DE3027307A1 - Verfahren zur herstellung einer honigwabenstruktur und danach hergestellte honigwabenstruktur - Google Patents

Verfahren zur herstellung einer honigwabenstruktur und danach hergestellte honigwabenstruktur

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DE3027307A1 DE19803027307 DE3027307A DE3027307A1 DE 3027307 A1 DE3027307 A1 DE 3027307A1 DE 19803027307 DE19803027307 DE 19803027307 DE 3027307 A DE3027307 A DE 3027307A DE 3027307 A1 DE3027307 A1 DE 3027307A1
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Description

The Secretary of State for Defence in Her Britannic Majesty's Government of the United Kingdom of Great Britain and Northern Ireland, Whitehall, London SWlA 2HB, Großbritannien
Verfahren zur Herstellung einer Honigwabenstruktur und danach hergestellte Honigwabenstruktur
Die Erfindung bezieht sich auf Honigwabenstrukturen.
Untereinander zur Bildung einer Gruppe von aneinander angrenzenden hexagonalen Zellen verbundene Materialbahnen, wobei die Zellen zu den Oberflächen der Bahnen senkrecht stehen, sind als Honigwabenstrukturen bekannt. Solche beispielsweise aus Bahnen von Papier, Baumwolle oder Glasfasern hergestellte Strukturen sind seit vielen Jahren auf dem Gebiet der Baumaterialien bekannt. Metall, z. B. Aluminium, und "NOMEX" wurden ebenfalls in weitem Ausmaß zur Bildung von Honigwabenstrukturen verwendet. Diese Strukturen bieten eine Verringerung der Dichte ohne eine übermäßige Verringerung derFestigkeitoder Steifigkeit im Vergleich mit gleichartig bemessenenkomPakten Bauteilen aus dem gleichen Material.
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Für Hochfestigkeits-, Hochsteifigkeitsanwendungsfalle, wie z. B. bestimmte Anwendungen in der Raumfahrtindustrie, ist das beste für die Herstellung von Honigwabenstrukturen verfügbare Material Aluminium. Jedoch wäre es in bestimmten Verwendungsfällen, z. B. bei Seglerflügeln und bewegten Flugzeugsteuerflächen, wie z. B. Leitwerk, Bremsen und Landeklappen, vorteilhaft, eine Honigwabenstruktur vorzusehen, die eine größere Steifheit und Festigkeit, jedoch eine niedrigere Dichte als eine Aluminium-Honigwabenstruktur mit den gleichen Zellenabmessungen aufweist.
Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer Honigwabenstruktur zu entwickeln, die eine größere Steifheit und Festigkeit, jedoch eine geringere Dichte als eine entsprechende Aluminium-Honigwabenstruktur mit den gleichen Zellenabmessungen aufweist, und eine entsprechende Honigwabenstruktur zur Verfügung zu stellen.
Gegenstand der Erfindung, womit diese Aufgabe gelöst wird, ist zunächst ein Verfahren zur Herstellung einer Honigwabenstruktur, die durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet ist:
(a) Herstellen einer Mehrzahl von aus Kohlenstoff-Fasern aufweisenden Fasern bestehenden flexiblen Bahnen,
(b) Abscheiden einer Gruppe von einzelnen Bereichen aus einem klebrigen Haftmittel, das an den Fasern der Bahn haftet, sich jedoch von den Bereichen nicht wesentlich über die Bahn ausbreitet, auf jeder Bahn,
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-β
(c) Verkleben der Bahnen miteinander derart, daß die Gruppen der Haftmittelbereiche auf den abwechselnden Bahnen eine gegenseitige seitliche Versetzung aufweisen und die Haftmittelbereiche auf jeder Bahn an den entsprechenden Bereichen der angrenzenden Bahn haften,
(d) Auseinanderspreizen der Bahnen an Bereichen, die nicht mittels der Haftmittelbereiche aneinandeijhaften, so daß eine Honigwabenstruktur von den Bahnen gebildet wird, wobei die Haftmittelbereiche Verbindungen zwischen benachbarten Zellen der Struktur bilden,
(e) Einbringen eines erhärtbaren Materials in die Struktur bei auseinandergespreizten Bahnen zur Verbindung mit den Bahnen und zur Versteifung der Struktur zwecks Beibehaltung der Honigwabenform und
(f) Erhärtenlassen des im Schritt (e) eingebrachten Materials, so daß die Struktur ihre Honigwabenform behält.
Ausgestaltungen dieses Verfahrens sind in den Unteransprüchen 2 bis 12 gekennzeichnet.
Im Schritt (a) des erfindungsgemäßen Verfahrens können die Fasern der Bahnen gänzlich aus Kohlenstoff-Fasern oder ein Verbund von Kohlenstoff-Fasern und anderen Fasern, z. B. Glasfasern, sein. Vorzugsweise sind die Fasern in Form gewebter Garne, wobei jedes Garn der Kohlenstoff-Fasern vorzugsweise 5000 Fasern je Garn oder weniger, vorteilhaft etwa 3000 Fasern je Garn aufweisen sollte.
Wenn die Bahnen gewebt sind, kann die Zahl der Garne bzw. Fäden je cm, die in einer Webrichtung (z.B. in der Kettenrichtung) laufen, der Zahl von Garnen b2w*\.Fäden
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je cm, die in der anderen Webrichtung (z. B. in der Schußrichtung) laufen, gleich oder nichtjgleich sein.
Die Faserbahnen können mit als Schlichtflüssigkeiten bekannten Materialien imprägniert werden, die üblicherweise verwendet werden, um Kohlenstoff-Fasern zusammenzuballen, damit ein Auffasern der Garne verhindert wird. Solche Materialien können geringe Mengen von Harzmaterialien enthalten. Jedoch sollten die Bahnen nicht mit Harzmaterial in solchen Mengen behandelt werden,daß sie durch das Material merklich versteift werden, weil sie sonst nicht geeignet flexibel zum Auseinanderspreizen in den Schritten (d) und (e) wären. Ein unpassender Grad der Versteifung würde beispielsweise der sein, der durch Imprägnieren der Kohlenstoff-Fasern in einem teilweise ausgehärteten Kunstharz wie bei der Herstellung von "Prepreg"-Bahnen und anschließendes Aushärten dieser Bahnen erhalten wird, bevor die Ausdehnung erfolgt.
Im Schritt (b) sind die Haftmittelbereiche vorzugsweise Streifen. "Klebriges" Haftmittel bedeutet, daß das Haftmittel ohne weiteres an den Bahnen haftet. Die Haftmittelbe reiche brauchen nur an einer Oberfläche jeder Bahn abgeschieden zu werden.
Das Haftmittel kann eines der folgenden sein: Polyvinylacetat, Polyvinylalkohol, Polyvinyläther, Stärkelösung, Traubenzuckerlösung, Neopren oder Resorcinol/Formaldehyd.
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Wenn die Haftmittelbereiche Streifen sind, werden im Schritt (c) die Bahnen so gestapelt, daß die Streifen auf verschiedenen Bahnen alle zueinander parallel verlaufen.
Im Schritt (d) kann die Form der Zellen der Honigwabenstruktur eine regelmäßige hexagonale Form sein oder nicht, doch wird eine solche regelmäßige hexagonale Form bevorzugt.
Im Schritt (e) kann das eingebrachte Material jedes geiegnete kalthärtende oder warmhärtende Kunstharz oder ein thermoplastisches Polymeres enthalten, wie z. B. irgendeines der bei der Herstellung von mit Kohlefasern verstärkten Kunststoffen bekannten Kunstharze oder Polymeren, z. B. Polyesterharze, Epoxyharze, Friedel-Crafts-Harze, Polyäthersulfone oder Polyimide, zusammen mit irgendeinem geeigneten bekannten Härter, z. B. irgendeinem der Bortrifluoridkomplexsalze, wie sie zur Verwendung mit Epoxyharzen gut bekannt sind, oder irgendeinem bekannten thixotropen oder anderen Füllstoff, falls erforderlich.
Wenn das im Schritt (e) eingebrachte Material eine ein thermoplastisches Material enthaltende Lösung ist, ist es während der Einbringung erforderlich, das Material in enge Berührung mit den Bahnen fließen zu lassen, worauf ein Austrocknen des Lösungsmittels durch Wärme folgt.
Wenn das im Schritt (e) eingebrachte Material ein warmhärtendes Kunstharz enthält, folgt der Schritt (f) mittels dor Einwirkung von Wärme zur Aushärtung des Kunstharzes,
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während die Honigwabenstruktur ständig im aufgespreizten Zustand bleibt.
Gegenstand der Erfindung ist außerdem eine Honigwabenstruktur, die das Produkt des erfindungsgemäßen Verfahrens ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren bietet einen praktischen Weg zur Herstellung einer Honigwabenstruktur aus Kohlenstoff-Fasern. Das Produkt des Verfahrens kann mit einer größeren Steifigkeit und einer höheren Festigkeit, jedoch einer geringeren Dichte als eine Aluminium-Honigwabenstruktur gleicher Abmessungen erhalten werden.
Das erfindungsgemäße Produkt kann als eine Leichtgewichtfüllung für Laminat strukturen, ζ. Β. Flügelkonstruktionen oder Fußbodenplatten, verwendet werden. Die äußeren Schichten solcher Laminat strukturen können aus irgendeinem geeigneten Material, z. B. Holz, Metall, Kunststoffen oder verstärkte Kunststoffe11 j in Abhängigkeit vom Anwendungsfall hergestellt sein. Die äußeren Schichten können mit der Füllung mittels eines geeigneten bekannten Klebers, z. B. eines kalthärtenden flüssigen Epoxyharzes ,verbunden werden.
Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiele näher erläutert; darin zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt eines Stapels von Kohlenstoff -Fasergespinstbahnen;
Fig. 2 einen Querschnitt einer der in Fig. 1 dargestellten Bahnen; und
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Fig. 3 einen Querschnitt des in Fig. 1 gezeigten, zu einer Honigwabenstruktur auseinandergespreizten Stapels.
Gemäß Fig. 1 wird, z. B. wie unten beschrieben, ein Stapel 9 aus einer Gruppe von Bahnen 1 aus gewebtem Kohlenstoff-Fasertuch abwechselnd mit einer Gruppe von Bahnen 5 aus dem gleichen Tuch hergestellt. Das Tuch kann ein 5-Spindelsatin sein, der e twa 3000 Fasern je Garn bzw. Faden enthält, wobei die Fasern eine Dicke von etwa 7,5-8,5 /Um aufweisen. ß
Eine der Bahnen 1 ist gesondert in Fig. 2 dargestellt. Eine Gruppe von parallelen Streifen 3 aus einem Haftmittel wird, z. B. durch Seidensiebdruck, auf der Oberseite jeder Bahn 1 abgeschieden. Das Material der Streifen kann eines der folgenden sein: Polyvinylacetat, Polyvinylalkohol, Polyvinylather, Stärkelösung, Traubenzuckerlösung, Neopren oder Resorcinol/Formaldehyd. Diese ~ sind sämtlich klebrige Materialien, d. h. haften ohne weiteres an der Bahn 1. Sie werden auch nach dem Haften an der Bahn 1 nicht brüchig. Der Abstand zwischen benachbarten Streifen 3 beträgt etwa das Dreifache der Breite der Streifen 3.
Die Bahnen 5 haben auf ihren Oberseiten eine Gruppe paralleler Streifen 7, die aus dem gleichen Material bestehen und nach der gleichen Abscheidungstechnik wie die Streifen 3 abgeschieden werden, wie unten erläutert wird. Tatsächlich sind die Streifen 7 in jeder Hinsicht die gleichen wie die Streifen 3 mit der Ausnahme, daß eine
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seitliche Versetzung zwischen den zwei Gruppen vorliegt und es folglich im gewählten Beispiel mehr Streifen je Bahn 5 als Streifen 3 je Bahn 1 gibt. Die seitliche Versetzung ist halb so groß wie die seitliche ^Periode der Streifen 3, so daß sich die Streifen 3 seitlich immer in der Mitte zwischen den benachbarten Streifen befinden und daß sich die Streifen 7 jeweils seitlich in der Mitte zwischen benachbarten Streifen 3 befinden.
Der Stapel 9 wird bald nach der Abscheidung der Streifen 3 und 7 auf den Bahnen 1 bzw. 5 errichtet, so daß das Haftmittel an der Unterseite der nächsten Bahn 1 oder 5 geeignet klebt, solange es noch klebrig ist.
Ein Beispiel eines Verfahrens zur Bildung des Stapels 9 ist folgendes. Gleiche Längen von Kohlenstoff-Fasertuch von einer einzelnen Rolle werden zur Bildung der Bahnen 1 und 5 geschnitten, die abwechselnd in einem einzelnen Zug durch (nicht gezeigte) Rollen und Führungen zu einem (nicht gezeigten) Abscheidungsbett geleitet werden, wo die Haftmittelstreifen 3 und 7 nach einer bekannten Technik, z. B. Seidensiebdruck, auf den Bahnen 1 bzw. 5 abgeschieden werden. Das Bett hat einen bekannten Verschiebungsmechanismus, der das Bett seitlich zwischen der Aufnahme aufeinanderfolgender Bahnen 1 oder 5 hin- und herführt, so daß die Streifen 3 relativ zu den Streifen 7 seitlich versetzt werden. Die Bahnen und 5 werden dann durch weitere (nicht dargestellte) Rollen und Führungen in ein (nicht dargestelltes) Sammelbecken geleitet, wo der Stapel 9 aufgebaut wird.
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Die oberste Bahn des Stapels 9, die in Fig. 1 mit 11 bezeichnet ist, benötigt keine Haftmittelstreifen auf ihrer Oberseite.
Nachdem der Stapel 9 fertiggestellt ist, ordnet man oben auf der Bahn 11 ein (nicht gezeigtes) Gewicht an, um das Verkleben zwischen den Bahnen 1 und 5 durch das Haftmittel der Streifen 3 und 7 besonders am oberen Ende des Stapels 9 zu fördern. Das Gewicht wird dort 30 bis 45 min gelassen.
Nach Abnahme des Gewichts wird der Stapel vertikal in bekannter Weise, z. B. durch Verbinden eines (nicht dargestellten) Furnierholzes mit der untersten Bahn (einer der Bahnen 5 in Fig. 1), anschließendes Erfassen der untersten Bahn und Anheben der obersten Bahn 11 mit in die Zwischenräume zwischen der Bahn 11 und der nächsten Bahn (einer der Bahnen 5 in Fig. 1) und zwischen den Streifen 3 eingeführtenflachen Fingern, auseinandergespreizt. Dieses Auseinanderspreizen erfolgt zweckmäßig in einer (nicht dargestellten) starren Ausτ härt-Eiispannvorrichtung, um konstante Ausdehnungsgrade zu erzielen.
Durch dieses Auseinanderspreizen wird aus dem Stapel 9 eine Honigwabenstruktur gebildet, wie in Fig. 3 gezeigt ist. Die Streifen 3 und 7 bilden vertikale Bindeglieder zwischen benachbarten Zellen in der Struktur. Der Stapel 9 wird in dieser Honigwabenstrukturform in einen (nicht dargestellten) Tank überführt, der eine Lösung eines
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Imprägniermaterials, das zur Erhärtung der Honigwabenstruktur geeignet ist, z. B. eine warmhärtende Epoxyharzlösung, wie etwa "Shell Epikote DX21O" mit 11BF3 4OO"-Härter, enthält, die nach Lufttrocknung bei einer Temperatur von 150-160 C während 60 min ausgehärtet wird.
Nach Entnahme aus der Aushärt-Einspannvorrichtung und nachfolgendem Kühlen kann die erhaltene, steife mit Kohlenstoff-Fasern verstärkte Honigwabenstruktur in vertikale Scheiben geschnitten werden, die bei irgendeiner bekannten Anwendungsart für eine Leichtgewichtsfüllung einer Laminatstruktur, z, B. den Leichtgewichtkern einer
Laminatstruktur für eine Fußbodenplatte, verwendet werden können. Die Außenschichten der Laminatstruktur können aus mit Kohlenstoff-Fasern verstärkten Kunststoffen oder Kohlenstoff/Glas-Verbund sein und mit der Honigwabenfüllung durch ein geeignetes Bindemittel, z. B. ein kalthärtendes Epoxyharz, das mit einem thixotropen Siliziumdioxidfüllstoff zur Verhinderung des Tropfens in die Zellen der Honigwabenstruktur verdickt ist, verbunden werden.
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Claims (14)

  1. Ansprüche
    "\J Verfahren zur Herstellung einer Honigwabenstruktur, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
    (a) Herstellen einer Mehrzahl von aus Kohlenstoff-Fasern aufweisenden Fasern bestehenden flexiblen Bahnen (1, 5),
    (b) Abscheiden einer Gruppe von einzelnen Bereichen (3, 7) aus einem klebrigen Haftmittel, das an den Fasern der Bahn (1, 5) haftet, sich jedoch von den Bereichen nicht wesentlich über die Bahn (1, 5) ausbreitet, auf jeder Bahn (1, 5),
    (c) Verkleben der Bahnen (1, 5} miteinander derart, daß die Gruppen der Haftmittelbereiche (3, 7) auf den abwechselnden Bahnen (1, 5) eine gegenseitige seitliche Versetzung aufweisen und die Haftmittelbereiche (3, 7) auf jeder Bahn (1, 5) an den entsprechenden Bereichen der angrenzenden Bahn (5, 1) haften,
    (d) Auseinanderspreizen der Bahnen (1, 5) an Bereichen, die nicht mittels der Haftmittelbereiche (3, 7) aneinandeijhaften, so daß eine Honigwabenstruktur von den Bahnen (1, 5) gebildet wird, wobei die Haftmittelbereiche (3, 7) Verbindungen zwischen benachbarten Zellen der Struktur bilden,
    (e) Einbringen eines erhärtbaren Materials in die Struktur bei auseinandergespreizten Bahnen (1, 5) zur Verbindung mit den Bahnen (1, 5) und zur Versteifung der
    293-(JX/5641/O6)-TF
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    Struktur zwecks Beibehaltung der Honigwabenform und
    (f) Erhärtenlassen des im Schritt (e) eingebrachten Materials, so daß die Struktur ihre Honigwabenform behält.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern der flexiblen Bahnen (1, 5) sämtlich Kohlenstoff-Fasern sind.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern der flexiblen Bahnen (1, 5) ein Verbund von Kohlenstoff- und anderen Fasern sind.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern der flexiblen Bahnen (1, 5) ein Verbund von Kohlenstoff- und Glasfasern sind.
  5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern der flexiblen Bahnen (1, 5) in gewebten Garnen sind und jedes Garn von Kohlenstoff-Fasern 5000 Fasern je Garn oder weniger enthält.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Garn von Kohlenstoff-Fasern etwa 3000 Fasern je Garn enthält.
  7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Haftmittelbereiche Streifen (3, 7) sind, wobei die Bahnen (1, 5) im Schritt (c) unter zueinander parallelem Verlauf der Streifen (3, 7) auf den abwechselnden Bahnen (1, 5) gestapelt werden.
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  8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch , gekennzeichnet, daß die im Schritt (b) abgeschiedenen Haftmittelbereiche (3, 7) aus einem Material der Gruppe Polyvinylacetat, Polyvinylalkohol, Polyvinylather, Stärkelösung, Traubenzuckerlösung, Neopren oder Resorcinol-Formaldehyd sind.
  9. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Haftmittelbereiche (3, 7) im Schritt (b) durch Seidensiebdruck abgeschieden werden.
  10. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das im Schritt (e) eingebrachte Material ein kalthärtendes Kunstharz ist.
  11. 11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das im Schritt (e) eingebrachte Material ein warmhärtendes Kunstharz ist und der Schritt (f) die Anwendung von Wärme zur Aushärtung des Kunstharzes umfaßt.
  12. 12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das im Schritt (e) eingebrachte Material ein thermoplastisches Polymermaterial ist.
  13. 13. Honigwabenstruktur, dadurch gekennzeichnet, daß sie nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 hergestellt ist.
  14. 14. Verwendung der Honigwabenstruktur nach Anspruch 13 als Leichtgewichtfüllung einer Laminat struktur, mit deren Außenschichten sie verbunden ist.
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