DE19528664A1 - Tragkörper aus einem Verbundwerkstoff - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Tragkörper, wie einen aerodynamisch dünnen Quertriebskörper oder einen Tragflügel, der aus einem aus einem Verbundwerkstoff aus mit Fasermaterial durchsetztem ausgehärteten Kunstharz besteht und bei dem eine Außenhaut eine aus rohrförmigen Kammern bestehende Stütz- und Aussteifungsstruktur umschließt.

Tragkörper dieser Art sind allgemein bekannt, so beispielsweise durch die Deutsche Patentschrift 37 26 909 C2 und die US-Patentschrift 3 779 487. Von allgemeinem Interesse, vor allem hinsichtlich der Klebetechnik sind unter anderem noch die Schweiz. Patentschrift 362 521, die Deutsche Offenlegungsschriften 30 17 336 A1 und 33 09 768 A1 sowie die Deutsche Patentschrift 43 29 744 C1. Die vorbekannten Ausführungsformen, vor allem nach der Deutschen Patentschrift 37 26 909 und der US-Patentschrift 3 779 487 zeigen an sich bewährte Konstruktionen, bei denen innerhalb einer Außenhaut eine aus rohrförmigen Kammern bestehende Stütz- und Aussteifungsstruktur vorgesehen ist. Diese wird nach gesonderter Herstellung mit der Außenhaut starr, beispielsweise durch Nietung oder Verklebung, beispielsweise mittels einer Schaumschicht verbunden. Besonders deutlich zeigt dies die Fig. 9 der erwähnten US-Patentschrift. Das hat nicht nur, wie der Erfindung zugrunde liegende Untersuchungen zeigten einen relativ hohen Fertigungszeitaufwand zur Folge, sondern erhöht auch das auf den umschlossenen Raum normierte Gewicht des Tragkörpers. Vor allem bei einer Verklebung tritt ein weiteres Problem auf, sich vor allem im Modellflugzeugbau unerwünscht bemerkbar macht. Die für die Verfestigung des Fasermaterials verwendeten Kunstharze zeigen sich nach der Aushärtung gegen Klebstoffe inert, so daß sie für die Verklebung entweder aufgeraut oder chemisch angelöst werden müssen. Wie der Erfindung zugrunde liegende weitere Untersuchungen zeigten, erreichen solche Klebestellen aber in keinem Fall die gleiche Festigkeit wie das zu verbindende Material, so daß bei einer starken Beanspruchung ein Aufreißen der Klebestellen fast unvermeidbar ist. Bei einer Nietung wird hingegen nicht nur in der Regel das erwähnte normierte Gewicht erhöht, sondern es können auch örtlich konzentrierte Spitzen der an der Verbindungsstelle zum Beispiel bei einer Biegebeanspruchung angreifenden Kräfte entstehen, die der Beanspruchbarkeit eine Grenze setzen.

Nach der Erfindung wird bei einem Tragkörper der einleitend erläuterten Art zum einen das erwähnte normierte Gewicht sehr niedrig gehalten und zum anderen den Festigkeitsproblemen begegnet, und zwar dadurch, daß die Außenhaut und die Wände der Kammern der Stütz- und Aussteifungsstruktur aus einem Verbundwerkstoff bestehen, dessen Kunstharz in einem gemeinsamen Arbeitsgang ausgehärtet ist. Dabei ist es von Vorteil, wenn das Fasermaterial der Kammerwände aus einem Flechtschlauch und das Fasermaterial der Außenhaut aus mehreren Flachgewebeschichten besteht, deren Faserrichtungen sich kreuzen.

Ein vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Tragkörpers besteht darin, daß auf wenigstens zwei im Querschnitt aufweitbare Formkörper mit der Querschnittsform einer Kammer jeweils ein in der Querschnittsebene des Formkörpers dehnbarer Faserwerkstoff aufgebracht und mit dem Kunstharz getränkt wird, daß in eine Außenhautform der Faserwerkstoff der Außenhaut eingelegt und mit dem Kunstharz getränkt wird, daß die mit dem kunstharzgetränkten Faserwerkstoff umschlossene Formkörper in die Außenhautform eingelegt und mit der restlichen Außenhaut überdeckt werden, daß nach Schließung der Außenhautform eine derart starke Querschnittsaufweitung des Formkörpers vorgenommen wird, daß der Faserwerkstoff auf den aufweitbaren Formkörpern gegen den Faserwerkstoff der Außenhaut gedrückt und das Kunstharz beider Faserwerkstoffe in eine gemeinsame Kunstharztränkung übergeht, und daß anschließend die Aushärtung des gesamten Verbundwerkstoffes erfolgt. Dabei können die Formkörper aus Metallformteilen bestehen, die so ausgebildet sind, daß die von ihnen umschlossene Querschnittsfläche aufweitbar ist. Die Formteile sind dann nach dem Aushärten und Bewegung in ihre Ursprungslage leicht aus den Kammern durch Herausziehen entfernbar.

Ein weiteres vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Tragkörpers besteht darin, daß Formkörper vorgesehen sind, deren Querschnittsfläche in allen Richtungen etwas geringer als die Querschnittsfläche der Kammern ist, daß auf den einzelnen Formkörper ein, aus mit dem Kunstharz nicht abbindendem Material wie PVC bestehender dehnbarer Schlauch aufgezogen wird, daß auf diesen Schlauch der Faserwerkstoff der Kammerwand aufgebracht und mit Kunstharz getränkt wird, daß die so vorbereiteten Formkörper in die mit dem Kunstharz getränkten Fasermaterial versehene Außenhautform eingelegt und nach dem Schließen der Außenhautform die einzelnen Schläuche durch Einblasen eines Gases oder durch Einpressen einer Flüssigkeit im Querschnitt so stark aufgeweitet werden, daß sich die Kunstharztränkungen von Außenhaut und Kammern zu einer einheitlichen Kunstharztränkung vereinigen. Nach dem Aushärten können dann, durch Rückführung des Überdrucks in den Schläuchen, die Formkörper einschließlich der sie umschließenden Schläuche entfernt werden, wenn dies beispielsweise aus Gründen des erwähnten normierten Gewichts tunlich ist.

Nachstehend wird die Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:

die Fig. 1 eine Aufsicht eines erfindungsgemäßen Tragflügels,

die Fig. 2 einen Tragflügelabschnitt in Schrägansicht, der noch im Unterteil einer Außenhautform liegt,

die Fig. 3 die Anordnung von Formteilen in einer zweiteiligen Außenhautforn,

die Fig. 4 ein Formteil mit dem entsprechenden Überzug,

die Fig. 5 einen Schnitt der Übergangsstelle von einer Kammerquerwand in die Innenfläche der zugehörigen Außenhaut,

die Fig. 6 eine andere Ausführung dieser Übergangsstelle, und

die Fig. 7 einen Querschnitt durch eine andere Form zur Kammerbildung, die für einen anderen Verfahrensablauf dient.

Wie schon aus der Einleitung ersichtlich, ist die Erfindung vor allem für Tragflügel, vor allem von Modellflugzeugen von Interesse. Gerade bei Modellflugzeugen kommt es ganz besonders auf eine Belastbarkeit hinsichtlich der auftretenden Biege- und Torsionskräfte, bei möglichst geringem normierten Gewicht an. Bei dem gezeigten Tragflügel ist das Seitenverhältnis von Tragflügellänge zu Tragflügeltiefe relativ groß, zum Beispiel 10 zu 1. Der Tragflügel besteht - vergleiche Fig. 2 - aus einer Außenhaut 3. Der von der Außenhaut 3 umschlossene Raum ist durch in Längsrichtung des Tragflügels verlaufende Querwände 1 in Kammern unterteilt. Aus Gründen der Vereinfachung der nachfolgenden Beschreibung ist der Tragflügel zusammen mit der Außenhautform 2, 2′ dargestellt.

Die Querwände 1 bestehen ebenso wie die Außenhaut 3 aus einem Faserverbundwerkstoff aus Fasermaterial, das in an sich bekannter Weise durch ein ausgehärtetes Kunstharz zu einem formstabilen Gebilde versteift ist. Erfindungswesentlich ist, daß das Kunstharz der Querwände 1 und der Außenhaut 3 eine zusammenhängende, gemeinsame Kunstharzschicht bilden.

Die Herstellung eines erfindungsgemäßen Tragkörpers, insbesondere eines Tragflügels läßt sich vor allem nach zwei erfindungsgemäßen Verfahren besonders einfach und vorteilhaft durchführen.

Bei dem einen Verfahren wird, - vergleiche die Fig. 2 und 4 -, zunächst eine Anzahl von, beispielsweise fünf Formkörpern 5 hergestellt, die in ihrer Gesamtheit wenigstens nahezu dem Querschnittsprofil des Tragflügels entsprechen, jedoch die Querschnittsfläche nicht ganz ausfüllen. Diese Formkörper sind im übrigen mehrfach verwendbar. Das ist von Vorteil, wenn mehrere gleiche Tragflügel herzustellen sind. Das Material der Formkörper 5 kann ein Werkstoff ohne große mechanische Festigkeit, wie Styropor oder ein Kunstharzschaumstoff sein, da die Formkörper bei der Herstellung des einzelnen Tragflügels mechanisch nur geringfügig beansprucht werden.

Wie der Fig. 4 zu entnehmen, wird auf den einzelnen Formkörper 5 zunächst ein Schlauch 6 aus einem mit dem später aufzubringenden Kunstharz nicht verklebenden Kunstsatoff wie PE aufgezogen, der lose den Formkörper 5 umschließt.

Auf den so vorbereiteten Formkörper 5, 6 wird dann ein schlauchförmiges Geflecht 7 aus dem erwähnten Fasermaterial gezogen. Stattdessen ist es auch möglich, ein flächiges Fasermaterialband sozusagen spiralförmig aufzuwickeln und wenigstens eine weitere Schicht auf Fasermaterialband gegensinnig darüber zu wickeln. Wichtig ist nur, daß diese Umhüllung mit Fasermaterial in Richtung der Querschnittsebene des Formkörpers 5 elastisch, also dehnbar ist. Vorteilhaft ist, wenn das schlauchförmige Geflecht - so wie gezeigt - ein Diagonalgeflecht ist, das von Natur aus eine hohe Dehnbarkeit in der Querschnittsebene hat. Als Fasermaterial kann in an sich bekannter Weise Glasfaser-, Kohlefaser- oder eines der bekannten Mischmaterialien verwendet werden, wie es zum Beispiel in der erwähnten Deutschen Patentschrift 43 29 744 C1 angegeben ist.

Nach dem Aufbringen des schlauchförmigen Geflechts 7 wird dieses mit einem aushärtbaren Kunstharz getränkt, wie es beispielsweise an sich durch die bereits erwähnte Schweiz. Patentschrift 362 521 bekannt ist.

Zur Herstellung der Außenhaut 3 des Tragflügels wird in das Unterteil 2 der zweiteiligen Außenhautform das Fasermaterial für die Außenhaut 3, vorzugsweise in mehreren, hinsichtlich der Faserrichtung sich kreuzenden Schichten 4 eingelegt und ebenfalls mit dem aushärtbaren Kunstharz getränkt.

Dann werden die mit dem kunstharzgetränkten Fasermaterial vorbereiteten Formkörper 5 in das Unterteil 2 eingelegt und mit dem oberen Teil der Außenhaut 3 belegt. Die Faserschichten 4 werden entweder vorher oder nach dem Belegen exakt so beschnitten, daß sie genau an der Flügelnase a beziehungsweise der sogenannten Endleiste b des Tragflügels enden. Anschließend wird das Oberteil 2′ der Außenhautform 2, 2′ aufgelegt. Die Formteile 2, 2′ werden dann zusammengepreßt, beispielsweise mittels - in der Zeichnung aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellten - Spannzwingen. Diese Pressung bleibt zweckmäßig bis zur späteren endgültigen Aushärtung des Kunstharzes.

Die Formkörper 5 nehmen entsprechend dem Verlauf des Querschnittsprofils des Tragflügels - vergleiche Fig. 1 - von der Flügelwurzel zur Flügelspitze hin im Querschnitt ab. Die Schläuche 6 sind an ihrem der Flügelspitze benachbarten Ende verschlossen.

Nach dem Schließen der Form 2, 2′ wird in die Schläuche 6 an dem der Flügelwurzel benachbarten Ende Druckluft eingeblasen, um in den Schläuchen 6 einen Überdruck zu erzeugen. Zweckmäßig werden zur Erleichterung der Abtrennung des Druckluftgebläses nach der Füllung der Schläuche 6, diesen Absperrventile zugeordnet, die nach der Füllung geschlossen und später, nach der Aushärtung des Kunstharzes wieder geöffnet werden können. Anstelle von Druckluft ist auch eine Hydraulik-Flüssigkeit einpreßbar, die dem gleichen Zweck der Aufweitung der Schläuche 6 dient.

Der Überdruck kann sehr gering gehalten werden, zum Beispiel zwischen 0,1 bis 0,5 bar. Dieser geringe Druck reicht in der Regel gut aus zur Aufweitung der Schläuche 6. Mit dem Aufweiten der Schläuche 6 wird zum einen das mit Kunstharz getränkte Fasermaterial 7 auf den Formkörpern 5 gegen das mit Kunstharz getränkte Fasermaterial 4 der Innenseite der Außenhaut 3 gepreßt. Zum anderen werden die benachbarten Flächen des mit Kunstharz getränkten Fasermaterials 7 aneinander grenzender Formteile aneinander gepreßt. Dadurch gehen die Schichten aus aushärtbarem Kunstharz, die der Außenhaut 3 und den Formkörpern 5 zugeordnet sind, in eine einheitliche Schicht aus aushärtbarem Kunstharz über.

Die zweiteilige Form 2, 2′ bleibt für die Zeit der Aushärtung des Kunstharzes geschlossen, und zwar unter Aufrechterhaltung des Überdrucks in den Schläuchen 6. Das Aushärten beginnt in an sich bekannter Weise zunächst mit einem mehrstündigem Abbindevorgang bei Raumtemperatur. Zweckmäßig folgt dann eine Nachhärtung bei erhöhter Temperatur. Diese Abbinde- und Nachhärtungsprozeduren sind allgemein bekannt und werden in der Regel schon von den Kunstharzherstellern festgelegt und mitgeteilt.

An sich könnten die Formkörper 5 einschließlich der Schläuche 6 nach der Beendigung der Aushärtung in dem Tragflügel verbleiben. Da man diese Teile aber einer Wiederverwendung zuführen kann und auch aus Gründen eines geringen normierten Gewichts, ist es aber meist vorteilhafter, den Überdruck aus den Schläuchen 6 abzulassen und die Schläuche 6 zusammen mit den Formteilen 5 aus den durch die Querwände 1 und die Innenfläche der Außenhaut 3 gebildeten Kammern herauszuziehen. Aufgrund des zu Flügelspitze hin abnehmenden Querschnitts der Kammern ist dies in der Regel ohne Schwierigkeiten möglich.

Um unerwünschte Verklebungen zwischen den Formteilen 2, 2′ der Außenhautform und der Außenhaut 3 zu vermeiden, können die hierfür bekannten Maßnahmen, zum Beispiel cremeartige Trennmittel eingesetzt werden. Das gilt auch für die Außenfläche der Schläuche 6 und dem darauf befindlichen, mit Kunstharz getränkten Faserwerkstoff.

Wie aus den Fig. 2 und 3 erkennbar, gehen die Querwände 1 der einzelnen Kammern in die Innenfläche der Außenhaut 3 und die parallel zu der Innenfläche der Außenhaut 3 verlaufenden Abschnitte der Kammern, beziehungsweise des Faserwerkstoffes 7 in eine homogene Bindung ein. Sie bilden über das ausgehärtete Kunstharz mit der Außenhaut eine homogene Einheit. Das führt zu einer erheblichen Festigkeitserhöhung. Besonders vorteilhaft ist dies im Bereich der Flügelnase, weil dort wegen des so gewährleisteten Faserverbunds eine hohe mechanische Beanspruchbarkeit sichergestellt wird.

Da das Fasergeflecht 7 beim Aufweitungsvorgang etwas räumliches Spiel hat, besteht die Möglichkeit den Übergang vom einzelnen Quersteg in die Innenfläche in gewissen Grenzen verschieden zu gestalten. Wählt man nämlich den Überdruck im einzelnen Schlauch 6 relativ hoch, so ist - wie in der Fig. 5 gezeigt - ein fast rundungsfreier Übergang erreichbar. Wählt man den Überdruck wesentlich geringer, so entsteht - wie in der Fig. 6 gezeigt - eine kleine, etwa dreieckförmigen Querschnitt aufweisende, zu den eigentlichen Kammern parallel verlaufende Kammer 8, die sozusagen als zusätzliches Aussteifungsprofil dienen kann. Es beruht dies darauf, daß die beim Einlegen der Formteile 5 in die Außenhautform 2, 2′ vorhandene Luft bei nur geringem Überdruck an den gezeigten Stellen verbleibt und dort zusammengepreßt wird.

Ein weiteres vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Tragkörpers, beispielsweise eines Tragflügels vermeidet das Aufblasen der dehnbaren Schläuche 6. Es wird nachstehend anhand der Fig. 7 erläutert. Hierbei finden für die Bildung der einzelnen Kammern im Querschnitt aufweitbare Dorne, vor allem aus Metall Anwendung.

Der einzelne Dorn besteht aus mehreren ineinander gleitfähig gelagerten Formteilen. Beim Ausführungsbeispiel nach der Fig. 7 sind vier solche Formteile 9, 10, 11 und 12 vorgesehen. Ihre Anzahl richtet sich im wesentlichen nach dem geforderten Kammerprofil. Zwischen den Innenflächen gegenüberliegender Formteile, so zum Beispiel zwischen den Formteilen 9 und 11 und zwischen den Formteilen 10 und 12 greift jeweils eine mechanische, hydraulisch gesteuerte Druckvorrichtung 13, 14 an. Die Formteile 9 bis 12 werden mit dem Faserwerkstoff - wie bei erstgeschilderten Verfahren - überzogen, der dann mit dem aushärtbaren Kunstharz getränkt wird. Die so vorbereiteten Formteile werden dann in die hinsichtlich der späteren Außenhaut 3 vorbereitete Form 2, 2′ eingelegt und nach dem Schließen der Formteile 2, 2′ mittels der Pressen 13, 14 so stark aufgeweitet, das sie die mit dem aushärtbaren Kunstharz getränkten Faserschichten 4 der Außenhaut und die ebenso getränkten Faserschichten 7 aneinander pressen und so eine homogene Tränkung des gesamten Faserwerkstoffs herbeiführen. Zur Vermeidung eines gegenseitigen Verklebens der Formteile 9 bis 12 können die bereits erwähnten, bekannten Maßnahmen Anwendung finden.

Dieses zweite Verfahren ermöglicht eine besonders exakte Herstellung von Tragkörpern, und zwar sowohl hinsichtlich der Abmessungen als der exakten Übereinstimmung auch bei einer größeren Anzahl gleicher Tragkörper.

Bei den vorstehend behandelten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Tragkörpers sind die Querstege beziehungsweise Kammerwände weitgehend orthogonal zur Außenhaut und untereinander parallel verlaufend. Durch eine entsprechende Formgebung der Formkörper 5 beziehungsweise der Formteile 9 bis 12 lassen sich die Querschnitte der einzelnen Kammern weitgehend frei wählen, so zum Beispiel mäanderförmig, wie es unter anderem die vorstehend erwähnte Deutsche Patentschrift 37 26 909 C2 zeigt.

Claims (6)

1. Tragkörper, insbesondere aerodynamisch dünner Quertriebskörper, wie ein Tragflügel, bestehend aus einem Verbundwerkstoff aus mit Fasermaterial durchsetztem ausgehärteten Kunstharz, bei dem eine Außenhaut eine, aus rohrförmigen Kammern bestehende, Stütz- und Aussteifungsstruktur umschließt, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenhaut und die Wände der Kammern der Stütz- und Aussteifungsstruktur aus einem Verbundwerkstoff bestehen, dessen Kunstharz in einem gemeinsamen Arbeitsgang ausgehärtet ist.

2. Tragkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Fasermaterial der Kammerwände aus einem Flechtschlauch und das Fasermaterial der Außenhaut aus mehreren Flachgewebeschichten besteht, deren Faserrichtungen sich kreuzen.

3. Verfahren zur Herstellung eines Tragkörpers nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf wenigstens zwei, im Querschnitt aufweitbare Formkörper mit der Querschnittsform einer Kammer jeweils ein in der Querschnittsebene des Formkörpers dehnbarer Faserwerkstoff aufgebracht und mit dem Kunstharz getränkt wird, daß in eine Außenhautform der Faserwerkstoff der Außenhaut eingelegt und mit dem Kunstharz getränkt wird, daß die mit dem kunstharzgetränkten Faserwerkstoff umschlossene Formkörper in die Außenhaut eingelegt und mit der restlichen Außenhaut überdeckt werden, daß nach Schließung der Außenhautform eine derart starke Querschnittsaufweitung der Formkörper vorgenommen wird, daß der Faserwerkstoff auf den aufweitbaren Formkörpern gegen den Faserwerkstoff der Außenhaut gedrückt und das Kunstharz beider Faserwerkstoffe in eine gemeinsame Kunstharztränkung übergeht und daß anschließend die Aushärtung des gesamten Verbundwerkstoffes erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Formkörper aus vorzugsweise metallischen Formteilen bestehen, die so ausgebildet und angeordnet sind, daß die von ihnen umschlossene Querschnittsfläche aufweitbar ist.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß Formkörper vorgesehen sind, deren Querschnittsfläche in allen Richtungen etwas geringer als die Querschnittsfläche der Kammern ist, daß auf den einzelnen Formkörper ein, aus mit dem Kunstharz nicht abbindendem Material wie PVC bestehender dehnbarer Schlauch aufgezogen wird, daß auf diesen Schlauch der Faserwerkstoff der Kammerwand aufgebracht und mit Kunstharz getränkt wird, daß die so vorbereiteten Formkörper in die mit dem Kunstharz getränkten Fasermaterial versehene Außenhautform eingelegt und nach dem Schließen der Außenhautform die einzelnen Schläuche durch Einblasen eines Gases oder durch Einpressen einer Flüssigkeit im Querschnitt so stark aufgeweitet werden, daß sich die Kunstharztränkungen von Außenhaut und Kammern zu einer einheitlichen Kunstharztränkung vereinigen.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Aushärten die Formkörper, gegebenenfalls einschließlich der sie umschließenden Schläuche aus den Kammern entfernt werden.