DE2460807A1

DE2460807A1 - Flaechenhaftes leichtbauteil aus kohlefaserverstaerktem kunststoff

Info

Publication number: DE2460807A1
Application number: DE19742460807
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl Ing Jonda
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1974-12-21
Filing date: 1974-12-21
Publication date: 1976-06-24
Also published as: DE2460807C3; IT1051421B; FR2294820A1; FR2294820B1; GB1544815A; JPS5189585A; DE2460807B2; US4092453A

Description

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Messerschmitt-Bölkow-Elohm Ottobrimn. 19. Dezember 19

Gesellschaft rait BT 012 Hi/hv

beschränkter Haftung, 7784 München

FlächenhaftesLeichtbauteil aus kohlefaserverstärktem

Die Erfindung betrifft ein fläcfrer.haf tes Leichtbau teil aus kohlefaserverstärktern Kunststoff, das aus einera aus imprägnierten Garnen oder Rovings im Wickelverfahren vorgefertigten und durch Pressen weiterverarbeiteten Lern in al· hergestellt ist.

Kohlef öserverstärkte Kunststoffe⁵ werden für Bauteil r> verwendet, für die hohe Steifigkeit und ein sehr niedrig -·■>

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spezifisches Gewicht gefordert werden. Für viele Anwendungen ist außerdem der extrem niedrige Wärmeausdehnungskoeffizient von Bedeutung. Für im Wickelverfahren aus Garnen oder Rovings herzustellende Teile aus kohlefaserverstärkten Kunststoffen ist es bekannt, die Garne oder Rovings in gleichmäßigen, um 90° versetzten Lagen zu wickeln. Urn dabei einen symmetrischen, festigkeitsmäßig ausreichenden Aufbau zu erzielen und um ein Delaminieren zu verhindern, ist ein Laminat aus vier sich kreuzenden Lagen erforderlich, weil bei nur zwei Lagen ein Delaminieren, insbesondere bei wechselnden Beanspruchungen, nicht vermieden werden kann, Für die Weiterverarbeitung des Laminats ist auch bereits bekannt, das fertig gewickelte Laminat noch vor dem Aushärten von dem Wickeldorn zu nehmen, in die gewünschten Zuschnitte zu zerlegen und dann in Preßformen auszuhärten. Eine Verarbeitung von Kohlefasern des Hochfestigkeitstyps zu Gewebematten ist infolge ihrer Sprödigkeit im allgemeinen nicht mögliche

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Leichtbauteile aus kohlefaserverstärktem Kunststoff mit gegenüber den bekannten Leichtbauteilen besseren Eigenschaften zu schaffen«

Diese Aufgabe wird mit einem flächenhaften Leichtbauteil der eingangs genannten Art erfindungsgemäß gelöst durch einen Aufbau aus gitterförmig angeordneten, aus mehreren Garnen oder Rovings zusammengesetzten bandförmigen Fasersträngpn, wobei die sich kreuzenden Faserstränge zu einer webeartigen Bindung verarbeitet sind.

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In Weiterbildung der Erfindung besteht jeder Faserstrang vorzugsweise aus zwei Schichten von je drei Garnen oder Rovings oder hat das leichtöauteil eine über die Fläche verteilte unterschiedliche Anzahl von Schichten pro Faserstrang und von Garnen oder Rovings pro Schicht.

In Ausgestaltung der Erfindung wird ferner vorgeschlagen, daß die webeartige Bindung der Faserstränge zu einem flächig begrenzten, sich stets wiederholenden Muster geordnet ist.

Der wesentliche durch die Erfindung erzielte Vorteil besteht darin, daß das Wickellaminat nicht aus vollen Lagen besteht, sondern die einseinen Garne oder Rovings zu bandförmigen Fasersträngen gewickelt und diese nicht unmittelbar nebeneinander, sondern mit Abstand angeordnet sind. Dadurch wird eine durch den Materialverbrauch für eine bestimmte Fläche bedingte effektive Wandstärke erzielt, die - ähnlich wie für ein Lochblech - gegenüber einem Aufbau von einer gleichen Anzahl von Lagen aus geschlossenen Wicklungen wesentlich herabgesetzt ist. Durch das webeartige Verbinden der Faserstränge beim Wickelvorgang wird außerdem erreicht, daß - über eine größere Fläche betrachtet — ein symmetrisches und ebenes Flächenbauteil von großer Festigkeit entsteht. Durch den erfindungsgemäßen Aufbau des Laminats wird weiterhin bei hohen Wechselbeanspruchungen und großen Temperaturunterschieden ein Delaminieren wirksam vermieden.

Durch die Anordnung der Faserstränge zu einem flächig begrenzten Muster, das ähnlich einem Stoffgewebe regelmäßig oder unregelmäßig verschobene Verkreuzungen aufweist und sich stets wiederholt, werden dio Festigkeits-

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eigenschaften günstig beeinflußt. Die Verkreuzungen der Faserstränge lassen sich wegen des gitterförmigen Aufbaus des Wickellaminats mit seinen Abständen zwischen den einzelnen Fasersträngen auch bei Kohlenstofffasern des Hochfestigkeitstyps anwenden, die bei einem Verweben mit Kette und Schuß wegen ihrer Sprödigkeit brechen wurden.

Bei besonders beanspruchten Teilen kann durch die Wicklung eines Laminats mit einer partiell höheren Ansah'! der Schichten pro Faserstrang und der Garne oder Rovings pro Schicht mit geringem Material aufwand eine beträchtliche GesamtverStärkung des aus dem Laminat hergestellten Leichtbauteils erzielt werden.

Der erfinderische Aufbau des Fasermaterials mit der Anordnung der Wicklung in Faserstrangen gestattet weiterhin eine einfache Kontrolle der Faserorientierung sowohl beim Wickelvorgang als auch bei der Verarbeitung zu einem fertigen Leichtbauteil.

In Anwendung der Erfindung dient das Leichtbauteil als einseitige Abdeckung oder als überwiegendes Konstruktionselement eines Baukörpers oder für äußere Schichten eines Sandwichbauteils. Als weitere Anwendung für die Erfindung dient ein Leichtbauteil zur Herstellung von Teilen mit doppelt sphärischer Krümmung, z.B. von Antennenspiegeln und deren Stützkonstruktionen.

Die bevorzugten Anwendungsmöglichkeiten für erfinderische Leichtbauteile liegen bei der Luft- und Raumfahrt zur Erzielung weiterer Gewichtseinsparungen gegenüber

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bekannten Materialien. Anwendungsgebiete in der Luftfahrt sind z.B. Flügelklappen, Fußbodenkonstruktionen und in Radome eingebaute Antennen. Bei letzteren kann gegenüber den bisherigen Bauweisen eine wesentliche Gewichtserleichterung dadurch erzielt werden, daß sowohl die Antennenspiegel als auch die Stützkonstruktionen aus Leichtbauteilen nach der Erfindung hergestellt werden. Diese extrem leichten Antennen können nahezu trägheitslos schwenken, wodurch wesentlich verbesserte Antennenfunktionen erzielbar sind. In der Raumfahrt ist neben dem Aufbau ganzer Satellitenkörper eine bevorzugte Anwendung als Tragplatten für Sonnenzellen gegeben» Diese können aus Sandwichplatten gefertigt werden, die als Deckschichten mit den erfinderischen Leichtbauteilen versehen sind. Bei Raumfahrtanwendungen wirkt sich besonders vorteilhaft der extrem niedrige Wärmeausdehnungskoeffizient von kohlefaserverstärkten Kunststoff aus.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen beschrieben.. Es zeigen

Fig. 1 die Draufsicht auf einen Ausschnitt aus einem Leichtbauteil entsprechend der Erfindung:

Fig* ? einen Querschnitt in stark vergrößerter Darstellung durch einen aus sechs Rovings gebildeten Faserstrang:

Fig_o 3 einen Querschnitt wie Fig. 2 mit einem Faserstrang aus zwölf Rovings;

Fig» A eine Seitenansicht in vergrößerter Darstellung von einem Leichtbauteil mit unterschiedlich aufgebauten Fasersträngen:

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Fig· 5 eine Antenne mit Stützgerüst in der Seitenansicht ;

Fig. 6 eine Drausicht auf die Antenne nach Fig. 5; Fig. 7 ein Detail VII aus der Fig. 6 und Fig. 8 eine Sandwichplatte.

Ein erfinderisches, ausschnittsveise dargestelltes, flächenhaftes Leichtbauteil 1 ist aus einem Wickellaminat aus kohlefaserverstarktem Kunststoff hergestellt. Beim nicht dargestellten Wickelverfehren werden Rovings, die aus einer großen Anzahl von Kohlenstoff as ern bestehen, erst in Kunstharz getränkt und dann durch stetiges Hin- und Herbewegen eines Wickelkopfes nach einem vorgegebenen Muster in zwei sich kreuzenden Faserrichtungen auf einen rotierenden Wickeldorn aufgebracht. Das so erzeugte Laminat wird vor dein Aushärten durch Trennschnitte in Faserrichtung nach den Abmaßen des gewünschten Leichtbauteils zerlegt und dann entsprechend den Konturen des Fertigteils geformt und ausgehärtet.

Bei dem Leichtbauteil 1 sind entsprechend den Fig« I bis 3 Rovings 2 zu Fasersträngen 3 (Fig. 2) oder 4 (Fig. 3) gewickelt, die in einem waagerechten Abstand a und einem senkrechten Abstand b, weiche entsprechend den Festigkeits- und sonstigen Anforderungen gewählt werden können, angeordnet sind. Die Abstände a und b sind üblicherweise gleich ausgeführt, können aber auch unterschiedlich sein. Der Faserstrang 3 ist aus zwei

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Schichten von Rovings 2 aufgebaut, wobei es zweckmäßig ist, je Schicht mindestens drei Rovings anzuordnen. Der Faserstrang 4 weist drei Schichten zu je vier Rovings auf, wodurch ein entsprechend festeres und steiferes Leichtbauteil 1 gestaltet werden kann. Es liegt im Rahmen der Erfindung, die Faserstränge in jeder zweckmäßigen Variation von Schichten und Anzahl von Rovings pro Schicht zu wählen, wobei für nicht zu hoch beanspruchte Leichtbäuteile auch einschichtige Faserstränge möglich sind.

In dem Leichtbauteil 1 sind eine Anzahl von stets wiederkehrenden gewebeartigen Mustern 5 dargestellt, welche je vier Faserstränge 3 oder 4 in waagerechter und senkrechter Richtung umfassen» Das gezeigte Muster mit seinen unterschiedlichen Verkreuzungen ergibt eine sehr feste Bindung der einzelnen Faserstränge untereinander und damit ein in allen Bei astungsrichtungen steifes Beuteil. Beim dargestellten Muster 5 werden die Faserstränge 3 oder 4 so gewickelt, daß ein zuletzt gewickelter Fasierstrang 8 durchläuft und dabei einen davor gewickelten quergerichteten Faserstrang 9 überdeckt. Diese gegenseitige Überdeckung wiederholt sich entsprechend dem Aufbau des Musters 5 viermal bis wieder mit den Fasersträngen 8 und 9 ein neues Muster 5 beginnt« Durch dös flächenhaft kleine, immer wiederkehrende Muster entsteht für das Leichtbauteil 1 der Gesamteindruck eines symmetrischen flächenhaften Aufbaus« Die Erfindung ist nicht auf das gezeigte Muster 5 beschränkt, es kann vorteilhaft jedes andere, den Anforderungen genügende Muster verwendet werden«

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Entsprechend Fig. 4 können einzelne Wickelabschnitte mit Mustern 6 und verstärkten Fasersträngen 7 ausgeführt sein, wobei die benachbarten Wickelabschnitte beispielsweise entsprechend dem Muster 5 der Fig. 1 und Fasersträngen 3 aufgebaut sind. Die verstärkten Gewebeabschnitte 6 wirken wie Versteifungsrippen im Leichtbauteil 1 und ergeben mit verhältnismäßig geringem Materialaufwand eine erheblich höhere Festigkeit.

Die Fig« 5 zeigt einen Antennenkörper 10, bei dem so- wohl ein Antennenspiegel 11 als auch ein Stützkörper 12 für den Spiegel erfinderische Leichtbauteile -1 sind, die aus dem Laminat durch Pressen und Aushärten in ei~ ner sphärischen Form hergestellt sind.

Entsprechend der Fig. 6 und 7-werden zur Herstellung des Antennenspiegels 11 aus dem Wickellaminat vier gleiche sektorförmige Teile 13a bis 13d so ausgeschnitten, daß die die gewebeartigen Muster 5 abgrenzenden und beim Wickelverfahren zu oberst liegenden Faserstränge 8 jeweils im Winkel von etwa 90 aneinander liegen, wobei ss*B. jeweils der Faserstrang 8 im Sektor 13a an den Faserstrang 8 im Sektor 13b stößt* Bei dieser Anordnung der Leichtbauteile werden die durch das Kunstharz bedingten quergerichteten Wärnieausdehnungen der einzelnen Sektoren 13a bis I3d so kompensiert, daß für den gesamten Antennenspiegel der Wärmeausdehnungskoeffizient zu Null wird» Dieses Verhalten ist bei Raumfahrtantennen besonders wichtig, weil bei diesen durch schnell wechselnde Sonneneinstrahlung und Abschattung durch die Erde innerhalb etwa 72 Minuten eine Temperaturveränderung von +120° C auf -160⁰C eintreten kann. Um die

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Festigkeitseigenschaften des Antennenspiegels zu gewährleisten, überlappen sich die Sektoren 13a bis d ure etwa die Breite eines Musters 5. Es liegt im Rahmen der Erfindung, an Stelle von vier Sektoren 13a bis α auch beliebige andere Anzahl von Sektoren für den An~ tennenspiegel 11 vorzusehen.

Als weiteres Anwendungsbeispiel ist in der Fig. 8 eine Sandwichplatte 15 dargestellt, bei der Deckschichten erfinderische Leichtbauteile 1 sind. Zwischen den Deckschichten 16 ist ein Stützkörper 17 angeordnet, der in bekannter Weise 2.B, aus Honigwaben hergestellt wurde*

- Patentansprüche ~-

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Claims

Messerschmitt-Bölkow-Blohmm Ottobrunn,19. Dezember 1974

Gesellschaft mit BT 012 Hi/hv

beschränkter Haftung, 7784 München

Patentansprüche

I* Flächenhaftes Leichtbauteil aus kohlefaserverstärktem Kunststoff, das aus einem aus vorimprägnierten Garnen oder Rovings im Wickelverfehren vorgefertigten und durch Pressen weiterverarbeiteten .Laminat hergestellt ist, gekennzeichnet durch einen Aufbau aus gitterförniig angeordneten, aus mehreren Garnen oder Rovings (2) zusammengesetzten bandförmigen Fasersträngen (3,4), v.^!obei die sich kreuzenden Faserstränge zu einer webeartigen Bindung verarbeitet sind.

2« 1/fcichtbautfeil nach Anspruch "5, dadurch g e k e η η - ζ e i c h η e t, daß jeder Faserstrang (3,4) vorzugsweise aus zwei Schichten von je drei Garnen oder Ro~ vings (2) besteht.

3. Leichtbauteil nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine über die Fläche verteilte unterschiedliche Anzahl von Schichten pro Paserstrang (3,4) und von Garnen oder Rovings (2) pro Schicht.

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4* Leichtbauteil nach den Ansprüchen 1 und 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die webeartigen Bindungen der Faserstränge (3,4) zu einem flächig begrenzten, sich stets wiederholenden Muster (5) geordnet sind*

5· Leichtbauteil nach Anspruch 1 und einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichn e t, daß es als einseitige Abdeckung oder als überwiegendes Konstruktionselement eines Baukörpers oder als Deckschichten (16) für ein S ar.dwichbau teil dient,

6» -Leichtbauteil nach Anspruch 5, dadurch g e k e η η ~ zeichnet, daß es sur Herstellung von Teilen
mit doppelt sphärischer Krümmung_$ z.B* von Antennenspiegeln (11) und deren Stützkonstruktion (12) dient«

7, Leichtböuteil nach Anspruch 6, dadurch g e k e η η ~ zeichnet, daß der Antennenspiegel (11) aus vier sektorförmig angeordneten Leichtbauteilen (13a bis d) besteht, wobei die Muster (S) unter etwa 90° aneinander stoßen*

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