DE2460807B2 - Flächenhaftes Leuchtbauteil aus faserverstärktem Kunststoff - Google Patents
Flächenhaftes Leuchtbauteil aus faserverstärktem KunststoffInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein flächenhaftes Leichtbauteil entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Durch die DE-OS 20 52 431 ist bereits ein faserverstärktes Kunststofflaminat bekannt, das aus aus
vorimprägnierten Garnen oder Rovings vorgefertigten und durch Pressen zu flächenhaften Leichtbauteilen
weiterverarbeitbarem Laminat besteht. Bei diesem bekannten Laminat werden aus kunststoffgetränkten
Glasfasersträngen sich kreuzende Rippenstege gebildet, wobei sich die Glasfaserstränge an den Kreuzungsstellen
gegenseitig durchdringen und jede Kreuzungsstelle der Glasfaserrippen fadenförmige, schlingenartige Verbindungselemente
enthält, die durch Umschlingen der beiden sich kreuzenden Glasfaserrippen diese an eine
harzgetränkte Glasgewebeunter- oder -Oberschicht festmacht. Dieses bekannte Laminat beschränkt sich auf
die Verwendung von Glasfasersträngen, die wegen ihrer geringen Materialfestigkeit und des geringen Elastizitätsmoduls
zu keinen hochbeanspruchten Bauteilen weiterverarbeitet werden können. Außerdem erfordert
das Durchdringen der einzelnen Faserstränge an den Kreuzungsstellen und das Verbinden mit den Glasgewebeunter-
oder -Oberschichten einen erheblichen Fertigungsaufwand.
Weiterhin ist durch die DE-OS 17 04 640 ein Kunststofflaminat aus mindestens zwei aus Glasfasern
bestehenden Schichten bekannt, wobei die eine Schicht aus einem Grundgewebe besteht, an das der Verstärkung
dienende, aus Fasersträngen gebildete Rippen angeordnet sind. Die Rippenschicht wird auf eine
Trägerschicht aufgelegt und beide Schichten werden dann mit Kunststoff getränkt und ausgehärtet Dieses
Laminat weist etwa die gleichen bereits erwähnten Nachteile auf.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, Leichtbauteile der eingangs erwähnten Art mit besseren Festigkeitseigenschaften zu schaffen, die außerdem leichter zu fertigen sind.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, Leichtbauteile der eingangs erwähnten Art mit besseren Festigkeitseigenschaften zu schaffen, die außerdem leichter zu fertigen sind.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Leichtbauteil mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des
ίο Anspruchs 1 und der Unteransprüche 2 und 3. Der
wesentliche durch die Erfindung erzielte Fortschritt besteht darin, daß durch das webeartige Verbinden der
Faserstränge zu sich stets wiederholenden Mustern ein symmetrisches und ebenes Flächenbauteil entsteht,
welches durch die Verwendung von Kohlefasern zu Bauteilen von hoher Wärmefestigkeit weiterverarbeitet
werden kann. Bei besonders hochbeanspruchten Teilen kann mit einer parallel höheren Anzahl der Schichten
pro Faserstrang und der Garne oder Rovings pro Schicht mit geringem Materialaufwand eine beträchtliche
Gesamtverstärkung des aus dem Laminat hergestellten Leichtbauteils erzielt werden.
Das erfindungsgemäße Leichtbauteil kann entsprechend den Unteransprüchen 4 bis 6 zu unterschiedlichen,
sowohl flächigen als auch gekrümmten Bauteilen und Konstruktionselementen verwendet werden. Die
bevorzugten Anwendungsmöglichkeiten liegen bei Leichtbauieilen für die Luft- und Raumfahrt zur
Erzielung von weiteren Gewichtseinsparungen gegenüber bekannten Materialien. Anwendungsgebiete in der
Luftfahrt sind z. B. Flügelklappen, Fußbodenkonstruktionen' und in Radome eingebaute Antennen. Bei
letzteren kann gegenüber den bisheiigen 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 kohlefaserveistärktem Kunststoff aus.
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von in der
so Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigt
F i g. 1 die Draufsicht auf einen Ausschnitt aus einem Leichtbauteil;
Fig.2 einen Querschnitt in stark vergrößerter Darstellung durch einen aus sechs Rovings gebildeten Faserstrang;
Fig.2 einen Querschnitt in stark vergrößerter Darstellung durch einen aus sechs Rovings gebildeten Faserstrang;
Fig.3 einen Querschnitt wie Fig. 2 mit einem Faserstrang aus zwölf Rovings;
F i g. 4 eine Seitenansicht in vergrößerter Darstellung von einem Leichtbauteil mit unterschiedlich aufgebauten Fasersträngen;
F i g. 4 eine Seitenansicht in vergrößerter Darstellung von einem Leichtbauteil mit unterschiedlich aufgebauten Fasersträngen;
F i g. 5 eine Antenne mit Stützgerüst in der Seitenansicht;
F i g. 6 eine Draufsicht auf die Antenne nach F i g. 5;
b5 F i g. 7 ein Detail VII aus der F i g. 6 und
F i g. 8 eine Sandwichplatte.
F i g. 8 eine Sandwichplatte.
Das ausschnittsweise dargestellte, fläclienhafte Leichtbauteil 1 ist aus einem Wickellaminat aus
kohlefaserverstärktem Kunststoff hergestellt. Beim nicht dargestellten Wickelverfahren werden Rovings,
die aus einer großen Anzahl von Kohlenstoffasern 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 dem
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 F i g. 1 bis 3 Rovings 2 zu Fasersträngen 3 (Fig.2) oder 4
(F i g. 3) gewickelt, die in einem waagerechten Abstand a und einem senkrechten Abstand b, welche 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 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, v, obei für
nicht zu hoch beanspruchte Leichtbauteile auch einschichtige Faserstränge möglich sind.
In dem Leichtbauteil 1 sind eine Anzahl von siets wiederkehrenden gewebeartigen Mustern 5 dargestellt,
weiche je vier Faserstränge 3 oder 4 in waagerechter und senkrechter Richtung umfassen. Das gezeigte
Muster 5 mit seinen unterschiedlichen Verkreuzungen ergibt eine sehr feste Bindung der einzelnen Faserstränge
untereinander und damit ein in allen Belastungsrichtungen steifes Bauteil. Beim dargestellten Muster 5
werden die Faserstränge 3 oder 4 so gewickelt, daß ein zuletzt gewickelter Faserstrang 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 das 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.
Entsprechend der F i g. 4 können einzelne Wickelabschriitte mit Mustern 6 und verstärkten Fasersträngen 7
ausgeführt sein, wobei die benachbarten Wickelabschnitte beispielsweise entsprechend dem Muster 5 der
F i g. 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 F i g. 5 zeigt einen Antennenkörper 10, bei dem sowohl ein Antennenspiegel 11 als auch ein Stützkörper
12 für den Spiegel Leichtbauteile 1 sind, die aus dem Laminat durch Pressen und Aushärten in einer
sphärischen Form hergestellt sind.
Entsprechend der F i g. 6 und 7 werden zur Herstellung
des Antennenspiegels 11 aus dem Wickellaminat vier gleiche sektorförmige Teile 13a bis 13c/ 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 z. B. jeweils der Faserstrang
8 im Sektor 13a an den Faserstrang 8 im Sektor 13i>
stößt Bei dieser Anordnung der Leichtbauteile werden die durch das Kunstharz bedingten quergerichteten
Wärmeausdehnungen der einzelnen Sektoren 13a bis 13c/ 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 +1200C auf — 16O0C eintreten kann.
Um die Festigkeitseigenschaften des Antennenspiegels zu gewährleisten, überlappen sich die Sektoren 13a bis d
um etwa die Breite eines Musters 5. Es liegt im Rahmen der Erfindung, an Stelle von vier Sektoren 13a bis dauch
beliebige andere Anzahl von Sektoren für den Antennenspiegel 11 vorzusehen.
Als weiteres Anwendungsbeispiel ist in der Fig.8 eine Sandwichplatte 15 dargestellt, bei der Deckschichten
16 Leichtbauteile 1 sind. Zwischen den Deckschichten 16 ist ein Stützkörper 17 angeordnet, der in
bekannter Weise z. B. aus Honigwaben hergestellt wurde.
Claims (6)
1. Flächenhaftes Leichtbauteil aus faserverstärktem Kunststoff, bestehend aus gitterförmig mit
Abstand zueinander angeordneten, vorimprägnierten Garnen oder Rovings, dadurch gekennzeichnet,
daß das Gitter aus sich webeartig kreuzenden Strängen (3, 4) aus Kohlefasern mit
dabei stets wiederholendem Muster (5) besteht
2. Leichtbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Faserstrang (3, 4)
vorzugsweise aus zwei Schichten von je drei Garnen oder Rovings (2) besteht
3. Leichtbauteil nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine über die Fläche verteilte unterschiedliche
Anzahl von Schichten pro Faserstrang (3,4) und von Garnen oder Rovings (2) pro Schicht
4. Verwendung des Leichtbauteils nach Anspruch 1 und einem oder mehreren der Ansprüche 2 und 3
als einseitige Abdeckung oder als überwiegendes Konstruktionselement eines Baukörpers oder als
Deckschichten (16) für ein Sandwichbauteil.
5. Verwendung des Leichtbauteils nach Anspruch 1 und einem oder mehreren der Ansprüche 2 und 3
zur Herstellung von Teilen mit doppelt sphärischer Krümmung, z.B. von Antennenspiegeln (11) und
deren Stützkonstruktion (12).
6. Verwendung des Leichtbauteils nach Anspruch 1 und einem oder mehreren der Ansprüche 2 und 3
zur Herstellung des Antennenspiegels (11) aus vier sektorförmig angeordneten Leichtbauteilen (13a bis
d), wobei die Muster (5) unter etwa 90° aneinander stoßen.
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