DE1275279B

DE1275279B - Verfahren zum Herstellen eines Verbundbauteils aus glasfaserverstaerktem Kunststoff

Info

Publication number: DE1275279B
Application number: DE1965B0084009
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Erich Ufer
Original assignee: Boelkow GmbH
Current assignee: Boelkow GmbH
Priority date: 1965-10-06
Filing date: 1965-10-06
Publication date: 1968-08-14
Also published as: GB1166604A; SE321561B; FR1495841A

Description

Verfahren zum Herstellen eines Verbundbauteils aus glasfaserverstärktem Kunststoff Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Verbundbauteils, insbesondere von rohr- oder kastenförmigen Bauteilen, wie Tragflügel, Flugzeugrümpfe, hohlzylinderförmige Behälter, bei dem auf einen der inneren Form des Bauteils entsprechenden Kern und die äußere Kontur festlegende Forrumulden ein mit Kunstharz getränktes Glasfaserlaminat aufgelegt wird, zwischen die so vorbereiteten Teile ein Leichtkern eingelegt wird, die Formteile zusammengebracht werden und das Kunstharz unter Druck und Wärme ausgehärtet wird.
Bekannte GFK-Formteile der vorgenannten Art weisen einen schalenförmigen Aufbau mit eingefügten vorgefertigten Stüzelementen auf.
Die Steifigkeit derartiger Formteile hängt hierbei weitgehend von der Festigkeit der Verbindung zwischen Deckschalen und Stüzelementen bzw. Querkraftstegen ab.
Da die Stützelemente bzw. Querkraftstege zwischen zwei vorgefertigten Deckschalen angeordnet sind, ergibt sich vor allem bei verwickelten Formteilen die Notwendigkeit, die Stützelemente der Form der Deckschalen mit hoher Genauigkeit anzupassen. Dabei hat es sich gezeigt, daß nach den herkömmlichen Bauverfahren die geforderte Festigkeit der Verbindung zwischen Stützelement und Deckschalen, insbesondere bei Formteilen, die in der Luft- und Raumfahrttechnik Verwendung finden, nicht mit einer den heutigen Anforderungen hinsichtlich Belastbarkeit und geringem Eigengewicht entsprechenden Sicherheit erreicht werden kann. Dies ist im wesentlichen darauf zurückzuführen, daß die Versteifungselemente nicht satt an den Deckschalen anliegen, so daß eine große Menge Kleber aufgewendet werden muß, um die Versteifungselemente mit den Deckschalen in einer Art Einbettung miteinander zu verbinden. Hierdurch wird jedoch das Gewicht des Bauteils bedeutend erhöht. Abgesehen von den vorstehend erwähnten Nachteilen bedingen die herkömmlichen Herstellungsverfahren auch zeitraubende und aufwendige Arbeitsgänge. So müssen die Stützelemente, welche bei den sogenannten Sandwich- oder Wabenbauweisen aus Aluminium, Papier, Kunststoffen oder Kunstharzen bestehen, vorgefertigt und den Konturen der Deckschalen in einzelnen Teilstücken meist in Handarbeit angepaßt und in entsprechenden Vorrichtungen miteinander verklebt werden. Diese Arbeit erfordert eine große handwerkliche Geschicklichkeit und äußerste Genauigkeit. Eine Erhöhung der Festigkeit von GFK-Formteilen, insbesondere von Teilen mit komplizierten geometrischen Formen, nach den bisher bekannten Bauweisen ist daher nur durch Inkaufnahme entweder eines großen Arbeitsaufwandes oder einer entsprechenden Gewichtserhöhung möglich.
Es ist ferner bereits ein Herstellungsverfahren für Verbundbauteile bekannt, bei denen zwischen zwei Deckplatten angeordnete Versteifungsstege durch Rohre von rechteckigem Querschnitt gebildet werden, die aus mehreren Lagen von Papier bzw. papierfaserähnlichem Material bestehen, das nach einem Tränkprozeß mit Kunstharz um Dorne mit rechteckigem Querschnitt gewickelt wird. Nach dem Auflegen der Deckschichten werden die Rohre mit den Deckschichten unter Druck und Wärme zu einem homogenen Bauteil verbunden. Da die Rohrkerne anschließend wieder entfernt werden müssen, ergibt sich, daß das vorbeschriebene Verfahren nicht bei beliebig geformten, insbesondere stark gekrümmten Bauteilen angewendet werden kann, sondern sich ausschließlich auf ebene Teile, wie z. B. Wände und Türen, beschränkt.
Es ist weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines doppelwandigen zylindrischen Bauteils bekannt, bei dem die beiden Zylinderwände durch Stege abgestützt werden, die durch auf eine zylindrische Form spiralförmig aufgewickelte und ihrerseits mit Glasfasergewebestreifen umwickelte flexible Stützkerne gebildet werden. Die Stützkerne besitzen rechteckigen Querschnitt. Durch die Bewicklung mit in Umfangsrichtung nebeneinanderliegenden Gewebestreifen lassen sich keine Formteile mit kleinen Krümmungsradien wickeln, da die Streifen hierbei an der Außenseite der Stützkerne auseinanderklaffen würden, während sie an der Innenseite Quetschfalten bilden. Die Folge davon ist eine verringerte Schubkraftübertragung zwischen der oberen und der unteren Deckschicht.
Das gleiche gilt auch, wenn zwecks Vermeidung des Auseinanderklaffens die Streifen übereinandergelappt gewickelt werden. Abgesehen davon, daß hierdurch die Quetschfalten an der Innenseite nicht vermieden, sondern im Gegenteil sogar verstärkt werden, läßt sich durch die Überlappung an der Außenseite der Kerne keine satte Anlage der Gewebestreifen an der äußeren Deckschicht sicherstellen. Schließlich ist auch die Verwendung von elastischen Stützkernen mit erheblichen Schwierigkeiten verbunden. Um zu verhindern, daß die aufgewickelten Gewebestreifen auf dem Kern verrutschen, können nur relativ kurze Längen gewickelt werden. Dies bedeutet, daß bei einem längeren Hohlzylinder die Stüzwand nur aus mehreren hintereinandergereihten Kernen gebildet werden kann.
Da es sich um elastische Kerne handelt, ist es erforderlich, die einzelnen Abschnitte durch entsprechende Vorrichtungen bzw. Maßnahmen an ihrem selbsttätigen Abwickeln zu hindern. Die Stützkerne sind zwar elastisch, besitzen im übrigen jedoch eine schlechte Formanpassungsfähigkeit, z. B. an kleinen Vertiefungen oder Erhöhungen. Auch das Ausdehnungsvermögen querzur Kernlängsachse der umwickelten Kerne ist gering, so daß beispielsweise keine örtlichen Ausbauchungen möglich sind.
Es ist schließlich auch ein Verfahren zur Herstellung von stab- oder plattenförmigen Bauteilen bekannt, bei dem um einen in einer Form liegenden Schlauch ein Glasfasergewebestreifen lose herumgeschlungen wird, wobei sich die Enden des Streifens stark überlappen. Nach dem Schließen der Form wird Harz eingefüllt und der Schlauch aufgeblasen. Dabei drückt der Schlauch das überschüssige Harz wieder aus der Form heraus und bringt gleichzeitig das Gewebe an der Formwandung zur Anlage. Es ist bei diesem Verfahren völlig belanglos, wieviel Harz noch in der Form verbleibt und in welcher Verteilung bzw. örtlicher Anhäufung. Es spielt für den Verwendungszweck auch keine Rolle, ob im Endstück noch eine Gewebeüberlappung vorhanden ist oder nicht, da durch das Verfahren lediglich die Forderung einer formgerechten Kontur erfüllt werden soll. Für eine Leichtbauweise im optimalen Sinn, mit einem bestimmten Harz-Glas-Verhältnis läßt sich das Verfahren deshalb ebensowenig verwenden wie für komplizierte, gekrümmte Bauteile.
Es ist weiterhin ein Verfahren bekannt zur Herstellung eines rohrförmigen Bauteils mit einem sich in Längsrichtung des Bauteils erstreckenden Mittelsteg. Das Bauteil und der Stützsteg werden auf folgende Weise gebildet: Um zwei miteinander verbundene Druckschläuche werden Glasfasergewebestreifen mit sich in der Breite überlappenden Enden herumgelegt. Nach Aufblasen der Schläuche werden die mit Kunstharz laminierten Gewebestreifen an einer Forminnenwand zur Anlage gebracht und ausgehärtet. Der Mittelsteg wird zwangläufig durch die aneinanderliegenden inneren Schlauchwände gebildet. Da der Schlauch selbst nicht mit dem Kunstharz benetzt ist, bleibt der Mittelsteg auch nach dem Aushärten des Bauteils weitgehend gummielastisch, so daß er keine tragende Funktion erfüllen kann.
Es ist ferner ein Verfahren zum Herstellen von glasfaserverstärkten Hohlkörpern bekannt, bei welchem eine Mehrzahl von Kunststoffschläuchen im flachgedrückten Zustand zwischen mit flüssigem Kunstharz getränkten Faserbahnen eingebettet wird und jeder der Schläuche durch inneren Überdruck aufgebläht wird, wobei zwischen den Schläuchen lie- gende getränkte Faserstofflagen zu Stegen geformt werden. Das vorgenannte Verfahren ist jedoch nur für platten- oder stabförmige Hohlbauteile geeignet, nicht dagegen für kompliziert geformte Bauteile, die in einem kontinuierlichen Wickelverfahren hergestellt werden sollen, da sich bei einer Krümmung der Kunststoffschläuche die den Schlauch umhüllenden Faserstoffbahnen gegeneinander verschieben und damit eine faltenfreie Anlage benachbarter Schlauchwindungen nicht gewährleistet ist.
Es ist außerdem beispielsweise zur Herstellung von Radomen in Sandwichb au art ein Verfahren bekannt, bei welchem jeweils auf eine innere und eine äußere Formhälfte eine Gewebeaußenschicht und auf diese eine Hartschaumschicht als Kernmaterial aufgeklebt wird. Die beiden Formhälften werden sodann zusammengefügt, wobei die benachbarten Schichten des Kernmaterials miteinander verklebt werden. Dieses Verfahren besitzt indessen den Nachteil, daß es nur für Bauteile mit verhältnismäßig geringer Festigkeitsbeanspruchung geeignet ist.
Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, festigkeitsmäßig hochbeanspruchte GFK-Formteile der eingangs genannten Art in Verbundbauweise unter Vermeidung der Nachteile der bekannten Bauweisen in einem weitgehend kontinuierlichen Arbeitsverfahren schnell, billig und mit geringstmöglichem technischem Aufwand herzustellen.
Eine Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß der Erfindung dadurch, daß als Leichtkern ein mit einem kunstharzgetränkten Glasfasergewebeschlauch umgebener, unter Innendruck stehender gasdichter Stützschlauch schraubenförmig dicht aneinanderliegend um den Kern gewickelt wird, daß nach Beendigung des Wickelvorganges der Innendruck des Stüzschlauches verringert und nach dem Einlegen des Kerns in die Formmulden und Schließen derselben der Innendruck des Stüzschlauches wieder erhöht und bis zum Aushärten des Kunstharzes aufrechterhalten wird.
Der Durchmesser des verwendeten Glasfasergewebeschlauches ist größer als der zwischen Kern und Formmulde vorhandene Zwischenraum. Der Anpreßdruck des Glasfasergewebeschlauchs an das die Außenhaut bildende Glasfaserlaminat wird durch den gasdichten Stützschlauch im Innern des Gewebeschlauches erzeugt, dessen Innendruck mittels Preßgas veränderlich ist.
Durch einen derartigen, unter einem variablen Innendruck stehenden elastischen Stützschlauch kann der im nassen Zustand an sich nicht formbeständige Glasfaserschlauch um den Kern gewickelt werden, ohne daß-an Stellen von starken Krümmungen des Kerns-eine Verkürzung des Schlauches auftritt. Infolge der an das Aufwickeln des Glasfaserschlauches um den Kern anschließenden Innendruckverringerung des Schlauches kann der Kern ohne Schwierigkeiten in die Formmulde eingelegt und die Form geschlossen werden. Die im nächsten Verfahrensschritt wiederum erfolgende Innendruckerhöhung der elastischen Stützeinlage des Glasfaserschlauches kann je nach den gewünschten Eigenschaften des Formteils variiert werden.
Durch die Innendruckerhöhung des Stützschlauches wird der Glasfaserschlauch aufgebläht und gegen die beiden durch die Formmulde gestützten Deckschalen gedrückt. Mit zunehmender Innendruckerhöhung der elastischen Einlage werden die Berührungsflächen einerseits zwischen Glasfasergewebeschlauch und Deckschalen und andererseits zwischen den einander benachbarten Glasfasergewebeschlauchwindungen zunehmend größer, bis der Glasfasergewebeschlauch unter Ausfüllung des gesamten zwischen Kern und Formmulde vorhandenen Zwischenraumes einen etwa rechteckigen bzw. quadratischen Querschnitt einnimmt. Die dabei entstehenden, aus den Flanken jeweils zweier einander benachbarter Glasfasergewebeschlauchwindungen gebildeten Querkraftstege stehen zu den Deckschalen annähernd senkrecht.
Bei geringerem Innendruck der elastischen Einlage des Glasfaserschlauches kommen die Flanken zweier einander benachbarter Schlauchwindungen nicht über die gesamte Sandwichhöhe des Formteils miteinander in Berührung, so daß die Flächen des gegenseitigen Anliegens sowohl zwischen den einzelnden Schlauch windungen als auch zwischen Glasfaserschlauch und Deckschalen kleiner sind als im vorerwähnten Fall.
Geringere gegenseitige Berührungsflächen, insbesondere der Glasfasergewebeschlauchwindungen untereinander, verleihen dem fertigen Formteil eine höhere Verwindungselastizität bei geringerer Beulfestigkeit.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht also - unabhängig davon, daß Stützkörper und Deckschalen aus kunstharzgetränktem Glasfasergewebe im nassen Zustand miteinander verpreßt werden können - unter anderem auch darin, daß durch Variierung des Innendruckes des Stützschlauches die Festigkeitseigenschaften des Bauteils den Erfordernissen entsprechend ohne zusätzlichen technischen oder arbeitsmäßigen Aufwand angepaßt werden können.
Ein weiteres Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, daß die um den Kern gelegten Windungen des Glasfasergewebeschlauches vor dem Einlegen des Kerns in die Formmulde quer zur Windungsrichtung zusammengepreßt werden.
Dieses Zusammenpressen der Glasfasergewebeschlaudlwindungen ergibt eine Erhöhung der Anzahl der pro Längeneinheit des Kerns aufgebrachten Schlauchwindungen. Dadurch kann in Abhängigkeit von der Sandwichhöhe des zu fertigenden Formteils und dem Durchmesser des verwendeten Glasfasergewebeschlauches die sich zwischen den einzelnen Querkraftstegen ergebende Stützweite beliebig bestimmt werden. Während beispielsweise an einem Formteil bestimmter Sandwichhöhe bei Verwendung eines Glasfasergewebeschlauches bestimmten Durchmessers der Glasfasergewebeschlauch bei normaler Wicklung in der geschlossenen Form nach der Erhöhung des Innendruckes seiner elastischen Einlage einen etwa rechteckigen Querschnitt einnimmt, würde bei einer Vergrößerung der Sandwichhöhe des Formteils unter Beibehaltung aller übrigen Gegebenheiten der Querschnitt des Glasfasergewebeschlauches lediglich die Form eines abgeflachten Kreises einnehmen. Wird jedoch im vorbeschriebenen Fall die Anzahl der Glasfasergewebeschlauchwindungen durch Zusammenschieben pro Längeneinheit des Kerns entsprechend erhöht, so nimmt der Glasfasergewebeschlauch einen rechteckigen Querschnitt an.
Eine andere zweckmäßige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß die Wicklung des von dem Glasfasergewebeschlauch umgebenen Stützschlauches um den Kern mehrgängig erfolgt.
In diesem Fall werden nacheinander zwei Glasfasergewebeschläuche in schraubenförmigen Win- dungen um den Kern gewickelt, wobei die Ganghöhe der Windungen des ersten Schlauches so bemessen ist, daß die zwischen den einzelnen Schlauchwindungen entstehenden Lücken kleiner sind als der Durchmesser des Schlauches. Der zweite, nachfolgend auf Lücke gewickelte Schlauch wird beim Schließen der Form in die zwischen den Windungen des ersten Schlauches verbliebenen Lücken hineingepreßt. Durch dieses Wickelverfahren kann das seitliche Zusammenpressen der Schlauchwindungen entfallen.
Für besondere Formteile, insbesondere solche großer Sandwichhöhe, lassen sich entsprechend einem weiteren Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens auch mehrere übereinanderliegende Lagen von Schlauchwindungen auf den Kern aufbringen, wodurch, bezogen auf das Gewicht, gegenüber der Verwendung eines einzigen Glasfasergewebeschlauches entsprechenden Durchmessers eine größere Steifigkeit und höhere Beulfestigkeit des Formteils erreicht wird.
Schließlich stellt die Evakuierung der geschlossenen Form vor Beginn der Erhöhung des Innendruckes der elastischen Einlage des Glasfasergewebeschlauches einen weiteren zweckmäßigen Verfahrensschritt dar, durch den Lufteinschlüsse an den Verbindungsstellen der Glasfasergewebeschläuche vermieden werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist im folgenden an Hand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben. Es zeigt F i g. 1 einen in einer Formmulde nach der Erfindung aufgebauten und hergestellten Tragflügel in teilweise geschnittener perspektivischer Darstellung, F i g. 2 ebenfalls einen nach der Erfindung ausgebildeten Flügel, bei welchem einzelne Abschnitte in getrennten Arbeitsgängen hergestellt und mittels einer gemeinsamen Deckschale aneinandergefügt sind, F i g. 3 ein erfindungsgemäßes Formteil mit verhältnismäßig großer Stützweite der Querkraftstege in teilweise geschnittener perspektivischer Darstellung, F i g. 4 in einer ähnlichen Ansicht wie F i g. 3 ein erfindungsgemäßes Formteil, bei welchem die Stützweite der Querkraftstege verhältnismäßig gering ist, F i g. 5 ein erfindungsgemäßes Formteil, bei welchem die Querkraftstege aus mehreren übereinandergewickelten Glasfasergewebeschlauchlagen gebildet sind.
Das in F i g. 1 dargestellte Formteil ist ein Teilstück eines Tragflügels für ein Flugzeug. Auf einen Kern 1 ist ein mit Kunstharz getränktes Glasfaserlaminat 2 aufgebracht. Von diesem Glasfaserlaminat wird der Kern 1 vollständig umschlossen. Über dieses Glasfaserlaminat, welches die innere Deckschale des Formteils bildet, ist ein aus Glasfasergewebe bestehender und mit Kunstharz getränkter Schlauch 3 schraubenförmig gewickelt, der in seinem Inneren einen gasdichten Stützschlauch 7 enthält. Der mit dem Glasfasergewebeschlauch umwickelte Kern ruht in einer Form 4, in welche eine ebenfalls aus Glasfaserlaminat 5 bestehende äußere Deckschale eingelegt und mit Kunstharz getränkt ist. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Glasfasergewebeschlauch 3 durch den Stützschlauch 7 auf seinen vollen Durchmesser aufgebläht. Vor dem Schließen der aus einem Oberteil 4 a und einem Unterteil 4 b bestehenden Form wird der Innendruck des im Glasfasergewebeschlauch 3 angeordneten Stützschlauches 7 verringert.
Das in F i g. 2 gezeigte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich seinem Aufbau nach von dem in F i g. 1 gezeigten insbesondere dadurch, daß die von jeweils einem die innere Deckschale 2 a, 2 b, 2 c bildenden Glasfaserlaminat umgebenden Kerne 1 a, 1 b, 1 c einzeln mit einem Glasfasergewebeschlauch 3 umwickelt sind. Die umwickelten Kernel a, 1 b, 1 c werden, nachdem ihre Umwicklung mit dem Glasfasergewebeschlauch beendet ist, aneinandergefügt und von einer alle drei umwickelten Kerne umhüllenden Deckschale 5 umgeben. Zusätzlich sind bei dem Formteil nach F i g. 2 vor dem Aufbringen der Deckschale 5 aus in Längsrichtung des Flügels verlaufenden Rowings bestehende Zuggurte 17 auf die Schläuche 3 aufgelegt.
F i g. 3 zeigt ein Formteil, bestehend aus einer äußeren GFK-Gewebe-Deckschale 8, einer inneren GFI(-Gewebe-Deckschale 9 und einem zwischen den beiden Deckschalen angeordneten, aus Glasfaserschläuchen 10 bestehenden Stützelement. Die im Ausführungsbeispiel gezeigte rechteckige Querschnittsform mit flachliegenden Rechtecken der einzelnen Glasfaserschläuche ergibt sich bei der Herstellung eines Formteils dann, wenn eine zusätzliche Zusatz menpressung der einzelnden Schlauchwindungen quer zur Windungsrichtung nicht erfolgt. Demgegenüber ist in Fig. 4 die rechteckige Querschnittsform der Glasfaserschläuche 11 mit hohen Stegen und schmaler Grundfläche durch eine zusätzliche seitliche Zusammenpressung der Schlauchwindungen vor dem Einlegen des Kerns in die Formmulde erreicht.
Schließlich zeigt F i g. 5 ein erfindungsgemäßes Formteil, bei welchem zwischen einer äußeren Deckschale 12 und einer inneren Deckschale 13 zwei übereinanderliegende und auf Lücke gewickelte Schlauchlagen 14, 14 a angeordnet sind. Der sich hierbei ergebende Querschnitt der einzelnen Glasfaserschläuche nach dem Schließen der Form resultiert aus der versetzten Wicklung der oberen zur unteren Schlauchlage.

Claims

Patentansprüche: 1. Verfahren zum Herstellen eines Verbundbauteils, insbesondere von rohr- oder kastenförmigen Bauteilen, wie Tragflügel, Flugzeugrümpfe, hohlzylinderförmige Behälter, bei dem auf einen der inneren Form des Bauteils entsprechenden Kern und die äußere Kontur festlegende Formmulden ein mit Kunstharz getränktes Glasfaserlaminat aufgelegt wird, zwischen die so vorbereiteten Teile ein Leichtkern eingelegt wird, die Formteile zusammengebracht werden und das Kunstharz unter Druck und Wärme ausgehärtet wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Leichtkern ein mit einem kunstharzgetränkten Gl asfasergewebeschlauch umgebener, unter Innendruck stehender gasdichter Stützschlauch schraubenförmig dicht aneinanderliegend um den Kern gewickelt wird, daß nach Beendigung des Wickelvorganges der Innendruck des Stützschlauches verringert und nach dem Einlegen des Kerns in die Formmulden und Schließen derselben der Innendruck des Stützschlauches wieder erhöht und bis zum Aushärten des Kunstharzes aufrechterhalten wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die um den Kern gelegten Schlauchwindungen vor dem Einlegen des Kerns in die Formmulde quer zur Windungsrichtung zusammengepreßt werden.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung des von dem Glasfasergewebeschlauch umgebenden Stützschlauches um den Kern mehrgängig erfolgt.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere übereinanderliegende Lagen von Schlauchwindungen auf den Kern aufgebracht sind.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die geschlossene Form vor der Erhöhung des Innendrucks des Stützschlauches evakuiert wird.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 968 698; deutsche Auslegeschrift Nr. 1 193 666; österreichische Patentschrift Nr. 229 014; schweizerische Patentschrift Nr. 300 993; französische Patentschriften Nr. 1 216 393, 1354283.