DE19734803C1 - Faserverbundwerkstoff, aus einem Faserverbundwerkstoff hergestelltes Verbindungselement und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents
Faserverbundwerkstoff, aus einem Faserverbundwerkstoff hergestelltes Verbindungselement und Verfahren zu seiner HerstellungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Faserverbundwerkstoff
bestehend aus mindestens zwei Laminatschichten und
mindestens einer zwischen den Laminatschichten
angeordneten Zwischenschicht, ein aus
Faserverbundwerkstoff hergestelltes Verbindungselement
und ein Verfahren zur Herstellung eines
Faserverbundwerkstoffes.
Bei im Leichtbau eingesetzten, an einem Auflager
befestigten schalen- oder plattenförmigen Elementen aus
Faserverbundwerkstoffen besteht häufig das Problem, die
mechanisch oder thermisch induzierten Spannungen in den
Auflagern so aufzunehmen, daß keine Überlastung entsteht.
Dies betrifft vor allem Konstruktionen, bei denen der
tragende Unterbau für die Faserverbundwerkstoff-Elemente
dehnungssteifer ist als das Faserverbundwerkstoff-
Formteil selbst oder eine sehr viel geringere bzw.
größere Wärmedehnung aufweist. Beispiele für derartige
Verbindungen sind Abdeckungen von Betonbecken aus
glasfaserverstärkten Kunststoffen (GFK), Verkleidungen
aus Faserverbundwerkstoff für Schienenfahrzeuge mit einem
tragenden Gerüst aus Aluminium oder auch
Leichtbaukonstruktionen im modernen Schiffs- und Groß-
Yachtbau.
Vergleichbare Probleme bestehen bei der Entkopplung von
Schwingungen und Vibrationen sowie der Behinderung der
Körperschallweiterleitung in Faserverbundwerkstoff-
Konstruktionen.
Zur Lösung der voranstehend erläuterten Probleme ist
vorgeschlagen worden, eine nachgiebige, elastische
Verbindung zwischen dem Unterbau und dem
Faserverbundwerkstoff-Teil vorzusehen. Zu diesem Zweck
kann die Verbindung entweder rein elastisch ausgebildet
sein oder in Form eines Schiebesitzes ohne
Rückstellkräfte. Es sind mehrere Möglichkeiten bekannt,
um die Fügestelle zwischen einem Faserverbundwerkstoff-
Bauteil und einem im Vergleich dazu starren Unterbau bzw.
Fundament verschiebbar oder elastisch verschiebbar
auszuführen.
Eine erste bekannte Art einer verschiebbaren Lagerung von
Faserverbundwerkstoff-Bauteilen ist die aus der Baustatik
bekannte "Fest-Los-Lagerung", wobei die "lose"
Lagerungsstelle durch in das Faserverbundwerkstoff-
Bauteil eingeklebte metallische Langlochhülsen realisiert
wird. In der Langlochhülse gleitet ein Zylinderstift mit
einer für den Anwendungsfall geeigneten Passung. Die
Langlochhülsen sind für die Einleitung der Kräfte in das
Faserverbundwerkstoff-Bauteil erforderlich, da der
Faserverbundwerkstoff an der Stirnfläche der Bohrung
selbst eine zu geringe Lochleibungsfestigkeit aufweist.
Senkrecht zur Schiebeebene wird das
Faserverbundwerkstoff-Bauteil zwischen dem Schiebesitz
und einer auf den Zylinderstift aufgeschraubten
Gewindemutter mit U-Scheibe geführt.
Nachteilig an dieser Art der Lagerung ist der hohe
Fertigungsaufwand für die Herstellung und das Einkleben
der Langlochhülsen, da diese zueinander genau parallel
ausgerichtet sein müssen. Außerdem besteht nur ein
Freiheitsgrad der Bewegung in der Schiebeebene. Aus
Kostengründen wurden diese Lagerungen bisher nur selten
eingesetzt, beispielsweise im Marine-U-Bootbau.
Aus der Montagetechnik im Bauwesen ist es darüber hinaus
bekannt, Gewölbeschalen und Platten aus GFK zur Abdeckung
von Betonbecken auf die Mauerkrone des Beckens
aufzudübeln. Die Betondübel ragen in Gestalt eines
Stehgewindebolzens aus dem Beton heraus. Die GFK-Schalen
werden an den Dübelpositionen mit übergroßen Löchern
versehen, die dem Stehbolzen mindestens den Weg der zu
erwartenden Wärmedehnung bzw. den durch Lastaufbringung
verursachten Verschiebeweg frei lassen. Die Befestigung
der Glasfaserkunststoff-Schalen erfolgt dabei durch
Muttern mit übergroßen Unterlegscheiben, die einseitig
mit einer ca. 2-3 mm dicken Gummischeibe versehen sind.
Nachteilig bei dieser bekannten Fügemethode ist der sehr
kurze Verschiebeweg. Bei einem medienbeständigen und
vollelastischen Gummiwerkstoff beträgt der mögliche
Verschiebeweg nur ein Bruchteil der Dicke der
Gummischeibe. Soll eine dauerhaft gegen Lösen gesicherte
Verbindung realisiert werden, muß die Mutter fest
angezogen werden. Die elastische Gummischeibe wird dabei
zusammengedrückt, wodurch der elastisch aufgenommene
Schubweg im Gummi weiter verringert wird.
Im modernen Schiffbau, speziell bei Kreuzfahrtschiffen
und bei Schnellfähren, werden Deckaufbauten und
Verkleidungspanels aus Faserverbundwerkstoff verwendet.
Die Anbindungen der Faserverbundwerkstoff-Teile an den
Schiffskörper oder an die Deckaufbauten aus Metall müssen
dabei so gestaltet sein, daß einerseits durch Windlasten
verursachte Verformungen und Schwingungen in den
Fügestellen sicher aufgenommen werden, andererseits
Wärmedehnungen sowie Vibrationen durch den Schiffsantrieb
kompensiert werden.
Als ein geeigneter Klebstoff für hochbelastete
Klebeverbindungen wird seit einigen Jahren
einkomponentiges Polyurethan (PUR) eingesetzt. Die
Verklebung der Fügepartner erfolgt mit derartigem
Klebstoff vor Ort, im Schiffsbau also auf der Werft. Vor
der Verklebung müssen die Fügeflächen präpariert werden.
Bei einer GFK-Aluminiumverbindung beispielsweise wird die
GFK-Fläche angeschliffen, entstaubt, mit einem speziellen
Reinigungsmittel gesäubert und mit einem Primer
beschichtet. Auch die Aluminiumoberfläche wird
entsprechend vorbehandelt. Anschließend erfolgt der
Auftrag des PUR-Klebstoffs und der Fügevorgang.
Nachteilig bei diesem Fügeverfahren ist zum einen der
hohe Aufwand für die Behandlung der Fügeflächen und die
Zeitspanne von mehreren Stunden, die beispielsweise
zwischen Primer- und Klebstoffauftrag eingehalten werden
muß. Die Einhaltung einer Klebefuge konstanter Dicke ist
zudem nur mit Hilfsmitteln wie Abstandshaltern oder
Lehren zu gewährleisten und verursacht bei großen
Faserverbundwerkstoff-Teilen mit mehreren Fügepunkten
großen Aufwand. Die mechanische Festigkeit der
Klebeverbindung hängt entscheidend von dieser
Maßhaltigkeit ab, da unterschiedliche Dicken zu
Spannungsspitzen in der Klebefuge führen. Unter Belastung
sind diese Orte besonders anfällig für den Beginn des
Abschälens des Klebstoffs von einer Kontaktfläche oder
das Einreißen des Elastomers selbst.
Ein weiterer Nachteil ist die Fixierungsdauer der
Verklebung. Abhängig von der Dicke und Breite der Fuge
darf die Fügestelle erst nach zwei bis 10 Tagen
nennenswert belastet werden. Ursächlich für die lange
Härtezeit des PUR-Klebers ist die zur Vernetzungsreaktion
erforderliche Diffusion von Wasserdampf in den PUR-
Elastomer, die mit beginnender Aushärtung an den Rändern
des PUR noch behindert wird. Im Laborversuch des
Herstellers ermittelte Endfestigkeiten werden bei
größeren Flächen erst nach über einem Monat erreicht.
Eigene Versuche haben dies bestätigt.
Wird die Verklebung im Freien durchgeführt, besteht ein
weiterer gravierender Nachteil durch den Einfluß der
Witterungsbedingungen auf die Qualität der Verklebung.
Speziell bei PUR-Verklebungen hängt die Endfestigkeit in
der Klebefuge entscheidend von der Luftfeuchtigkeit, der
Temperatur und dem Oberflächenzustand der Klebeflächen
ab. Regen- oder Tautropfen sowie Staub müssen während der
gesamten Flächenvorbehandlung und während des
Fügevorgangs ferngehalten werden. Bei Verklebungen im
Freien sind daher gleichförmig hohe Kennwerte der
Verklebung nur mit hohem Aufwand zu realisieren.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen
Faserverbundwerkstoff zu schaffen, welcher in der Lage
ist, auch große Schubbelastungen ohne die Gefahr eines
Auftrennens seiner Bestandteile aufzunehmen. Darüber
hinaus ist ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen
Faserverbundwerkstoffs anzugeben. Schließlich ist ein
Verbindungselement zu nennen, welches eine dauerhaft
elastische Verbindung zweier Bauelemente ermöglicht und
gleichzeitig große Relativbewegungen der verbundenen
Bauelemente aufzunehmen vermag.
Bezüglich des Werkstoffs wird diese Aufgabe durch einen
Faserverbundwerkstoff gelöst, welcher aus mindestens zwei
Laminatschichten und mindestens einer zwischen den
Laminatschichten angeordneten Zwischenschicht besteht,
welche aus zwei Gewebelagen, von denen jeweils eine einer
der Laminatschichten zugeordnet ist, und einem zwischen
den Gewebelagen angeordneten und mit den Gewebelagen
verbundenen Elastomer gebildet ist, wobei von der
Gewebelage ausgehende Fäden in das Elastomer reichen.
Bei dem erfindungsgemäßen Werkstoff sind, anders als bei
bekannten, unter Verwendung von Elastomeren hergestellten
Klebeverbindungen, die Laminatschichten nicht unmittelbar
mit dem Elastomer benetzt. Statt dessen ist die die
Klebeverbindung der Laminatschichten bildende
Elastomerschicht über jeweils eine auf jede
Laminatschicht auflaminierte Gewebelage mit den
Laminatschichten verbunden. Auf diese Weise wird ein
inniger Verbund von Laminatschicht, Gewebelage und
Elastomer gebildet. Diese innige Verbindung wird dadurch
unterstützt, daß von den Gewebelagen ausgehende Fäden in
das Elastomer reichen. Diese Gewebefäden sorgen für eine
zusätzliche Verklammerung von Elastomer und Gewebelage.
Auf diese Weise ist sichergestellt, daß der Elastomer
auch unter großer Schubbelastung nicht von den
Laminatschichten abschält. Gleichzeitig kann durch eine
entsprechende Auslegung der Dicke der Zwischenschicht die
Elastizität des erfindungsgemäßen Werkstoffs und dessen
Vermögen eingestellt werden, Relativbewegungen
aufzunehmen.
Eine insbesondere bei wechselnden Belastungen gleicher
Stärke bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Werkstoffs ist dadurch gekennzeichnet, daß die Fäden im
wesentlichen rechtwinklig von der sie tragenden
Gewebelage abstehen.
Vorteilhaft ist es auch, wenn die Fäden in regelmäßigen
Abständen angeordnet sind und wenn jeder Faden der einen
Gewebelage in einen zwischen zwei benachbarten Fäden der
anderen Lage gebildeten Zwischenraum weist. Ein derart
ausgebildeter Faserverbundwerkstoff weist eine besonders
hohe Scherfestigkeit auf.
Eine weitere Verbesserung des Zusammenhalts von Elastomer
und Laminatschicht kann dadurch erzielt werden, daß
mindestens zwei Fäden von jeweils einem Knotenpunkt der
jeweiligen Gewebelage ausgehen. In diesem Fall sind in
jedem Knotenpunkt der Gewebelage die Fäden nach Art der
Borsten einer Bürste angeordnet. Die so angeordneten
Fäden gewährleisten aufgrund ihrer Vielzahl, ihres
fächerartigen Eingreifens in den Elastomer eine besonders
sichere Verbindung zwischen dem Elastomer und der
Gewebeschicht.
Vorzugsweise wird als Elastomer ein PUR-Elastomer
eingesetzt. Derartige Polyurethan-Kleber haben sich, wie
oben erwähnt, in der Praxis bei der Herstellung von
Klebeverbindungen zwischen GFK-Bauteilen bewährt.
Bezüglich des Verbindungselements wird die voranstehend
genannte Aufgabe dadurch gelöst, daß ein solches
Verbindungselement aus einem erfindungsgemäßen
Faserverbundwerkstoff hergestellt ist. Wie erläutert, ist
der erfindungsgemäße Faserverbundwerkstoff aufgrund
dessen, daß die Laminatschichten nicht unmittelbar,
sondern über eine Fäden tragende Gewebeschicht mit dem
Elastomer verbunden sind, in der Lage, große
Relativbewegungen zwischen den Laminatschichten
aufzunehmen. Diese Eigenschaft ermöglicht es, mit dem
erfindungsgemäßen Verbindungselement Bauteile mit anderen
relativ zu dem ersten Bauteil sich bewegenden
Bauelementen zu verbinden. Besonders geeignet ist das
erfindungsgemäße Verbindungselement zur Verbindung von
aus GFK oder anderen Faserverbundwerkstoffen
hergestellten flächigen Bauelementen mit einem Baukörper,
der aus anderen, andere Werkstoffeigenschaften, wie
Ausdehnungsverhalten, Festigkeit etc., aufweisenden
Baustoffen gefertigt ist.
Da das erfindungsgemäße Verbindungselement selbst in der
Lage ist, große Verschiebewege der angeschlossenen
Bauteile aufzunehmen, kann der Anschluß des
Verbindungselements an die Bauteile auf einfache Weise
beispielsweise mittels einer Klebung erfolgen, ohne daß
die Gefahr eines Abscherens im Bereich der Klebefuge
besteht.
Für eine Befestigung, die besonders hohen Belastungen
ausgesetzt ist, oder für den Fall, daß die für das Kleben
benötigte Zeit nicht zur Verfügung steht, kann es günstig
sein, in den Laminatschichten Öffnungen vorzusehen,
welche zur Aufnahme jeweils einer Befestigungsniete
bestimmt sind. Alternativ oder ergänzend können die
Laminatschichten auch Öffnungen aufweisen, welche zur
Aufnahme jeweils einer Befestigungsschraube bestimmt
sind.
Eine übermäßige Beeinträchtigung der Elastizität der
Elastomerschicht und der Festigkeit der Laminatschicht
durch die Öffnungen kann dadurch vermieden werden, daß
die Öffnungen der einen Laminatschicht versetzt gegenüber
den Öffnungen der anderen Laminatschicht angeordnet sind.
Um auch unter besonders ungünstigen Bedingungen einen
Anschluß von Bauelementen über das erfindungsgemäße
Verbindungselement zu ermöglichen, kann an mindestens
eine der Laminatschichten seitlich ein Laschenabschnitt
angeformt sein. Dabei kann eine besondere Festigkeit
dieses Abschnitts dadurch erreicht werden, daß der
Laschenabschnitt durch eine zusätzliche Laminatschicht
verstärkt ist.
Soll das erfindungsgemäße Verbindungselement besonders
große Verschiebewege bewältigen können, so kann dies auf
einfache Weise dadurch bewerkstelligt werden, daß eine
Mehrzahl von Zwischenschichten zwischen seinen
Laminatschichten angeordnet ist.
Bezüglich des Verfahrens zur Herstellung eines
erfindungsgemäßen Verbindungselements wird die oben
genannte Aufgabe dadurch gelöst, daß in einem ersten
Arbeitsschritt ein erstes Verbundelement aus einer
Laminatschicht und einer auf die Laminatschicht
auf laminierten, Fäden tragenden Gewebelage, gebildet
wird, indem auf die erste Laminatschicht ein Gewebe
auflaminiert wird, welches sich bei einer Benetzung mit
einem Harz aufrichtet und eine dreidimensionale Struktur
mit zwei parallel zu der Laminatschicht angeordneten
Gewebelagen und zwischen den Gewebe lagen positionierten
und diese auf Abstand haltenden Fäden bildet, indem nach
dem Anhärten des Gewebes auf die von der ersten
Laminatschicht abgewandte Gewebelage eine zweite
Laminatschicht auflaminiert wird, und indem anschließend
eine der Gewebelagen von der anderen in einer parallel zu
den Laminatschichten ausgerichteten Ebene derart
abgetrennt wird, daß mindestens die von einer Gewebelage
getragenen Fäden eine bestimmte Länge aufweisen.
Anschließend wird in entsprechender Weise ein zweites
Verbundelement hergestellt. Zuletzt werden die beiden
Verbundelemente parallel zueinander ausgerichtet und
mittels eines Elastomers miteinander verbunden, welcher
auf die jeweilige die Fäden tragende Fläche der
Verbundelemente aufgebracht wird.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß die
Verbundelemente zum Herstellen der Elastomer-Verbindung
in ein geschlossenes Formwerkzeug gelegt werden, in
welchem sie parallel zueinander ausgerichtet und in einem
bestimmten Abstand angeordnet sind und in welchen das
Elastomer unter Druck in den zwischen den
Verbundelementen gebildeten Raum gefüllt wird. Bei dieser
Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die
Verbundelemente mit einem definierten Abstand zueinander
in das Formwerkzeug eingelegt und der Elastomer mit hohem
Druck eingespritzt. Dabei kann der Elastomer zur
Verringerung der Viskosität vorgewärmt werden. Alternativ
oder ergänzend kann auch das Formwerkzeug vorgewärmt
werden. Durch diese Maßnahme wird die Vernetzungsreaktion
im Elastomer beschleunigt und eine besonders hohe
Abzugsfestigkeit des Elastomers erreicht.
Das unter Druck erfolgende Einspritzen des Elastomers
gewährleistet, daß die Fäden und die sie tragenden
Gewebelagen vollständig benetzt werden. Ein weiterer
Vorteil liegt in der hohen Beschichtungsgeschwindigkeit
sowie der einfachen Möglichkeit, den für eine
Serienfertigung wichtigen konstanten Abstand der
Verbundplatten während des Aufbringens des Elastomers zu
gewährleisten.
Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung des
erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet,
daß das Gewebe nach dem Auflaminieren der zweiten
Laminatschicht in einer mittig zwischen den
Laminatschichten angeordneten Ebene geteilt wird. Diese
Vorgehensweise ermöglicht es, aus einer Gewebestruktur
zwei Laminat-Gewebeverbunde herzustellen, bei denen die
von der Gewebelage abstehenden Fäden eine ausreichende
Länge aufweisen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer
Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnung näher
erläutert. Es zeigen schematisch:
Fig. 1-4 Arbeitsschritte bei der Herstellung eines
Verbindungselements, wobei das
Verbindungselement jeweils in einem
Längsschnitt dargestellt ist;
Fig. 5 eine mit Hilfe eines Verbindungselements
hergestellte Verbindung zweier flächiger
Bauelemente im Schnitt;
Fig. 6 eine zweite mit Hilfe eines
Verbindungselements hergestellte Verbindung
zweier flächiger Bauelemente in einem Schnitt
entlang der Linie A-A der Fig. 7;
Fig. 7 eine unter Verwendung des in Fig. 6 gezeigten
Verbindungselements hergestellte Verbindung in
einer Draufsicht;
Fig. 8 eine dritte mit Hilfe eines
Verbindungselements hergestellte Verbindung
zweier flächiger Bauelemente in einem Schnitt
entlang der Linie B-B der Fig. 9;
Fig. 9 eine unter Verwendung des in Fig. 8 gezeigten
Verbindungselements hergestellte Verbindung in
einer Draufsicht;
Fig. 10 ein weiteres Verbindungselement in einem
Längsschnitt;
Fig. 11-12 Arbeitsschritte bei der Herstellung des
Verbindungselements nach Fig. 10;
Fig. 13-17 jeweils eine alternative Ausgestaltung eines
Verbindungselements im Schnitt.
Anhand der Fig. 1 bis 4 wird die Herstellung eines
erfindungsgemäßen Faserverbundwerkstoffs beschrieben.
Ein sogenanntes "Abstandsgewebe" wird auf eine ebene
Laminatschicht 3 aus GFK "naß-in-naß" auflaminiert. Bei
einem solchen "Abstandsgewebe" handelt es sich um ein
dreidimensional gewebtes, beispielsweise aus der
DE 42 28 958 A1 bekanntes Glasfasermaterial. Ein solches
Gewebe besteht aus zwei im wesentlichen parallel
ausgerichteten, gewebten Gewebelagen 2a, 2b und Stegfäden
1, die wechselseitig in die Gewebelagen 2a, 2b eingewebt
sind. Imprägniert man ein solches Gewebe mit
Laminierharz, so stellen sich die Stegfäden 1 ohne äußere
Krafteinwirkung auf und trennen die beiden Gewebelagen
2a, 2b. Es entsteht auf diese Weise eine dreidimensionale
Gewebestruktur, bei der die Gewebelagen 2a, 2b in einem
durch die Stegfäden 1 bestimmten Abstand gehalten sind.
Nach dem Anhärten der so gebildeten Gewebestruktur wird
eine zweite Laminatschicht 4 aus GFK auf die der ersten
Laminatschicht 3 gegenüberliegenden Gewebelage 2b
auflaminiert. Die Dicke der zweiten Laminatschicht 4
entspricht dabei im wesentlichen der Dicke der ersten
Laminatschicht 3. Auf diese Weise ist eine ebene,
symmetrisch aufgebaute Platte gebildet, die einen
flächigen, von den Stegfäden 1 durchzogenen Hohlraum
aufweist (Fig. 1).
Nach Aushärten der Laminatschichten 3, 4 und der aus den
Gewebelagen 2a, 2b und den Stegfäden 1 gebildeten
Gewebestruktur wird diese parallel zur Ebene der
Laminatschichten 3, 4 zerteilt. Dabei wird, sofern die
Höhe h der Stegfäden 1 ausreicht, der Schnitt in einer
mittig zwischen den Laminatschichten 3, 4 angeordneten
Ebene geführt. Reicht die Höhe h der Stegfäden dagegen
nicht aus, so wird nur eine der Laminatschichten 3 oder 4
mit der daran haftenden Gewebelage 2a bzw. 2b abgetrennt.
Je nach Lage der Trennungsebene erfolgt dabei das
Abtrennen beispielsweise durch Fräsen oder Sägen. Nach
dem Auftrennen sind die Stegfäden 1 zu einzelnen Fäden 5
zerteilt, die ausgehend von jeweils einer der Gewebelagen
2a, 2b von der jeweiligen Laminatschicht 3, 4 wegweisend
und gleichmäßig verteilt frei in den Raum stehen. Dabei
gehen jeweils mehrere Fäden 5 wie Borsten einer Bürste
von jeweils einem Knotenpunkt 5a des Gewebes aus. Durch
das Auftrennen werden Verbundelemente V1, V2 gewonnen, die
jeweils aus jeweils einer Fäden 5 tragenden Gewebelage
2a, 2b und einer Laminatschicht 3, 4 gebildet sind (Fig.
2).
Die mit den Fäden 5 versehenen Seiten der Verbundelemente
V1, V2 werden entsprechend der Herstellerangaben für die
Verklebung mit einkomponentigen PUR-Klebmassen
vorbehandelt, d. h. entstaubt, gereinigt und grundiert.
Dann wird ein PUR-Elastomer 6 aufgetragen (Fig. 3).
Anschließend werden die mit Elastomer 6 bestückten
Verbundelemente V1, V2 in der Weise gefügt, daß die Fäden
5 des einen Verbundelements V1, V2 in den zwischen zwei
Fädenknoten 5a vorhandenen Raum des jeweils anderen
Verbundelements V2, V1 eingreifen (Fig. 4).
Nach Anhärten des PUR-Klebstoffs kann der in der
voranstehend erläuterten Weise hergestellte
Faserverbundwerkstoff zum Herstellen von
Verbindungselementen 7 I-7 VI in flächige Stücke zerteilt
werden, deren Abmessungen und Auslegung sich nach dem
jeweiligen Anwendungsfall richten.
Die einfachste Möglichkeit einer Verbindung von zwei
flächigen Bauelementen 8, 9 ist in Fig. 5 dargestellt. In
diesem Ausführungsbeispiel wird das Verbindungselement 7 I
zwischen die zu fügenden Bauelemente 8, 9 geklebt. Handelt
es sich bei den Bauelementen 8, 9 um GFK-Formteile, so
wird dazu das Harz 10 eingesetzt, welches auch zur
Imprägnierung der Laminatschichten 3, 4 verwendet wurde.
Bei schwierigen Umgebungsbedingungen, wie beispielsweise
Feuchte und Staub am Montageort, kann ein dem
Verbindungselement 7 I in seinem Aufbau entsprechendes
Verbindungselement 7 II bzw. 7 III mit den zu verbindenden
Bauelementen 8, 9 vernietet oder verschraubt werden. Dabei
spielt es keine Rolle, ob die Fügepartner ebenfalls aus
GFK bestehen oder aus anderen Werkstoffen.
Zur Montage durch Vernieten (Fig. 6) werden Blindniete 11
wechselseitig von den Bauelementen 8 und 9 aus in
gleichmäßigem Raster gesetzt (Fig. 7). Die Nietöffnung 12
geht dabei durch das jeweilige Bauelement 8, 9, durch die
dem Blindniet 11 zugewandte Laminatschicht 3, 4 und die
Gewebelage 2a, 2b. Durch eine entsprechende
Dimensionierung der Verklebefläche ist in diesem Fall die
Störung der Elastomerverklebung durch die Blindniete 11
berücksichtigt.
Eine Möglichkeit der reversiblen Verbindung von
Bauelementen 8, 9 mittels eines den Verbindungselementen
7 I, 7 II entsprechenden Verbindungselements 7 III zeigen
Fig. 8 und 9. Dabei werden die flächigen Bauelemente 8, 9
wechselseitig mit dem Verbindungselement 7 III verschraubt
(Fig. 9). Die Schrauben 22 sind durch Öffnungen 13 des
Verbindungselements 7 III zugänglich. Auch in diesem Fall
wird die Störung der Elastomerfläche durch die Öffnungen 13
bei der Dimensionierung der Verklebefläche des
Elastomers 6 berücksichtigt.
Für höchste Belastungen der Verbindung, beispielsweise
bei dynamischer Beanspruchung, kann die durch die
Öffnungen 12 bzw. 13 bei den Verbindungselementen 7 II bzw.
7 III hervorgerufene Störung der durch den Elastomer 6
gebildeten Klebefuge umgangen werden, indem ein
Verbindungselement 7 IV verwendet wird, das an zwei
gegenüberliegenden Seiten eine Lasche 16 aufweist (Fig.
10). Zur Herstellung eines solchen Verbindungselements 7 IV
wird beim Auflaminieren der aus den Gewebelagen 2a, 2b und
den Stegfäden 1 gebildeten Gewebestruktur auf die
Laminatschicht 3 während des Laminiervorgangs ein
Randstreifen 14 dieser Gewebestruktur zusammengedrückt
(Fig. 11). Auf den zusammengedrückten Randstreifen 14
kann noch "naß-in-naß" ein oberes Verstärkungslaminat 15
aufgebracht werden. Dadurch entsteht die als
Massivlaminat ausgebildete Lasche 16.
Nach Aushärten des Harzes wird die obere Gewebelage 2b
auf der zur ersten Laminatschicht 3 gegenüberliegenden
Seite in einem Abschnitt 17 abgefräst, der an den dem
Randstreifen 14 gegenüberliegenden Rand angrenzt. Nach dem
Abfräsen bleiben in diesem Abschnitt 17 die imprägnierten
Fäden 5 in gewünschter Höhe stehen. Auf diese Weise ist
ein erstes Halbelement H1 gebildet (Fig. 12).
Zwei einander entsprechende Halbelemente H1, H2 werden mit
PUR-Klebstoff zusammengefügt, indem Elastomer 6
mindestens auf die mit den Fäden 5 frei zugänglichen
Abschnitte 17 aufgetragen wird und indem anschließend die
freien Abschnitte 17 der Halbelemente H1, H2 mit
aufeinander weisenden Fäden 5 aufeinander gelegt werden.
Im Bereich der Laschen 16 kann das Element nun an
beliebige Fügepartner geschraubt, genietet oder in
anderer Weise befestigt werden. Andere Bauformen mit
beidseitigen Laschen 16 für beide Fügepartner sind
ebenfalls möglich.
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen
Verbindungselements besteht darin, die "Federkonstante",
also die Steifigkeit der Verbindung einzustellen. Dies
wird einerseits durch die Wahl der zur Herstellung der
die Fäden 5 tragenden Gewebelagen 2a, 2b benutzten
Gewebestruktur ermöglicht. So können Gewebestrukturen
gewählt werden, bei denen die Fäden 5 unterschiedliche
Anordnung, Verteilung und Länge haben.
Je nach Anwendungsfall ist es sinnvoll, Gewebelagen 2a, 2b
zu verwenden, deren Fäden 5 senkrecht von der jeweiligen
Gewebelage 2a, 2b in den Raum stehen. Alternativ können
jedoch auch X-förmig sich kreuzende Fäden oder
webtechnische Kombinationen aus diesen Anordnungen
eingesetzt werden.
Entscheidend ist auch der Abstand der Gewebelagen 2a, 2b
und die Länge der zerteilten bzw. durch Abfräsen der
oberen Decklage freigelegten Fäden 5. So ist
beispielsweise das in Fig. 13 dargestellte
Verbindungselement 7 V, bei dem zwischen den Fäden 5 eine
Elastomerschicht 6 größerer Dicke vorhanden ist, eine
größere Nachgiebigkeit als das in Fig. 14 gezeigte
Verbindungselement 7 VI, bei dem die Fäden 5 wechselseitig
ineinander kämmen.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen
Verbindungselemente besteht darin, daß auf einfache Weise
mehrere Zwischenschichten zwischen den Laminatschichten
angeordnet werden können. Auf diese Weise kann das
Vermögen der Verbindungselemente, Relativbewegungen
elastisch aufzunehmen, weiter verbessert werden. Ein mit
einer einzelnen Zwischenschicht ausgestattetes
Verbindungselement 7 VII erfährt, wie in Fig. 15
verdeutlicht, unter einer durch eine Relativbewegung der
angeschlossenen, hier nicht dargestellten Bauelemente
hervorgerufenen Schubbelastung 18 eine bestimmte
Verzerrung 19. Werden mehrere aus jeweils Fäden 5
tragenden Gewebelagen 2a, 2b und einem dazwischen
positionierten Elastomer 6 gebildete Zwischenschichten
angeordnet, wie in Fig. 16 und Fig. 17 gezeigt,
vergrößern sich bei gleicher Belastung des Elastomers 6
die sicher ertragenen elastischen Verzerrungen 20, 21.
Die einzelnen Zwischenlagen werden miteinander verklebt,
vorzugsweise mit dem gleichen Harz 10, welches für die
Imprägnierung der Gewebelagen 2a, 2b bzw. der
Laminatschichten 3, 4 verwendet wurde.
Claims (17)
1. Faserverbundwerkstoff bestehend aus mindestens zwei
Laminatschichten (3, 4) und mindestens einer zwischen den
Laminatschichten (3, 4) angeordneten Zwischenschicht, welche
aus zwei Gewebelagen (2a, 2b), von denen jeweils eine einer
der Laminatschichten (3, 4) zugeordnet ist, und einem
zwischen den Gewebelagen (2a, 2b) angeordneten und mit den
Gewebelagen (2a, 2b) verbundenen Elastomer (6) gebildet ist,
wobei von den Gewebelagen (2a, 2b) ausgehende Fäden (5) in
das Elastomer (6) reichen.
2. Faserverbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Fäden (5) im
wesentlichen rechtwinklig von der sie tragenden Gewebelage
(2a, 2b) abstehen.
3. Faserverbundwerkstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Fäden (5) in
regelmäßigen Abständen angeordnet sind und daß jeder Faden
(5) der einen Gewebelage (2a, 2b) in einen zwischen zwei
benachbarten Fäden (5) der anderen Gewebelage (2b, 2a)
gebildeten Zwischenraum weist.
4. Faserverbundwerkstoff nach einem der voranstehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens zwei Fäden (5) von jeweils einem
Knotenpunkt (5a) der jeweiligen Gewebelage (2a, 2b)
ausgehen.
5. Faserverbundwerkstoff nach einem der voranstehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß das Elastomer (6) ein PUR-Elastomer ist.
6. Verbindungselement hergestellt aus einem
Faserverbundwerkstoff nach einem der voranstehenden
Ansprüche.
7. Verbindungselement nach Anspruch 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die Laminatschichten
(3, 4) Öffnungen (12) aufweisen, welche zur Aufnahme jeweils
eines Befestigungsniets (11) bestimmt sind.
8. Verbindungselement nach einem der Ansprüche 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet, daß die
Laminatschichten (3, 4) Öffnungen (13) aufweisen, welche zur
Aufnahme jeweils einer Befestigungsschraube (22) bestimmt
sind.
9. Verbindungselement nach einem der Ansprüche 7 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß die
Öffnungen (12, 13) der einen Laminatschicht (3, 4) versetzt
gegenüber den Öffnungen (12, 13) der anderen Laminatschicht
(3, 4) angeordnet sind.
10. Verbindungselement nach einem der Ansprüche 6 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß an
mindestens eine der Laminatschichten (3, 4) seitlich ein
Laschenabschnitt (16) ungeformt ist.
11. Verbindungselement nach Anspruch 10, dadurch
gekennzeichnet, daß der Laschenabschnitt
(16) durch eine zusätzliche Laminatschicht verstärkt ist.
12. Verbindungselement nach einem der Ansprüche 6 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, daß eine
Mehrzahl von Zwischenschichten zwischen den
Laminatschichten (3, 4) angeordnet ist.
13. Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoffs nach
einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet,
- - daß ein erstes Verbundelement (V1) aus einer Laminatschicht (3, 4) und einer auf die Laminatschicht (3, 4) auflaminierten, Fäden (5) tragenden Gewebelage (2a, 2b) gebildet wird,
- - indem auf die erste Laminatschicht (3) ein Gewebe auflaminiert wird, welches sich bei einer Benetzung mit einem Harz aufrichtet und eine dreidimensionale Struktur mit zwei parallel zu der Laminatschicht (3) angeordneten Gewebelagen (2a, 2b) und zwischen den Gewebelagen (2a, 2b) positionierten und diese auf Abstand haltenden Fäden (1) bildet,
- - indem nach dem Anhärten des Gewebes auf die von der ersten Laminatschicht (3) abgewandte Gewebelage (2b) eine zweite Laminatschicht (4) auflaminiert wird, und
- - indem anschließend eine der Gewebelagen (2a, 2b) von der anderen in einer parallel zu den Laminatschichten (3, 4) ausgerichteten Ebene derart abgetrennt wird, daß mindestens die von einer Gewebelage (2a, 2b) getragenen Fäden (5) eine bestimmte Länge aufweisen,
- - daß in entsprechender Weise ein zweites Verbundelement (V2) hergestellt wird, und
- - daß die beiden Verbundelemente (V1, V2) parallel zueinander ausgerichtet und mittels eines Elastomers (6) miteinander verbunden werden, welches auf die jeweilige die Fäden (5) tragende Fläche der Verbundelemente (V1, V2) aufgebracht wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch
gekennzeichnet, daß die Verbundelemente
(V1, V2) zum Herstellen der Elastomer-Verbindung in ein
geschlossenes Formwerkzeug gelegt werden, in welchem sie
parallel zueinander ausgerichtet und in einem bestimmten
Abstand angeordnet sind und in welchem das Elastomer unter
Druck in den zwischen den Verbundelementen gebildeten Raum
gefüllt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch
gekennzeichnet, daß das Elastomer vor dem
Einfüllen angewärmt wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 oder 15,
dadurch gekennzeichnet, daß das
Formwerkzeug erwärmt wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch
gekennzeichnet, daß das Gewebe nach dem
Auflaminieren der zweiten Laminatschicht (3, 4) in einer
mittig zwischen den Laminatschichten (3, 4) angeordneten
Ebene geteilt wird.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19734803A DE19734803C1 (de) | 1997-08-12 | 1997-08-12 | Faserverbundwerkstoff, aus einem Faserverbundwerkstoff hergestelltes Verbindungselement und Verfahren zu seiner Herstellung |
Applications Claiming Priority (1)
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DE19734803A DE19734803C1 (de) | 1997-08-12 | 1997-08-12 | Faserverbundwerkstoff, aus einem Faserverbundwerkstoff hergestelltes Verbindungselement und Verfahren zu seiner Herstellung |
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Country Status (1)
Country | Link |
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DE (1) | DE19734803C1 (de) |
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- 1997-08-12 DE DE19734803A patent/DE19734803C1/de not_active Expired - Fee Related
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