DE2524011B1

DE2524011B1 - Dynamisch belastbares verbundbauteil

Info

Publication number: DE2524011B1
Application number: DE19752524011
Authority: DE
Inventors: Hans-Juergen Dr-Ing Hahn
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1975-05-30
Filing date: 1975-05-30
Publication date: 1976-09-16
Also published as: DE2524011A1; FR2312370B1; US4132825A; GB1544847A; FR2312370A1; DE2524011C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein dynamisch belastbares Verbundbauteil mit einem oder mehreren, z. B. gruppenweise angeordneten, je zwischen einen Lasteinleitungsbeschlag und eine Lastaufnahmeplatte, insbesondere das Hautblech einer dynamischen Bruchzelle von Luftfahrzeugen, unter flächiger Verklebung eingesetzten Kraftübertragungselement(en) aus elastischem Material.

Bei bekannten Verbundbauteilen dieser Art, bei denen zwischen den Lasteinleitungsbeschlag und die Lastaufnahmeplatte ein Gummiklotz mit einem lösemittelfreien und drucklos kaltaushärtenden Reaktionsklebstoff, z. B. einem modifizierten Epoxidharz- oder Polyurethan-Vorprodukt in Form eines Zweikomponenten-Klebers, geklebt wird, reicht die Bruchfestigkeit in vielen Anwendungsfällen nicht aus, beispielsweise wenn derartige Bauteile bei Belastungsversuchen an Bruchzellen von Luftfahrzeugen zum Einsatz kommen, wo der Gummiklotz ohne unzulässige, die Meßergebnisse verfälschende Versteifung des Hautblechs mit diesem verbunden werden muß und die Verbindung vor allem bei Langzeitversuchen unter dynamischen Lasten in oft ungünstigen Frequenzbereichen enormen Beanspruchungen ausgesetzt ist, selbst wenn aus Gründen einer Verteilung des Lastangriffs eine gruppenweise Anordnung mehrerer Kraftübertragungselemente in einer der zu übertragenden Last entsprechenden Anzahl gewählt wird.

Weiterhin ist es bekannt, das Kraftübertragungselement im Wege des Reaktionsgießverfahrens durch eine kaltaushärtende, zähflüssige Gießmasse aus Polyurethan-Vorprodukten aufzubringen, die unmittelbar auf das Hautblech gegossen wird und sich mit diesem und dem Lasteinleitungsbeschlag fest verbindet. Die Adhäsion dieser gegossenen Polyurethanelastomeren am Leichtmetall erreicht zwar hohe Werte, jedoch ist die Belastbarkeit derartiger Verbundbauteile ebenfalls wieder begrenzt, da hier bei stärkeren Zugschwell- oder Wechsellasten Kohäsionsbrüche auftreten. Außerdem sind die Gießmassen nur begrenzt lagerfähig und neigen infolge von Nebenreaktionen zu Lunkerbildungen, so daß derartige Verbundbauteile meist nur für Anwendungsfälle mit vergleichsweise geringen Zugbeanspruchungen verwendbar sind.

Schließlich ist es bekannt, daß Polyurethan-Formlinge von offenzellig-poröser Struktur, die im Druckgießverfahren unter Einwirkung von Wärme hergestellt werden, eine hohe Zerreißfestigkeit bei großer Bruchdehnung, sehr guter Weiterreißfestigkeit und Beständigkeit gegen Sauerstoff, Ozon, öl und Kraftstoff aufweisen, wobei sie hinsichtlich Bruchdehnung, Festigkeit und bleibender Dehnung gummiähnlichen Werkstoffen entsprechen, ihre vergleichsweise hohe Härte bei gleichzeitig großer Elastizität jedoch von keinem anderen Elastomeren erreicht wird. Aufgrund dieser günstigen Materialeigenschaften derartiger offenzelliger Polyurethan-Formlinge ist ein Kohäsionsbruch im Bereich der bei Belastungsversuchen, vorzugsweise an Flugzeugbruchzellen, zu übertragenden Belastungen auch bei Langzeitversuchen, also etwa mehr 10⁷ Lastwechseln, ausgeschlossen, jedoch kommt es hier wieder wegen der begrenzten Haft- und Schälfestigkeit der Klebung an der Verbindungsstelle mit dem Lasteinleitungsbeschlag oder dem Hautblech zu Adhäsionsbrüchen.
Demgegenüber soll erfindungsgemäß ein Verbundbauteil der eingangs erwähnten Art geschaffen werden, das wirtschaftlich herzustellen ist und hohe Dauerbelastungen in Form von Zugschwell- oder Wechsellasten bruchsicher zu übertragen vermag.
Zu diesem Zweck schafft die Erfindung ein Verbundbauteil der eingangs erwähnten Art, das dadurch gekennzeichnet ist, daß jedes Kraftübertragungselement ein durchgehend auch an den Klebflächen offenzellig ausgebildeter Zellpolyurethan-Formling ist und durch ein feuchtigkeitshärtendes Polyurethan-Prepolymer verklebt ist.

Bei dem erfindungsgemäß ausgebildeten Verbundbauteil sind die hohe Härte und Elastizität des im Druckgießverfahren unter Wärmeeinwirkung hergestellten Formlings kombiniert mit einer optimalen, hochfesten Klebung durch das feuchtigkeitshärtende Polyurethan-Prepolymer; da nämlich der Formling an der Klebefläche ebenfalls offenzellig und ohne die übliche Preßhaut ausgebildet ist, dringt der Kleber

ORiQlNAL INSPECTED

einige Millimeter tief in das Zellmaterial ein, so daß unter Verringerung der Scher- und Schälspannung in der Klebefuge eine mechanische Verankerung erreicht und die kritische Zone größter Dehnung unter Zugschwellast von der empfindlichen Klebefuge in den Zellpolyurethankern verlegt wird, mit der Besonderheit, daß durch entsprechende Wahl des Klebers der Elastizitätsmodul und die Festigkeit der Klebeschicht beträchtlich erhöht werden. Die dynamische Belastbarkeit des erfindungsgemäßen Verbundbauteils liegt daher um ein Vielfaches höher als bei den bekannten Konstruktionen.

Im Hinblick auf eine hohe Dauerbruchfestigkeit hat der Formling zweckmäßigerweise ein Raumgewicht von 400 bis 600 kg/m³.

Ferner empfiehlt es sich, daß der Formling zwischen seinen Klebeflächen eine um den Außenumfang verlaufende Hohlkehle aufweist, wodurch sich Elastizität und Härte des Formlings in Kraftübertragungsrichtung variieren lassen.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen des Verbundbauteils.

Ein derartiges Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß als Zellpolyurethan-Formling ein durch Druckgießen unter Wärmeeinwirkung hergestellter Formling, bei dem die Preßhaut zur Erzielung der offenzelligen Klebflächen entfernt ist, eingesetzt wird, wodurch sich das Verbundbauteil fertigungsmäßig besonders einfach und kostensparend herstellen läßt.

In Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, daß ein thixotrop eingestellter Kleber verwendet wird, um eine möglichst innige Durchtränkung des Formlings zu erreichen.

Da bei höheren Belastungen an die Adhäsion des Klebers an der Metallfläche extreme Anforderungen gestellt werden, besteht eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens darin, daß die zu verklebende(n) Metallfläche(n) mit einem Haftgrund aus einem dünnflüssigen, feuchtigkeitshärtenden Polyurethan-Vorprodukt mit freien Isocyanatgruppen versehen und das Zusammenbringen mit den mit Kleber getränkten Klebflächen des Formlings vor dem Aushärten des Haftgrundes vorgenommen wird, so daß Kleber und Haftgrund zugleich aushärten. Hierbei erfolgt die Aushärtung durch Reaktion der endständigen Isocyanatgruppen mit Feuchtigkeit der umgebenden Atmosphäre, die durch die offenzellige Struktur des vorgefertigten Formlings freien Zutritt zur gesamten Klebefläche hat. Die Reaktion zwischen dem Oxydhydratfilm der Leichtmetalloberfläche und den stark polaren Isocyanatgruppen des Haftgrunds führt zu Hauptvalenzbindungen, desgleichen die Reaktion zwischen Haftgrund und Klebeschicht sowie zwischen Klebeschicht und dem Zellmaterial des elastischen Formlings, wodurch neben der mechanischen Verankerung eine starke, chemisch bedingte Adhäsion wirksam wird. Durch Feuchtlagerung des Formlings können Aushärtung und Vernetzung des Einkomponentenklebers erheblich beschleunigt werden, wobei das Zellpolyurethan 2 bis 3% Wasser aufnimmt, das dann unmittelbar mit dem feuchtigkeitshärtenden Kleber reagiert. Dadurch wird die Aushärtung weitgehend von der Luftfeuchtigkeit unabhängig, wobei eine Anpassungsmöglichkeit hinsichtlich Härte und Elastizität sowohl des Formlings als auch der Klebeschicht in der Auswahl und gegenseitigen Abstufung der Isocyanate und der mit ihnen reagierenden, höhermolekularen hydroxylgruppenhaltigen Polyester oder Polyäther besteht, wie dies für Polyurethan-Kunststoffe an sich bekannt ist, und durch das gleichzeitige Aushärten von Kleber und Haftgrund eine hochbelastbare Verbindung erreicht wird.

Im Hinblick auf eine weitere Erhöhung der dynamischen Belastbarkeit der geklebten Verbindungsstellen empfiehlt es sich, das Aushärten der Klebefugen unter Wärmeeinwirkung vorzunehmen.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines erfindungsgemäß ausgebildeten Verbundbauteils vor dem Verkleben von Kraftübertragungselement und Lastaufnahmeplatte;

Fig.2 ein Verbundbauteil mit mehreren, gruppenweise angeordneten Kraftübertragungselementen und

F i g. 3 die Ansicht des Verbundbauteils gemäß F i g. 2 in Richtung A.

F i g. 1 zeigt ein Verbundbauteil 10 mit einem elastischen Kraftübertragungselement 12, das aus einem Zellpolyurethan-Formling mit durchgehend offenporiger Struktur besteht, welcher im Druckgießverfahren unterWärmeeinwirkung hergestellt ist und daher an seinen Außenflächen zunächst die übliche, fertigungsbedingte Preßhaut 28 aufweist. Verklebt ist der Formling 12, der an seiner Mantelfläche eine in Umfangsrichtung verlaufende Hohlkehle 24 trägt, mit einem Lasteinleitungsbeschlag 14 aus Stahl, an den die dynamischen Lasten über eine Schraube 18 übertragen werden, welche unter Sicherung durch einen Stift 20 mit dem Lasteinleitungsbeschlag 14 verschraubt ist.

Die Klebung erfolgt durch einen feuchtigkeitshärtenden Polyurethan-Einkomponenten-Reaktionskleber thixotroper Einstellung, nachdem die Preßhaut 28 an der dem Lasteinleitungsbeschlag 14 zugekehrten Klebefläche 22 des Formlings 12 z. B. durch Abschleifen entfernt wurde, so daß der Kleber über die offenzellige Klebefläche 22 einige Millimeter tief in das Kernmaterial eindringt, wie dies durch die Kreuzschraffur 26 dargestellt ist. Gewünschtenfalls kann die Klebefuge heiß gehärtet oder nachgehärtet werden.

In gleicher Weise wird das aus dem Formling 12 und dem damit verklebten Lasteinleitungsbeschlag 14 bestehende Verbundbauteil 10 unmittelbar mit der Lastaufnahmeplatte 16, z. B. dem Hautblech einer dynamischen Flugzeug-Bruchzelle, verklebt, wobei die an der der Klebefläche 22 gegenüberliegenden, freien Stirnfläche 23 des Formlings 12 befindliche Preßhaut 28 erst kurz vor der Klebung entfernt wird. Im Hinblick auf eine stark wirksame Adhäsion empfiehlt es sich, auf die Lastaufnahmeplatte 16 an ihrer Leichtmetalloberfläche einen dünnflüssigen Haftgrund in Form eines ebenfalls feuchtigkeitshärtenden Polyurethan-Vorprodukts thixotroper Einstellung mit freien Isocyanatgruppen aufzutragen, nachdem die Leichtmetalloberfläche in üblicher Weise für die Klebung vorbereitet wurde. Das Ausrichten, Andrücken und Fixieren des Formlings 12 am Hauptblech 16 erfolgt noch vor dem Ende der Härtungsreaktion von Haftgrund und Thixotropem Kleber.

Die Fig.2 und 3 zeigen eine Anordnung von mehreren Formungen 12, die gruppenweise in einer der zu übertragenden Last entsprechenden Anzahl in gleicher Weise wie gemäß F i g. 1 auf die Trägerplatte 30 des Lasteinleitungsbeschlages 14 aufgeklebt sind und dazu dienen, die dynamischen Lasten von einem mit dem Lasteinleitungsbeschlag 14 verbundenen Querarm 32 an das in strichpunktierten Linien dargestellte,

geringfügig gekrümmte Hautblech 16 einer dynamischen Bruchzelle zu übertragen, mit dem sie wiederum auf die oben beschriebene Weise unmittelbar verklebt werden.
Das Verbundbauteil vermag bei einem Raumgewicht des Formlings von 400 bis 600 kg/m³ Zugschwell- oder Wechselspannungen bis zu 6 kp/cm² auszuschalten, wobei sich auch nach 10⁷ Lastwechseln noch keine Bruchbildung am Verbundbauteil zeigt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Dynamisch belastbares Verbundbauteil mit einem oder mehreren, z. B. gruppenweise angeordneten, je zwischen einen Lasteinleitungsbeschlag und eine Lastaufnahmeplatte, insbesondere das Hautblech einer dynamischen Bruchzelle von Luftfahrzeugen, unter flächiger Verklebung eingesetzten Kraftübertragungselement(en) aus elastischem Material, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Kraftübertragungselement ein durchgehend auch an den Klebeflächen (22, 23) offenzellig ausgebildeter Zellpolyurethan-Formling (12) ist und durch ein feuchtigkeitshärtendes Polyurethan-Prepolymer verklebt ist.

2. Verbundbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Formling (12) ein Raumgewicht von 400 bis 600 kg/m³ aufweist.

3. Verbundbauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Formling (12) zwischen seinen Klebeflächen (22, 23) eine um den Außenumfang verlaufende Hohlkehle (24) aufweist.

4. Verfahren zum Herstellen eines Bauteils nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Zellpolyurethan-Formling ein durch Druckgießen unter Wärmeeinwirkung hergestellter Formling, bei dem die Preßhaut zur Erzielung der offenzelligen Klebflächen entfernt ist, eingesetzt wird.

5. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein thixotrop eingestellter Kleber verwendet wird.

6. Verfahren zum Herstellen eines Bauteils nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zu verklebende(n) Metallfläche(n) mit einem Haftgrund aus einem dünnflüssigen, feuchtigkeitshärtenden Polyurethan-Vorprodukt mit freien Isocyanatgruppen versehen und das Zusammenbringen mit den mit Kleber getränkten Klebflächen des Formlings vor dem Aushärten des Haftgrundes vorgenommen wird, so daß Kleber und Haftgrund zugleich aushärten.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Aushärten der Klebefugen unter Wärmeeinwirkung vorgenommen wird.