DE3147228C2 - Laminat aus mehreren übereinander geschichteten Lagen aus Faser- und/oder Gewebematerial - Google Patents

Laminat aus mehreren übereinander geschichteten Lagen aus Faser- und/oder Gewebematerial

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Laminat aus faserverstärkten Werkstoffen sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung. Das Laminat (1) wird hierbei aus mehreren Lagen (L) aus einem Gewebe- oder Fasermaterial aufgebaut. Diese Schichtanordnung wird anschließend durch Verstärkungsfäden (2) verstärkt, die in Dickenrichtung (Z-Richtung) verlaufen. Der Orientierungswinkel der Verstärkungfäden gegen diese Z-Richtung richtet sich nach dem jeweiligen Anwendungsfall. Günstig sind hierbei Orientierungswinkel von +45 ° und -45 °. Anschließend wird die derart vorbereitete Schichtanordnung mit einem vernetzenden Bindemittel (3), z.B. durch sogenannte Vakuum-Injektion imprägniert. Mit einem derartigen Laminat können Bauteile aus faserverstärkten Werkstoffen aufgebaut werden, in denen die bei Biegebelastungen auftretenden Schubspannungen sehr gut beherrscht werden können. Außerdem ergibt sich eine größere Freiheit bei der Formgestaltung von aus solchen Laminaten aufgebauten Bauteilen.

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Laminat aus mehreren übereinander geschichteten Lagen aus Faser- jo und/oder Gewebematerial gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Faserverstärkte Werkstoffe ersetzen oder ergänzen heute bereits in vielen Bereichen der Technik herkömmliche Werkstoffe. So werden z. B. Rotorblätter und Ro- j5 torköpfe von Hubschraubern. Rohre, Behälter und viele andere Bauteile aus derartigen faserverstärkten Werkstoffen oder aus einer Kombination /wischen herkömmlichen Materialien, wie Stahl oder dergleichen, mit faserverstärkten Werkstoffen hergestellt. Bauteile aus diesen Werkstoffen haben den Vorteil geringen Gewichtes und hoher Zug- und Druckbeanspruchung in Faserrichtung des Werkstoffes. Für die entsprechende Ausrichtung der bevorzugten Faserrichiungen in den einzelnen Lagen des faserverstärkten Werkstoffs erreichen die aus diesen Werkstoffen hergestellten Bauteile hohe Festigkeit und Stabilität.
Laminate der eingangs beschriebenen Art sind bekannt (US-PS 37 69 142, DE-OS 20 33 423).
Aus der US-PS 37 69 142 sind Laminate aus mehreren übereinandergeschichteten Lagen aus Faser- bzw. Gewebematerial bekannt, die mit Verstärkungsfascrn oder -fäden in Dickenrichtung des Laminates versehen sind. Dies dient dem Zweck, die Scherfestigkeit zwischen den einzelnen Lagen des Laminates zu verbessern. Außerdem wird dadurch die Tragfestigkeil des Laminates vergrößert.
Aus der DE-AS 20 33 423 ist ebenfalls ein Laminat aus mehreren Lagen aus Faser- oder Gewebematerial bekannt, die durch Verstärkungsfasern oder -fäden in mj Dickenrichtung miteinander verbunden sind. Hiermit wird ein Laminat mit innerer Biegsamkeit erzielt. Das Laminat behält eine genügende Elastizität und eine coplanäre Verschiebungsmöglichkeil für die einzelnen Lagen des Laminates. hr,
Bei Bauteilen aus derartigen Laminaten treten jedoch Probleme bei Biegebelastungen auf, wenn diese im wesentlichen senkrecht zur Ebene der ein/einen Laminatschichten in das Bauteil eingeleitet werden. Hohe Biegebclastungcn treten auf, wenn das Bauteil selbst starke Durchbiegungen erfährt oder wenn Biegekräfte über lange Zeitdauer auf das Bauteil einwirken. Dies trifft z. B. für hochbelastcle Blattfedern aus Laminaten aus faserverstärkten Werkstoffen zu, die zur Abstützung von schweren Transformatoren eingesetzt werden, oder etwa bei Rotorblättern und Rotorköpfen von Hubschraubern. Derartige Biege- und Torsionsbelastungen resultieren im wesentlichen in Schubspannungen zwischen den einzelnen Faser- bzw. Gewebelagen des Laminates, die in Extremfällen zu Scherbrüchen führen können. Schubspannungen werden jedoch auch bei den bekannten Laminaten mit Verstärkungsfasern oder -fäden in Dickenrichtung nicht zuverlässig verhindert, da auch hier der Laminatverbund gegen Scherspannungen und Scherbrüche nicht ausreichend gesichert ist. Bei den bekannten Laminaten verbleibt innerhalb des Laminates noch ein Freiheitsgrad für Scherbewegungen offen, so daß durch diese coplanäre Verschiebungsmöglichkeit bei Bauteilen mit hohen Biege- und Torsionsbelastungcn die erwähnten Scherbrüche auftreten können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Laminat dor eingangs beschriebenen Art so zu verbessern, daß auch bei hohen Biege- und Torsionsbelastungen auftretende Schub- und Scherspannungen sicher aufgefangen werden.
Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Demgemäß werden die einzelnen Laminatschichten durch Versiärkungsfasern bzw. -fäden in Dickenrichuing. d. h. in Z-Richtung verstärkt, wobei die Verstärkungsfasern oder -fäden satzweise, d. h. zu mehreren gebündelt, abwechselnd in +45" und in —45° gerichtet sind. Bei Biegebelastungen werden die in dem Laminat zwischen den einzelnen Laminatschichten in der Matrix entstehenden Schubspannungen nicht mehr wie bisher im wesentlichen über die Oberfläche der Laminatschichten in das Bindemittel und aus diesem in die benachbarte Laminatschicht übergeleitet; vielmehr werden durch die Orientierung der Verstärkungsfasern bzw. -fäden diese Schubspannungen bzw. ein hoher Anteil durch die Verstärkungsfascrn oder -fäden aufgenommen und über diese zwischen den einzelnen Schichten des Laminates weitergelcitct. Diese Maßnahme erhöht wesentlich die Schubfestigkeit dos Laminates und gewährleistet, daß Biege- und Torsionsbelastungen nicht mehr /u Scher- oder Spannungsbrüchen zwischen benachbarten Laminatseliichlen führen.
Durch die dreidimensionale Fasermatrix innerhalb eines erfindungsgemäßen Laminates können Bauteile in der Form freier gestaltet werden; Probleme hinsichtlich mechanischer Stabilität werden insgesamt verringert.
Die F.riindung ist in einem Alisführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert. In dieser stellt dar
I·' i g. 1 einen Querschnitt durch einen Teil eines Laminats aus mehreren übereinander gelegten Gewebebzw. Faserlagen und in Dickcnrichtung eingebrachten Verstärkungsfaden;
F i g. 2a und 2b eine Teilaul'sichi bzw. einen Teilquerschnitt durch einen Rotorkopf eines Hubschraubers, der mit Laminaten gemäß tier Erfindung hergestellt ist.
In Fig. I ist ein Querschnitt durch einen Teil eines Laminates I dargestellt. Dieses Laminat weist in diesem !•"all vier Lagen /. 1, /, 2, /. 3 und /. 4 aus einem Gcwebc- oder l';iscimaterial auf. Die Art dieser Lagen richtet sieh nach dem jeweiligen Anwcndungsfall. So können
L. B. die beiden Decklagen L 1 und L 4 aus Gewebemaleriül sein, wobei die Gewebefäden im Winkel von 90" zueinander ausgerichtet sind. Die Lagen L 2 und /.3 sind z. B. Lagen aus unidirektionalen Fasern. Das Material dieser Lagen richtet sich ebenfalls nach dem Anwendungsfall und besteht z. B. aus Glas, Kohle. Aramid oder dergleichen.
Die einzelnen Lagen z. B. in Form von Matten oder einem zu fertigenden Bauteil angepaßten Zuschnitten werden übereinander gelegt. Anschließend wird diese Schichtanordm>ng mit Verstärkungsfaden 2 versehen. Diese Verstärkungsfäden, z. B. Glas- oder Aramidfädcn, verlaufen in Z-Richtung, d.h. in Dickenrichiung der Schichtanordnung, wobei ein Fadensatz einen Winkel von +45°, der andere Fadensalz einen Winkel von r> —45° gegen die Z-Richtung einnimmt. Diese Verstärkungsfaden können mit einer Art Nähmaschine in die Schichtanordnung eingebracht werden. Die derart verstärkte Schichtanordnung wird dann z. B. in eine hier nicht dargestellte Bauteilform gelegt und anschließend 2n mit einem vernetzenden Bindemittel imprägnier!, v. B. durch Vakuum-Injektion. Dieses, durch die Vernetzung eine Matrix ausbildende Bindemittel ist in Fig. 1 nur schematisch in den Zwischenräumen zwischen den einzelnen Lagen angedeutet und mit 3 bezeichnet. Dies ist lediglich beispielhaft: tatsächlich liegen die einzelnen Lagen LX bis L 4 direkt aufeinander, das Bindemittel 3 erstreckt sich durch die gesamte Schichtanordnung. Das Laminat weist im Endzustand etwa bO Volumen-% Fasern und 40 Volumen-% Bindemittel auf. j<>
Nach Verpressen und Aushärten des Laminats ist da· damit hergestellte Bauteil gebrauchsfertig.
In den Fig. 2a und 2b ist ein Teil eines Mittelstückcs4 für einen Rotorkopf eines Hubschraubers dargestellt. Dieses Mittelstück hat die Form eines Kreuzes, dessen r> Schenkel durch konkave Übergänge miteinander verbunden sind. An den Enden der einzelnen Kreuzschenkel sind durchgehende Löcher 5 vorgesehen, in die hier nicht dargestellte bolzen des Rolorkopfes eingreifen, an denen die Rotorblätter des Hubschraubers angclenkt sind. Die einzelnen Schenkel des Miltelstiickcs 4 verjüngen sich in Richtung auf deren Enden, in denen die Aufnahmelöcher 5 vorgesehen sind. Im Zentrum des Kreuzes ist ein Mittelloch 6 vorgesehen.
Das Mittelstück 4 des Rotorkopfes wird aus einem Laminat 1 aus faserverstärkten Werkstoffen hergestellt, wie zu Fig. 1 beschrieben. Demgemäß wird zunächst eine Schichlanordnung aus einzelnen Lagen L'\ bis L'n aufgebaut, und zwar in diesem Falle abwechselnd aus Gewebelagen und Lagen aus unidirektionalen Fasern, v) Die Deckschichten L'\ und L'n sind hierbei Gewebelagen, während die Lagen LI, L'4,... Z.2/unidirektionale Faserlagen in Form von Schlaufenelementen sind, die um die Löcher 5 des Kreuzes herum geführt sir.d. Der Verlauf dieser unidirektionalen Lagen ist in F i g. 2a schematisch durch 7 angedeutet.
Diese fertige Schichtanordnung, bei der die einzelnen Lagen im wesentlichen in X- und V-Richtung verlaufen, werden nun mit Verstärkungsfäden 2 »vernäht«, wobei diese Verstärkungsfäden wiederum in Dicken-, d. h. in t>n Z-Richtung verlaufen und in Winkeln von +45° und —45° gegen diese Z-Richtung ausgerichtet sind. Die Verstärkungsfaden 2 sind in den F i g. 2a und 2b nur schematisch und über einen Teil des Mittelsiückes dargestellt. h-,
Anschließend kann das gesamte MiiieKtiick 4 in »einem Schuß« mit dem bereits erwähnten Injektionsverfahren mit Bindemitlei imprägniert werden. Nach Aushärten in das Mitielsüick gebrauchsfertig.
Im übrigen ist es nicht notwendig, den gesamten Bereich des Mitlelstückes mit Verstärkungsfaden zu \ersehen. Vielmehr ist es atisreichend, das Miuelsiüek lediglich in den kritischen Spannungsbereichen zu verstärken. Durch die Verstärkungsfaden wird jedoch in beiden Fällen über das gesamte Mittelsiiick ein gesichertes Spannungsniveau erzielt, so daIi die bei dem Betneb des Mittelslücks auftretenden Spannungen sshr gut behciTSciii werden können.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:
1. Laminat aus mehreren übereinander geschichteten Lagen aus Faser- und/oder Gcwebcmatcrial, die mit Verstärkungsfasern oder -fäden in Dickenrichtung fZ-Richtung) des Laminates versehen und in ein ausgehärtetes vernetztes Bindemittel eingebettet und durch das Bindemittel miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungsfasern oder -fäden (2) in Sätzen in Winkeln von ca. ±45" zur Ebene (X. Y)aer Lagen (L) angeordnet sind, wobei die Fäden des einen Satzes unter einem Winkel von +45° und die des benachbarten Satzes unter einem Winkel von —45° verlaufen.
2. Laminat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungsfasern oder -fäden (2) einen Teil der Lagen oder sämtliche Lagen (L) des Laminates durchdringen.
3. Laminat nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungsfasern oder -fäden (2) lediglich in Teilbereichen des Laminates angeordnet sind.
ίο
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