DE202013101615U1

DE202013101615U1 - Kastenwabe aus Karbonplaste

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Publication number: DE202013101615U1
Application number: DE201320101615
Authority: DE
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Priority date: 2013-04-16
Filing date: 2013-04-16
Publication date: 2013-05-02
Anticipated expiration: 2023-04-17

Abstract

Die Karbonplast-Kastenwabe mit hexagonaler Form der Wabe, deren Wand aus mindestens zwei Schichten von mit Verbundstoff durchgetränkten und einseitig gerichteten Kohlenstoff-Fasern besteht, die unter ±45° Winkel zur Wabenachse orientiert sind, zeichnet sich dadurch aus, dass die Wabenwand 2n solcher Schichten (n ≥ 1) gemäß vorgegebener Wandstärke enthält und dass die einseitig gerichteten Kohlenstoff-Fasern in zwei mittleren Schichten an verdoppelten Flächen und bei paarigen n-Werten an der Wand der Wabe gleich orientiert sind, dabei sind sie in den anderen Nebenschichten unter 90° Winkel zueinander gerichtet.

Description

Das Gebrauchsmuster gehört zur Kastenwabenherstellung für Paneelen und Verkleidungen, die in verschiedenen Industriebranchen (Flugzeug- und Schiffbau, Raumfahrtindustrie, Funktechnik, Windkraftanlagen, Autoherstellung und so weiter) eingesetzt werden.
Kastenwabenkonstruktionen sind gut bekannt und finden ihre Anwendung dort, wo hohe Festigkeiten und geringe Werkstoffgewichte wie bei Produkten der Flugzeug- und Raumfahrtindustrie erforderlich sind.
Haupttrend der heutigen Entwicklung dieser technischen Richtung besteht in Erzeugung hochfester und maß- und formstabiler Kastenwaben auf Basis der Kohlenstoff-Fasern, die das Umsteigen der führenden Industriebranchen auf neue Produkte gewährleisten. Die Kastenwaben sollen dabei passende physikalisch-mechanische Eigenschaften beim betrieblichen Einsatz, hohe Robustheit sowie Maß- und Formstabilität aufweisen.
Die Wabenwände der bekannten Kastenwabe ( USA-Patent Nr. 5567500 , IPK B29C70/08, 1996) werden aus einem Verbundstoff gemacht, der aus einer bindenden und drei verstärkenden Schichten geformt wird, jede davon besteht aus mehreren einseitig gerichteten Kohlenstoff-Fasern. Die axiale Faserorientierung in Kastenwabenzellen ist bei allen drei Schichten verschieden.
Der Nachteil der bekannten Kastenwabe ist ungenügende Schubsteife und geringe Maß- und Formstabilität.
Die Wabenwände der bekannten Kastenwabe ( USA-Patent Nr. 5981025 , IPK B31D3/12, 1999) werden aus Verbundstoff gemacht, der aus einer bindenden und zwei verstärkenden Schichten gebildet wird, jede davon besteht aus mehreren einseitig gerichteten Kohlenstoff-Fasern. Verschiedene Faserneigung zur Wabenachse in Kastenwaben ermöglicht Optimierung betrieblicher Eigenschaften der Kastenwabe.
Der Nachteil der bekannten Kastenwabe ist geringe Maß- und Formstabilität und ungenügende Schubsteife.
Die Wabenwände der als Prototyp bekannten Kastenwabe (Patent WO9510411 , IPK B29C70/08, 63263/12 , 1995) werden aus drei Schichten gebildet, jede davon besteht aus den einseitig gerichteten und mit einem Verbundstoff durchgetränkten Kohlenstoff-Fasern. In zwei Schichten liegen dabei die Kohlenstoff-Fasern unter ±45° Neigung zur Achse jeder Kastenwabenzelle.
Der Nachteil der bekannten Kastenwabe ist geringe Maß- und Formstabilität und ungenügende Schubsteife.
Zugrunde des Gebrauchsmusters wurde die Aufgabe der Vervollkommnung der Karbonplast-Kastenwabenkonstruktion durch Optimierung der Wabenwandverstärkungsstruktur und zwar, durch 2n-Schichtenbildung (n ≥ 1) aus den einseitig unter folgender Neigung orientierten Kohlenstoff-Fasern zwecks Steigerung der Schubsteife und Maß- und Formstabilität gelegt: ±45° zur Achse einer Kastenwabenzelle und 90° oder 0° zu Fasern in angrenzenden Schichten.
Die gestellte Aufgabe wird wie folgt gelöst: die Wabenwände einer Kastenwabe mit Waben hexagonaler Form enthalten mindestens zwei Schichten von Kohlenstoff-Fasern, die laut Gebrauchsmuster einseitig unter ±45° Neigung zur Wabenachse orientiert und mit einem Verbundstoff durchgetränkt werden; die Wabenwände einer Kastenwabe enthalten 2n (n ≥ 1) solcher Schichten gemäß vorgegebener Wabenwandstärke; außerdem sind die Kohlenstoff-Fasern in zwei mittleren Schichten an gepaarten Wabenflächen und bei Doppelwerten von „n” an der Wabenwand gleich orientiert. Dabei sind sie in anderen Nebenschichten unter 90° zu einander gerichtet. Außerdem besteht eine Kastenwabe aus paariger Anzahl von Wabenreihen.
Da die angemeldete Karbonplast-Kastenwabe paarige Reihenanzahl von Waben mit Wänden aus 2n-Schichten (n ≥ 1) von einseitig unter ±45° zur Wabenachse oder 90°/0° zu den Nebenschichten gerichteten und mit Verbundstoff durchgetränkten Kohlenstoff-Fasern hat, erhält sie hohe Schubsteife und Maß- und Formstabilität.
Kausaler Zusammenhang zwischen den wesentlichen Merkmalen des Gebrauchsmusters und dem erhaltenen technischen Ergebnis wird wie folgt realisiert.
Die Kastenwaben auf der Basis von Kohlenstoff-Fasern weisen maximale Werte der Festigkeit und Schubsteife auf (Kastenwaben in Konstruktionen für Flugzeug- und Raumfahrtanwendungen. W. I. Sliwinskij, V. S. Sewako, G. W. Tkatschenko, O. A. Karpikowa//Raumfahrtwissenschaft und -technologie. – 2008.-B.14. – Nr.3. – S. 101–102).
Versuchsweise wurde es festgestellt, dass die Wabenwandbildung einer Kastenwabe aus 2n Schichten (n > 1) von einseitig gerichteten und unter ±45° zur Wabenachse oder unter 90° zu Fasern der Nebenschichten geneigten Kohlenstoff-Fasern bei ihrer gleichen Orientierung in mittleren Schichten der verdoppelten Wabenflächen den Schubmodul sowie Maß- und Formstabilität erhöhen läßt. Bei Gesamtanzahl von 2n-Schichten, die den paarigen n-Werten entspricht, bildet die Orientierung von einseitig gerichteten und gleich geneigten Kohlenstoff-Fasern in zwei mittleren Schichten symmetrische Schichtenanordnung mit der gleichen Faserorientierung zur mittleren Wandfläche; das gleicht physikalisch-mechanische Eigenschaften von allen Waben aus und läßt demzufolge zusätzliche Steigerung der Maß- und Formstabilität einer Kastenwabe insgesamt gewährleisten. Der Sinn des Gebrauchsmusters wird durch die Zeichnung erklärt, wo folgendes dargestellt ist: , – Schematische Darstellung der Anordnung von einseitig in der Wabenwand einer Kastenwabe gerichteten Kohlenstoff-Fasern bei jeweils n = 3 und n = 4.
Die Kastenwabe aus Karbonplaste ( ), bei dem die Wabenwände die Schichten von einseitig gerichteten und unter +45°/–45° zu der Wabenachse geneigten Kohlenstoff-Fasern ( , ) enthalten, werden wie folgt hergestellt. Zuerst formt man Prepregplatten mit einer vorgegebenen Schichtenanzahl von einseitig gerichteten Kohlenstoff-Fasern, die gemäß angemeldeter Orientierung eingelegt werden. Dann wird das Prepreg abgepresst und geriffelt, nachher, durch Adhäsionshaftung und Abbindung, formt man davon einen Kastenwaben block.
Nachfolgend werden Beispiele praktischer Anwendung des angemeldeten Gebrauchsmusters angeführt.
Beispiel 1. Karbonplast-Kastenwabe mit hexagonaler Form einer Wabe, deren Wand zwei Schichten (n = 1) von einseitig gerichteten Kohlenstoff-Fasern in Form einer Kohlenstoffmatte
mit der Dicke 0,13 mm (nach GOST 28006-88) hat, die mit
-Verbundstoff (nach TU 1-596-46-2009) durchgetränkt ist.
Die Wabenwandformung einer Kastenwabe erfolgt aus Prepreg-Platten, wobei die Kohlenstoff-Matte mit +45° und –45° Faserorientierung zur Prepreg-Achse in Doppelschicht eingelegt und eingewalzt wird. Nach Abpressen der Prepregplatten bei Raumtemperatur riffelt man sie und formt als Kastenwabenblock. Dabei wird der Klebestoff BK-25 auf die Kontaktflächen der Prepregplatten eingetragen. Nachher legt man sie so auf, damit die Orientierung von einseitig gerichteten Kohlenstoff-Fasern bei diesen Platten gleich ist. Nach Zusammenbau erforderlicher paariger Anzahl von Wabenreihen in einer Kastenwabe wird der Kastenwabenblock an externer Pressvorrichtung mittels formgebender Elemente zusammengepresst, die genau axial zu jeder Kastenwabenzelle liegen. Zum Schluss wird der Kastenwabenblock im Ofen abgebunden.
Beispiel 2. Die Karbonplast-Kastenwabe mit hexagonaler Form einer Wabe, deren Wand vier Schichten (n = 2) von einseitig gerichteten Kohlenstoff-Fasern in Form einer 20 μm-dicken Verbundstoffmatte aus dem Strang IMS-65 hat und mit Verbundstoff
(nach TU 1-596-46-2009) durchgetränkt ist. Die Prepregplatte wird durch Einwalzen der Kohlenstoffmatte schichtenweise geformt. Die Fasern werden in Schichten unter +45°,-45°,-45°+45° Neigung zur Prepregachse orientiert. Ähnlich Beispiel 1 erfolgt weiter Abpressen und Riffeln von Prepregplatten, Eintragung des Klebestoffs BK-25 auf die Kontaktflächen, Formgebung und Abbindung des Kastenwabenblocks.
Beispiel 3. Die Karbonplast-Kastenwabe mit hexagonaler Form einer Wabe, deren Wand vier Schichten (n = 2.) von einseitig gerichteten Kohlenstoff-Fasern in Form einer 20 μm-dicken Verbundstoffmatte aus dem Strang IMS-65 hat und mit Verbundstoff
(nach TU 1-596-46-2009) durchgetränkt ist. Die Prepregplatte wird durch Einwalzen einer Schicht einer Kohlenstoffmatte auf die andere mit Faserorientierung +45°, –45°, –45°+45° zur Prepregachse geformt. Weiterhin, ähnlich Beispiel 1, erfolgt Abpressen und Riffeln von Prepregplatten, Eintragung des Klebestoffs BK-25 auf die Kontaktflächen, Formgebung und Abbindung des Kastenwabenblocks.
Die Versuchsergebnisse sind in der Tabelle unten als spezifische Durchschnittswerte der physikalisch-mechanischen Parameter von drei Serien industrieller Forschungsmuster von Karbonplast-Kastenwaben dargestellt. Die Festigkeitseigenschaften der Kastenwabe wurden in Hinsicht auf die Werte der Druckfestigkeitsgrenze (σ_Druck), der Schubfestigkeitsgrenze (τ_Schub) und die Schubsteife auf Schubmodul (G_Schub) ausgewertet.
Die Analyse der ermittelten Werte zeigte folgendes: das Einlegen von mehreren dünneren Schichten der einseitig gerichteten Kohlenstoff-Fasern (Beispiel 1, 2) ergab 2,9-fache Reduzierung der Wichte einer Kastenwabe bei gleichzeitiger Erhaltung ihrer Festigkeit und Steigerung ihrer Robustheit.
Die Druck- und Schubfestigkeit der Kastenwabe auf den XOZ- und YOZ-Ebenen steigt (Beispiel 2, 3) mindestens um 8%, wenn man die Kohlenstofffasern-Schichtenanzahl von 2 bis auf 4 erhöht, ihr Schubmodul auf den XOZ- und YOZ-Ebenen verbessert sich mindestens um 10%. Tabelle
τ Schub.xoz – Schubfestigkeitsgrenze auf der XOZ-Ebene;
τ Schub.yoz – Schubfestigkeitsgrenze auf der YOZ-Ebene;
GSchub.xoz – Schubmodul auf der XOZ-Ebene;
Gschubyoz – Schubmodul auf der YOZ-Ebene.
Die Maß- und Formstabilität der Kastenwabenblöcke wurde nach Klimaprüfung durch visuellen Vergleich mit einem Vergleichsmuster ausgewertet, dabei hat man die Eignung ihrer Maß- und Formstabilität zu den Einsatzbedingungen der Luft- und Raumfahrtindustrieprodukte festgestellt.
Auf so eine Weise besitzt die angemeldete Karbonplast-Kastenwabe hohe Schubsteife und Maß- und Formstabilität, die für die Betriebsbedingungen der Luft- und Raumfahrtindustrieprodukte geeignet sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 5567500 [0004]
US 5981025 [0006]
WO 9510411 [0008]
WO 63263/12 [0008]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

W. I. Sliwinskij, V. S. Sewako, G. W. Tkatschenko, O. A. Karpikowa//Raumfahrtwissenschaft und -technologie. – 2008.-B.14. – Nr.3. – S. 101–102 [0014]

Claims

Die Karbonplast-Kastenwabe mit hexagonaler Form der Wabe, deren Wand aus mindestens zwei Schichten von mit Verbundstoff durchgetränkten und einseitig gerichteten Kohlenstoff-Fasern besteht, die unter ±45° Winkel zur Wabenachse orientiert sind, zeichnet sich dadurch aus, dass die Wabenwand 2n solcher Schichten (n ≥ 1) gemäß vorgegebener Wandstärke enthält und dass die einseitig gerichteten Kohlenstoff-Fasern in zwei mittleren Schichten an verdoppelten Flächen und bei paarigen n-Werten an der Wand der Wabe gleich orientiert sind, dabei sind sie in den anderen Nebenschichten unter 90° Winkel zueinander gerichtet.
Die Karbonplast-Kastenwabe zeichnet sich gemäß Punkt 1 dadurch aus, dass sie paarige Wabenreihenanzahl hat.