DE10249591A1

DE10249591A1 - Nachträglich einlaminierbare Krafteinleitung aus Faserverbundwerkstoff für stabförmige Faserverbundstrukturen

Info

Publication number: DE10249591A1
Application number: DE2002149591
Authority: DE
Inventors: Eckart Dr. Schütze
Original assignee: Schuetze GmbH
Current assignee: Schuetze GmbH
Priority date: 2002-10-24
Filing date: 2002-10-24
Publication date: 2004-05-13

Abstract

Zur Fertigung einer Krafteinleitung aus Faserverbundwerkstoff wird die Wandung des betreffenden Faserverbundstabes (1) an seinem Ende in viele schmale Streifen (2) parallel zur Längsachse geschnitten. Diese Streifen sind elastisch verformbar und können sich unterschiedlichen Querschnitten anpassen. DOLLAR A Die Form der Krafteinleitung und damit auch die unterschiedlichen Querschnitte im Krafteinleitungsbereich werden durch einen entsprechenden Formkörper (Kern) (3; 13) vorgegeben. Er ist entweder ein verlorener Kern aus Faserverbundmaterial (13) oder ein wiederverwendbarer z. B. aus Aluminium (3). DOLLAR A Im Fall des wiederverwendbaren Kerns wird der Formkörper mit harzgetränktem Faserverbundmaterial (6) überzogen und in das vielfach geschlitzte Stabende (2) gedrückt. Das Faserverbundmaterial setzt sich aus einzelnen Lagen von harzgetränkten Fasergelegen und Fasergewebeschläuchen zusammen, deren Anzahl sich nach Art und Höhe der zu übertragenden Kräfte richtet. Nach dem Eindrücken des Formkörpers wird als letzte Schicht ein Fasergewebeschlauch (7) über das Stabende gezogen, der sich eng an den Stab anlegt und dabei die elastisch verformbaren, schmalen Streifen des Stabendes gleichmäßig in die noch weiche, harzgetränkte Gewebeschicht (oder auch Schichten) (6) drückt, mit denen der Formkörper umgeben ist. Dadurch kommt es zu einer guten und reproduzierbaren Verklebung zwischen den schmalen Streifen der Stabwandung und den zusätzlichen Faserverstärkungen. Der wiederverwendbare ...

Description

Einleitung und Stand der Technik:
Bei der Verwendung stabförmiger Faserverbundstrukturen besteht das grundsätzliche Problem, Kräfte in diese Strukturen einzuleiten. Häufig werden dazu Metallelemente verwendet, die in die Stäbe eingelassen werden. Für die problematische Verbindung von Metallelement und Faserverbundstab gibt es viele technische Lösungen. Dabei zeigt sich, dass die größten Festigkeiten durch formschlüssig integrierte Krafteinleitungen erzielt werden, die jedoch allgemein recht aufwendig sind.
In vielen Anwendungsfällen genügt die preiswertere Form der Krafteinleitung, bei der das metallische Verbindungselement nachträglich in den Faserverbundstab eingeklebt wird. Aber auch für diese Lösung gibt es viele unterschiedliche Ausführungsformen, wie das Europäische Patent EP 0 841 490 bzw. die deutschen Patenanmeldungen 100 58 609.0 und P 102 47 003.0 zeigen. Ihnen allen ist das Problem gemeinsam, einerseits eine reproduzierbare und vollständige Verklebung zwischen Metallteil und Faserverbundstab sicherzustellen und andererseits mit relativ schweren Beschlagteilen zu einem hohen Strukturgewicht beizutragen.
Während bei hochbelastbaren Faserverbundstäben Gewindeelemente an den Stabenden aus Metall sein sollten, ist dies für andere Krafteinleitungen, wie z.B. Gabel- oder Augenanschlüsse, nicht erforderlich. Krafteinleitungen dieser Art aus Faserverbundwerkstoffen führen hier im allgemeinen zu einem geringeren Strukturgewicht.
Lösung des Problems
Zur Lösung des technischen Problems werden in das Stabende eines Faserverbundstabes verschiedene Lagen von Faserverbundmaterial so einlaminiert, dass eine Krafteinleitung der gewünschten Formgebung und Belastbarkeit entsteht.
Um der Krafteinleitung die gewünschte Form zu verleihen, wird die Wandung des Faserverbundstabes an seinem Ende in viele schmale Streifen parallel zur Längsachse geschnitten. Diese Streifen sind elastisch verformbar und können sich unterschiedlichen Querschnitten anpassen. Voraussetzung für das Einschneiden der Stabwandung ist eine überwiegende Faserverstärkung in Stablängsrichtung. Im Fall der CFK-Sandwichstäbe befinden sich unter einem dünnen Glasgewebe an der Oberfläche nur unidirektionale, in Längsrichtung orientierte Fasern. Diese lassen sich bei dünnwandigen Stäben sehr einfach mit einem Messer oder bei Stäben mit einer dickeren Wandung mit einer kleinen Trennscheibe einschneiden. Während Messereinschnitte praktisch zu keinen Verlusten der tragenden Faserquerschnitte führen, erhält man bei der Verwendung dünner Trennscheiben einen kleinen Querschnittsverlust.
Die Form der Krafteinleitung und damit auch die unterschiedlichen Querschnitte im Krafteinleitungsbereich werden durch einen entsprechenden Formkörper (Kern) vorgegeben. Er ist entweder ein verlorener Kern aus Faserverbundmaterial oder ein wiederverwendbarer z. B. aus Aluminium.
Im Fall des wiederverwendbaren Kerns wird der Formkörper mit harzgetränktem Faserverbundmaterial überzogen und in das vielfach geschlitzte Stabende gedrückt. Das Faserverbundmaterial setzt sich aus einzelnen Lagen von harzgetränkten Fasergelegen und Fasergewebeschläuchen zusammen, deren Anzahl sich nach Art und Höhe der zu übertragenden Kräfte richtet. Nach dem Eindrücken des Formkörpers wird als letzte Schicht ein Fasergewebeschlauch über das Stabende gezogen, der sich eng an den Stab anlegt und dabei die elastisch verformbaren, schmalen Streifen des Stabendes gleichmäßig in die noch weiche, harzgetränkte Gewebeschicht (oder auch Schichten) drückt, mit denen der Formkörper umgeben ist. Dadurch kommt es zu einer guten und reproduzierbaren Verklebung zwischen den schmalen Streifen der Stabwandung und den zusätzlichen Faserverstärkungen. Der wiederverwendbare Formkörper ist an seiner Oberfläche mit Tennmittel versehen und wird nach dem Aushärten des Harzes wieder aus dem Stabende herausgezogen.
Der verlorene Kern, der i. a. aus Faserverbundwerkstoff besteht, kann im Gegensatz zum wiederverwendbaren Formkörper auch ohne zusätzliches harzgetränktes Gewebe direkt in das mit einer Klebstoffmasse versehene und geschlitzte Ende des Stabes eingeklebt werden.
Die Verstärkung des Stabendes durch Einlaminieren verschiedener Gewebelagen oder durch Einkleben von Verbundwerkstoff sollte sich möglichst bis in den ungestörten, also nicht geschlitzten Stabbereich erstrecken.
Die meisten dieser Faserverbundkrafteinleitungen werden mit metallischen Querbolzen an andere Strukturen angeschlossen. Dabei kann es zweckmäßig sein, zwischen den verschiedenen Gewebe- und Gelegelagen metallische Bleche (z.B. Stahl oder Titan) einzulegen, um die Lochleibungsfestigkeit des reinen CFK-Anschlußelementes zu verbessern.
1. Ausführungsbeispiel: Gabelanschluß
In 1 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt. Es zeigt einen Gabelanschluß, wie er beispielsweise für bewegliche Stoßstangen oder auch für feste Streben in Luftfahrzeugen verwendet wird. Der Aufbau des Gabelanschlusses in Faserverbundwerkstoffen wird am besten durch die einzelnen Herstellungsschritte klar:

– Der als Halbzeug vorliegende Faserverbundstab (1) (z.B. CFK-Sandwichstab mit ausgefrästen Stabenden) wird an seinem Stabende geschlitzt (2) (1a).
– Ein wiederverwendbarer, mit Trennmittel versehener Formkörper (3), der einen Übergang von einem runden (4) auf einen rechteckigen (5) Querschnitt darstellt, wird mit harzgetränktem Faserverbundmaterial (6) versehen und in das geschlitzte Stabende gedrückt (1b).
– Ein Fasergewebeschlauch (7) wird über das Stabende gezogen, schnürt sich dabei ein und drückt die einzelnen, schmalen Streifen der Stabwandung in das mit harzgetränkte Faserverbundmaterial (6) des Formkörpers (1c).
– Nach dem Aushärten des Harzes wird der Formkörper entfernt und man erhält ein rohrförmiges Stabende mit rechteckigem Querschnitt (8), das nun besäumt und auf die gewünschte Länge gekürzt wird (9) (1d).
– Durch Entfernen zweier sich gegenüberliegender Rohrwände (10) des rechteckigen Querschnitts erhält man den gewünschten Gabelanschluss (11), der nun noch mit einer Querbohrung versehen werden muss (12) (1e).

2. Ausführungsbeispiel: Torsionsanschluß
Das 1. Ausführungsbeispiel beschreibt ein Stabende, bei dem sich der runde Stabquerschnitt kontinuierlich zu einem rechteckigen verändert. Während dort zwei gegenüberliegende Rohrwände des Rechteckquerschnitts entfernt werden, um so einen Gabelanschluß (11) zu erzeugen, kann der rechteckige Querschnitt auch direkt – also ohne weitere Veränderungen – zum Übertragen von Torsionsmomenten herangezogen werden. In diesem Fall wären ein quadratischer Querschnitt als Sonderfall des Rechteckquerschnittes, eine entsprechende Fasergewebebelegung (6) des entfernbaren Kerns sowie eine von außen aufgebrachte Ringwicklung, die sich über den gesamten Krafteinleitungsbereich erstreckt, sinnvoll.
Das hier beschriebene Verfahren zur Bildung eines Anschlusses mit Einschnitten am Stabende sieht grundsätzlich eine Veränderung eines runden Stabquerschnitts zu einem eckigen vor. Als Beispiele wurden hier Rechteckquerschnitte angeführt. In gleicher Weise lässt sich jedoch auch ein kontinuierlicher Übergang von kreisförmig auf vieleckig erzeugen.
3. Ausführungsbeispiel: Schwenklageranschluss (Augenstab)
In 2 ist ein Faserverbundstab mit einem Schwenklageranschluss dargestellt. Bei dieser Krafteinleitung wird statt eines mit Faserverbundmaterial belegten, wiederverwendbaren Formkörpers ein vorgefertigtes Faserverbundlaminat (13) mit einer speziellen Klebstoffmasse (14) in das geschlitzte Stabende (15) eingeklebt. Das vorgefertigte Faserverbundlaminat hat eine keilförmige Gestalt (16), eine Bohrung (17) für das Schwenklager sowie eine umlaufende, endlose Faserwicklung (18). An der Spitze des keilförmigen Laminates ist noch eine Querbohrung für einen Stift (19) vorgesehen, der einen Formschluss für ein Herausziehen des Laminates darstellt. Das gesamte Stabende ist ausgehend vom Schwenklager bis in den ungestörten Stabbereich hinein mit einer Faserringwicklung (20) versehen, um ein Aufsprengen des Stabes unter Zugbelastung zu verhindern.

Claims

Krafteinleitungen aus Faserverbundwerkstoffen, die an einem Stab- oder Rohrende (1) gebildet werden, dadurch gekennzeichnet, dass das Ende des Faserverbundstabes so geschlitzt ist, dass schmale, elastisch verformbare Faserverbundstreifen entstehen (2), die in Verbindung mit zusätzlichem Faserverbundmaterial (6) eine Krafteinleitung für den Stab bilden.
Krafteinleitung aus Faserverbundwerkstoffen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Gewebelage ein Fasergewebeschlauch (7) ist, der eng an dem Stab anliegt und die elastisch verformbaren Faserverbundstreifen des Stabes gegen das Faserverbundmaterial drückt, das mit Hilfe eines entfernbaren Formkörpers in das geschlitzte Stabende gedrückt ist.
Krafteinleitung aus Faserverbundwerkstoffen nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserverbundkrafteinleitung ein Übergangsstück darstellt, dessen Querschnitt kontinuierlich von kreisförmig (5) auf rechteckig (5) übergeht.
Krafteinleitung aus Faserverbundwerkstoffen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Rechteckquerschnitt (8) der Krafteinleitung im Endbereich durch teilweises Entfernen (10) zweier gegenüberliegender Rechteckflächen ein Gabelanschluß (11) entsteht.
Krafteinleitung aus Faserverbundwerkstoffen nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Krafteinleitung ein Übergangsstück darstellt, dessen Querschnitt zur Erzeugung eines formschlüssigen Torsionsanschluß von einem Kreis auf ein gleichseitiges Vieleck (z.B. quadratisch oder sechseckig) übergeht.
Krafteinleitung aus Faserverbundwerkstoffen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein ebenes, bereits ausgehärtetes Faserverbundlaminat (13) mit Anschlussmöglichkeit in den zusammengedrückten Stab eingeklebt ist und das Stabende anschließend mit einer außen auf den Stab und das Faserverbundlaminat aufgebrachten Faserringwicklung (20) versehen ist.
Krafteinleitung aus Faserverbundwerkstoffen nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Faserverbundlaminat (13) von einer endlosen, sich in der Laminatebene befindenden Faserwicklung (18) umgeben ist
Krafteinleitung aus Faserverbundwerkstoffen nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundfläche des Faserverbundlaminats (13) aus einer Halbkreisfläche und einer sich anschließenden Dreiecksfläche besteht.
Krafteinleitung aus Faserverbundwerkstoffen nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Faserverbundlaminat (13) in der Nähe seines spitzen Winkels, mit dem es in den Stab hineinreicht, einen Querstift (19) aufweist.
Verfahren zur Herstellung einer Krafteinleitung aus Faserverbundwerkstoffen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit Trennmittel versehener Formkörper (3) in das geschlitzte Stabende (2) eingeführt wird, der mit harzgetränktem, noch nicht ausgehärtetem Faserverbundmaterial (6) versehen ist und der nach dem Aushärten des Harzes wieder entfernt wird.
Verfahren zur Herstellung einer Krafteinleitung aus Faserverbundwerkstoffen nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper einen Abschnitt mit kreisförmigem Querschnitt aufweist, der bis in den ungestörten Faserverbundstab hineinreicht und der nach außen hin kontinuierlich einen rechteckigen Querschnitt annimmt.
Verfahren zur Herstellung einer Krafteinleitung aus Faserverbundwerkstoffen nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Rechteckquerschnitt (8) der Krafteinleitung im Endbereich durch teilweises Entfernen (10) zweier gegenüberliegender paralleler Wandflächen ein Gabelanschluß (11) entsteht.
Verfahren zur Herstellung einer Krafteinleitung aus Faserverbundwerkstoffen nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper sich von einem kreisförmigen kontinuierlich zu einem Querschnitt verändert, der ein gleichseitiges Vieleck darstellt.