam einen Reparatureinsatz 30 bilden. Es kann vorgesehen sein, dass Schritt S5 zwischen Schritt vor oder während Schritt S3 erfolgt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017101074 A1 [0003]
- EP 3173219 A1 [0004]
