DE60115914T2

DE60115914T2 - Vorrichtung und verfahren zum verbinden unterschiedlicher materialien eines stützelements

Info

Publication number: DE60115914T2
Application number: DE60115914T
Authority: DE
Inventors: Lee Elbert MCKAGUE; Ronald P. Schmidt
Original assignee: Lockheed Corp; Lockheed Martin Corp
Current assignee: Lockheed Martin Corp
Priority date: 2000-08-25
Filing date: 2001-08-23
Publication date: 2006-09-07
Anticipated expiration: 2021-08-24
Also published as: KR20030029832A; CA2419444A1; EP1311768A2; WO2002016784A2; AU2001287208C1; ATE313017T1; WO2002016784A3; AU2001287208B2; US20020053175A1; JP2004507629A; EP1311768B1; AU8720801A; US6718713B2; US6374570B1; DE60115914D1; CA2419444C

Description

Querverweis auf verwandte Anmeldungen
Es werden gerade die folgenden US-Patentanmeldungen vom gleichen Erfinder, Elbert L. McKague, Jr, gleichzeitig eingereicht: US-Patentanmeldung mit dem Titel „Vorrichtung und Verfahren zur kontrollierten Beschädigung von formanpaßbaren Materialien"; US-Patentanmeldung mit dem Titel „Konstruktions-Verbundpaneel mit wellenförmigem Körper" und vom gleichen Erfinder, zusammen mit den Erfindern Ronald P. Schmidt und David T. Uhl, US-Patentanmeldung mit dem Titel „ Verbundwerkstoff-Stützkonstruktionen mit sinusförmigen Stegen und Verfahren zur Herstellung derselben".
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Technisches Gebiet:
Die vorliegende Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf ein verbessertes Bauelement und insbesondere auf einen verbessertes Bau träger, der durch Verbinden verschiedener Materialien hergestellt ist, sowie darüber hinaus auf einen Konstruktions-Verbundvorformling zum Verbinden des Stegs einer Konstruktion mit Flanschen, die aus verschiedenen Materialien gebildet sind.
2. Beschreibung des Standes der Technik:
Konstruktionsstützholme oder I-Träger weisen typischerweise einen „I"- oder einen H-förmigen Querschnitt auf sowie einen Steg mit einer Querschiene oder einem Flansch an jedem Ende des Stegs. Der Steg und die Flansche erstrecken sich einstückig abwärts entlang der Länge des Träger, können jedoch hinsichtlich ihrer Form, ihrer Dicke, ihrer Materialien etc. variieren. So weist z. B. eine Art von Träger einen Steg auf, der aus einem ersten Material (wie einem Metall) gebildet ist, und Flansche, die aus einem zweiten, verschiedenen Material (wie einem Verbundwerkstoff) gebildet sind. Von dieser Art von Träger wurde bei einer breiten Palette von Ausgestaltungs- und Herstellungsherangehensweisen Gebrauch gemacht, da diese Konstruktionen eine ausgezeichnete Steifigkeit und Kraft-zu-Gewichtsleistung bieten können.
Die US-PS 5 476 704 offenbart einen Vorformling mit einer Basis und zwei separaten, L-förmigen Beinen. Die US-PS 5 316 810 offenbart ein Haftverbinden eines polymeren Elements mit einem Metallelement durch eine polymere Klebstoffschicht.
Bekannte Herangehensweisen an ein Verbinden verschiedener Materialien wie Metalle und Verbundwerkstoffe stützen sich im allgemeinen auf ein mechanisches Befestigen, wenn die beiden Elemente in einem Winkel liegen. Wie in 1 gezeigt ist, ist ein Holm 1 mit einem Metallpaneel 3 in Form eines umgekehrten T, das einen Flansch 5 aufweist, mit einer flachen Verbundplatte 7 mit mechanischen Befesti gungsmitteln verbunden derart, daß das Metallpaneel 3 und die Verbundplatte 7 perpendikulär zueinander liegen. In einer solchen Anordnung muß das Metallpaneel 3 den Flansch 5 aufweisen, um ein Befestigen an der Verbundplatte 7 zu ermöglichen. Außerdem werden dadurch, daß der Flansch 5 am Metallpaneel 3 erforderlich ist, die Kosten für dessen Herstellung beträchtlich erhöht, da der Flansch 5 das Metallvolumen, das käuflich erworben und dann durch maschinelle Bearbeitung beseitigt werden muß, beträchtlich vergrößert. Hinzu kommt, dass ein mechanisches Befestigen das Bohren und Einlassen von Löchern, den Einbau von Befestigungsmitteln und, in einigen Fällen, das Behandeln der Befestigungsmittelköpfe mit einbezieht, um eine gewünschte Oberflächenglätte zu erreichen. Diese Schritte sind kostenaufwendig und können zu einem Gesamtkostenzuwachs von 25 bis 60% für die Holmmontage beitragen. Daher werden eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren zum Bilden eines Konstruktionsstützelements durch Verbinden verschiedener Materialien in einem Winkel benötigt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Bauelement (z. B. ein Konstruktionsstützträger) geschaffen mit:
einem ersten Teil (das auch mit „flaches Paneel" bezeichnet wird und den „Steg" der Konstruktion bildet), welches aus dem einen eines metallischen Materials und einem Verbundwerkstoff gebildet ist, wobei das erste Teil eine Längskante hat, die sich in einer axialen Richtung erstreckt;
einem zweiten Teil (das auch mit „Flansch" bezeichnet wird), welches aus dem anderen des metallischen Materials oder dem Verbundwerkstoff gebildet ist;
einem Vorformling, der aus Verbundwerkstoffen gebildet ist und eine Basis mit einem Paar von axial verlängerten Beinen hat, die sich von dieser erstrecken, um einen Kanal zwischen sich zu definieren, wobei die Basis einen mittleren Bereich aufweist, der sich zwischen den Beinen erstreckt, worin der Vorformling aus Fäden gebildet ist, die sich durch die Basis und die Beine hindurch erstrecken, und worin
die Längskante des ersten Teils in dem Kanal des Vorformlings in Kontakt mit dem mittleren Bereich der Basis haftverbunden ist und das zweite Teil mit einer Oberfläche der Basis des Vorformlings gegenüber den Beinen haftverbunden ist.
Der Verbundwerkstoff kann kontinuierliche Fäden aus gewebten oder geflochtenen Fasern aufweisen. Der Vorformling kann mit einem wärmeaushärtenden Harz imprägniert sein, das den Steg mit dem Flansch des Konstruktionsstützträgers verbindet und haftverbindet. Der Vorformling schafft eine ausgezeichnete Konstruktionsabstützung, selbst wenn der Steg und der Flansch aus verschiedenen Materialien wie Metall und Verbundwerkstoff gebildet sind. Das Harz kann mit ausgerichteten Fasern strukturverstärkt sein derart, daß zwischen den verbundenen Teilen Koppelfestigkeit geschaffen wird.
Wenn ein einzelner Faden für den Vorformling gewählt ist, können seine Eigenschaften ausgewählt sein, um die Differenz der Wärmeausdehnungskoeffizienten des Metallstegs und des Verbundflansches zu minimieren. Der Vorformling kann jedoch zwei oder mehr Arten von Fäden mit verschiedenen Eigenschaften aufweisen. Der Faden in der Basis des Vorformlings kann gewählt sein derart, daß sein axialer Wärmeausdehnungskoeffizient mit dem des Verbundflansches überein stimmt. Der Faden in den Beinen des Vorformlings kann gewählt sein derart, dass sein axialer Wärmeausdehnungskoeffizient mit dem des Metallstegs übereinstimmt. Diese Fäden können im Verbund verwendet werden, um Koppelfestigkeit zwischen dem verbundenen Metallsteg und dem Verbundflansch zu schaffen, indem die beste Strukturfaser parallel zu den Beinen des Vorformlings ausgerichtet und mit der Basis des Vorformlings verwebt wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ebenfalls ein Bauelement geschaffen mit:
einem ersten Teil, das aus dem einen eines metallischen Materials und einem Verbundwerkstoff gebildet ist, wobei das erste Teil eine Längskante hat, die sich in einer axialen Richtung erstreckt;
einem zweiten Teil, das aus dem anderen des metallischen Materials und dem Verbundwerkstoff gebildet ist;
einem im allgemeinen pi-förmigen Vorformling, der aus Verbundwerkstoffen gebildet ist und eine Basis mit einem Paar von axial verlängerten Beinen hat, die sich von dieser erstrecken, um einen Kanal zwischen sich zu definieren, wobei die Basis einen mittleren Bereich aufweist, der sich zwischen den Beinen erstreckt, und der Vorformling aus axialen Fäden gebildet ist, die sich durch die Basis und die Beine hindurch erstrecken, worin die axialen Fäden parallel zur axialen Richtung und einer kontinuierlichen Länge des Vorformlings ausgerichtet und die axialen Fäden ausgewählt sind, um eine Differenz der Wärmeausdehnungskoeffizienten des ersten Teils und des zweiten Teils zu minimieren, und worin
eine der Längskanten des ersten Teils in dem Kanal des Vor formlings in Kontakt mit dem mittleren Bereich der Basis haftverbunden ist und das zweite Teil mit einer Oberfläche der Basis der Vorformlings gegenüber den Beinen haftverbunden ist.
Des weiteren wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Bauelements geschaffen, das die Schritte aufweist:

(a) Vorsehen eines ersten Teils, das aus dem einen eines metallischen Materials sowie einem Verbundwerkstoff gebildet ist und eine Längskante aufweist, die sich in einer axialen Richtung erstreckt, und eines zweiten Teils, das aus dem anderen des metallischen Materials und dem Verbundwerkstoff gebildet ist;
(b) Bilden eines Vorformlings aus Verbundwerkstoffen, wobei der Vorformling eine Basis mit einem Paar von Beinen hat, die sich von dieser erstrecken, um einen Kanal zwischen sich zu definieren, und wobei die Basis einen mittleren Bereich hat, der sich zwischen den Beinen erstreckt, worin der Vorformling Fäden aufweist, die sich durch die Basis und die Beine hindurch erstrecken;
(c) Positionieren von Grenzflächenwerkzeugen auf dem Vorformling, dem ersten Teil und dem zweiten Teil und Erwärmen des Bauelements;
(d) Haftverbinden der Längskante des ersten Teils in dem Kanal des Vorformlings derart, daß die Beine des Vorformlings das erste Teil eng aufnehmen und die Längskante in Kontakt mit dem mittleren Bereich der Basis ist, und
(e) Haftverbinden einer Oberfläche der Basis des Vorformlings gegenüber den Beinen mit dem zweiten Teil, um ein Bauele ment zu bilden.

Die vorstehenden und weitere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden Fachleuten im Hinblick auf die folgende, ausführliche Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit den angefügten Ansprüchen und den beigeschlossenen Zeichnungen in den Sinn kommen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Damit die Art und Weise, in der die Merkmale, Vorteile und Aufgaben der Erfindung sowie andere offenbar werdende Merkmale, Vorteile und Aufgaben erhalten werden, näher verstanden werden kann, kann eine speziellere Beschreibung der vorstehend kurz zusammengefaßten Erfindung unter Bezugnahme auf das Ausführungsbeispiel derselben vorgenommen werden, das in den beigeschlossenen Zeichnungen dargestellt ist, die einen Teil der vorliegenden Anmeldungsunterlagen bilden. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß die Zeichnungen lediglich ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellen, die, was ihren Umfang angeht, daher als nicht eingeschränkt angesehen werden soll, da sie weitere, gleichermaßen wirkungsvolle Ausführungsbeispiele zulassen kann.
1 ist eine isometrische Ansicht eines herkömmlichen, bekannten und aus verschiedenen Materialien gebildeten Holms.
2 ist eine isometrische Ansicht eines gemäß der Erfindung ausgeführten Konstruktions-Vorformlings.
3 ist eine Endansicht im Schnitt des Konstruktions-Vorformlings von 2.
4 ist eine auseinandergezogene, isometrische Ansicht des Kon struktions-Vorformlings von 2, eines Verbundflansches und eines metallischen Stegs.
5 ist eine schematische Endansicht des Vorformlings, des Flansches und des Stegs von 4 während der Herstellung.
6 ist eine auseinandergezogene, isometrische Ansicht einer Alternativversion der Konstruktion von 4, eines metallischen Flansches und eines Verbundstegs.
7 ist eine Endansicht eines aus den Komponenten von 4 und gemäß der Erfindung ausgeführten Trägers.
8 ist eine Endansicht eines alternativen Ausführungsbeispiels eines gemäß der Erfindung ausgeführten Trägers.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
2 und 3 zeigen eine vorgeformte Komponente oder einen „Vorformling" 11 für einen Konstruktionsstützträger. Vom Ende her gesehen oder im Querschnitt ähnelt der Vorformling 11 dem griechischen Buchstaben II oder „Pi" und weist eine längsgerichtete Querschiene oder eine Basis 13 mit zwei längsgerichteten Beinen 15, 17 auf, welche sich von derselben erstrecken. Zwischen den Beinen 15, 17 ist eine Nut oder ein Kanal 19 definiert. Der Vorformling 11 besteht aus einem Verbundwerkstoff, welcher durch Weben oder Flechten kontinuierlicher Bündel oder Zügen von Strukturfasern 21 (3) gebildet ist. Die Züge von Fasern 21 sind ausgerichtet derart, daß sie sich kontinuierlich durch jedes Segment des Vorformlings 11 einschließlich der Basis 13 und der Beine 15, 17 hindurch erstrecken. Die Faser-Vorformlinge können gebildet sein derart, daß sie jede gewünschte Faserarchitektur vorsehen, welche zur Verleihung der gewählten Belastbarkeit und zur Aufnahme jeder gewünschten Stegpaneeldicke erforder lich ist. Der Vorformling 11 kann mit einem geeigneten, wärmeaushärtenden Harz imprägniert sein, das als Klebstoff wirkt, um zwei verschiedene Materialien miteinander haftzuverbinden. Das Harz ist mit den Fäden und/oder in der x-, der y- und der z-Richtung ausgerichteten Fasern strukturverstärkt derart, daß zwischen den verbundenen Teilen Koppelfestigkeit geschaffen wird.
Der Vorformling 11 kann aber auch nichtimprägniert sein, so daß Harz in einem späteren Schritt des Gesamtherstellungsprozesses infundiert werden kann. Im letzteren Ausführungsbeispiel ist der Vorformling 11 durch Weben oder Flechten der Fäden ausgeführt derart, daß der Prozeß nicht stockt. Nach dem Aushärten kann der Vorformling 11 nach Bedarf durch ein geeignetes Verfahren maschinell bearbeitet werden, um die gewünschte Kantengeradheit und -glätte sowie Meßsteuerung zu schaffen.
Wie aus 4 hervorgeht, wird der Vorformling 11 dazu verwendet, ein laches, metallisches Paneel 31 mit einer flachen Verbundplatte 33 in einem Winkel zu verbinden. Die metallische Platte 31 hat eine Zone 32, die für eine Haftverbindung mit dem Vorformling 11 vorbereitet ist. Die Vorbereitung kann jedes geeignete, etablierte Verfahren einschließen, das für die ausgewählte Metallegierung geeignet ist, wie das chemische Ätzen. Der Verbundwerkstoff kann, in der mit dem Vorformling in Übereinstimmung zu bringenden Zone, ebenfalls durch ein geeignetes Verfahren wie das Entfernen einer Schalenschicht vorbereitet werden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel bildet das metallische Paneel 31 den Steg eines Konstruktionsstützelements; die Verbundplatte 33 bildet den Flansch desselben, und der Winkel ist perpendikulär. Die Verbundplatte 33 kann jedoch den Steg des Holms mit dem metallischen Paneel 31 bilden, da der Flansch des Holms und der Winkel zwischen den Teilen spitz sein kann (siehe 8). Die Teile können in anderen Winkeln relativ zueinander verbunden sein, weil der Faser-Vorformling 11 vor dem Aushärten des Harzes flexibel ist. In 8 weist ein Träger 71 einen oberen und einen unteren Flansch 73, 75 auf, die in einem nichtorthogonalen Winkel relativ zum Steg oder metallischen Paneel 77 geneigt sind. Die Basen 79 der Vorformlinge 81 sind im wesentlichen flach und verlaufen parallel relativ zu den Flanschen 73, 75, während die Beine 83 der Vorformlinge 81 im nichtorthogonalen Winkel relativ zu den Basen 79 geneigt sind. Diese Konzepte sind nicht auf Konstruktionsstützelemente der I-Trägerart beschränkt, sondern sie können, je nach Anwendung, ohne weiteres für eine Verwendung in Trägern angepaßt werden, die auch andere Formen haben wie U-förmige, C-förmige, L-förmige oder Z-förmige Träger.
Während der Montage wird eine der Längskanten des metallischen Paneels 31 zur Gänze in den Kanal 19 des Vorformlings 11 eingesetzt, bis sie, wie es in 5 gezeigt ist, mit dem Boden abschließt oder zweckmäßigerweise dicht davor steht. Die beiden Beine 15, 17 nehmen die Dicke des Paneels 31 eng auf und überspannen dieselbe. Die senkrechten Seiten oder Kanten des Paneels 31 sind nicht am Vorformling 11 angebracht. Als Nächstes wird eine Verbundplatte 33 von geeigneter Dicke, Faserausrichtung und Geometrie gegen die Basis 13 des Vorformlings 11 gegenüber dem Paneel 31 positioniert, um eine Querschiene oder einen Flansch für das Konstruktionsstützelement zu schaffen. Die Verbundplatte 33 kann entweder ausgehärtet oder nichtausgehärtet sein, aber im bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist sie bereits ausgehärtet derart, daß sie die gewünschte Konfiguration und die gewünschten Maßtoleranzen zur Verfügung stellt, um das benötigte Montagewerkzeug zu vereinfachen.
Die befestigungsmittelfreie Montage der metallischen und Verbundelemente kann auch über die folgenden Schritte ausgeführt werden: (1) Die Basis 13 des nichtausgehärteten, harzimprägnierten Vorformlings 11 wird an der gewünschten Verbindungsstelle auf der Basisplatte oder dem Basispaneel (üblicherweise die Verbundplatte 33) plaziert, nachdem sie auf geeignete Weise gereinigt oder für eine Haftverbindung vorbereitet worden ist. (2) Unter Verwendung geeigneter Haltevorrichtungen wird das metallische Paneel 31 im Kanal 19 des nichtausgehärteten Vorformlings 11 im gewünschten Winkel relativ zur Verbundplatte 33 plaziert. (3) Gegen jede Seite des Vorformlings 11 werden geeignete Grenzflächenwerkzeuge wie herkömmliche, gepreßte Formstücke aus Silikongummi oder andere geeignete Druckintensivierungs-/-übertragungsmittel 35 (5) positioniert. (4) Vakuumbeutelmaterialien 39 werden um den sich ergebenden Montageaufbau herum angeordnet, mit Wülsten 37 aus Dichtungsmasse abgedichtet, und unter dem Beutel wird diesem die Luft entzogen. Wenn der Vorformling vorher nicht imprägniert war, wird in diesen ein ausgewähltes Harz infundiert. (5) Die Gesamtkonstruktion wird gemäß eines Wärmeprofils, das zum Aushärten des wärmeaushärtenden Harzes geeignet ist, das den Vorformling 11 imprägniert, erwärmt; dadurch werden strukturelle Haftverbindungen geschaffen, die den Vorformling 11 mit dem metallischen Paneel 31 einstückig verbinden, um eine gewünschte Konstruktion zu schaffen. Falls erwünscht oder erforderlich, kann gleichzeitig ein Autoclavdruck aufgebracht werden, um eine Verdichtung des Vorformlings 11 während des Aushärtens des Harzes zu bewirken. Das Harz und die maximalen Aushärtungstemperaturen werden ausgewählt derart, daß eine Umwandlungstemperatur für das ausgehärtete Glas geschaffen wird, die über der intendierten Benutzertemperatur des Montageaufbaus liegt. Es kann aber auch ein Harz verwendet werden, das eine geeignete Chemie aufweist wie eine Polymerisation freier Radikale, so daß ein energiegeladener Elektronenstrahl die Aushärtung initiieren und beenden kann (ein Prozeß, der in der Industrie als Elektronenstrahlaushärtung bekannt ist). (6) Nach dem Beenden des erforderlichen Aushärtzyklus werden die Beutelmaterialien und die Positionier-Haltevorrichtungen entfernt, und es ergibt sich ein fertiger Montageaufbau.
Einem Fachmann sollte ohne weiteres aber auch klar sein, daß sämtliche aushärtbare Materialien zum Zeitpunkt der Montage des metallischen Paneels 31, des Vorformlings 11 und der Verbundplatte 33 nichtausgehärtet sein können. Nach dem die betreffenden Komponenten montiert und in geeignete Werkzeuge plaziert sind, kann das Harz in dem Vorformling 11 in einem Prozeß der Harzübertragungs/Formungs-Art injiziert oder durch Plazieren einer dicken Harzschicht über den Vorformling und Anlegen eines Vakuumbeutels infundiert werden. Obwohl dies die Anzahl der benötigten Aushärtzyklen verringert, werden dadurch die Anforderungen an die Montage-Aushärtungswerkzeuge bedeutend kompliziert und sowohl Kosten als auch Risiko erhöht. Durch noch ein weiteres Mittel kann ein gemeinsames Haftverbinden des Vorformlings 11 mit einer nichtausgehärteten Verbundplatte 33 zuwegegebracht werden. Obwohl der Prozeß für nur ein Ende des Paneels 31 beschrieben wurde, kann diese Reihe von Schritten an beiden Enden des Paneels 31 gleichzeitig ausgeführt werden, um das Endprodukt in Form des Holms oder Trägers 41 (7) zu bilden.
In Abhängigkeit von der tatsächlichen Benutzertemperatur des Montageaufbaus und der Chemie des ausgewählten Harzes kann es notwendig sein, den Montageaufbau Harzaushärttemperaturen von bis zu 350 Grad F auszusetzen. Bei solchen Temperaturen wird die Größen zunahme jeder Platte oder jedes Paneels 31, 33 durch ihren bzw. seinen jeweiligen Wärmeausdehnungskoeffizienten reguliert. Ein Aluminiumpaneel 31 mit einem Ausdehnungskoeffizienten von annähernd 12 Mikrozoll/Zoll/Grad F (0,3084 Mikrometer/Meter/Grad F) wird sich um ca. 3,300 Mikrozoll/Längenzoll (83,82 Mikrometer/Längenmeter) ausdehnen. Im Gegensatz hierzu hat eine Verbundplatte 33, die aus mit Epoxidharz imprägnierten Kohlenstofffasern gebildet ist, eine vernachlässigbare Ausdehnung. Dieser Ausdehnungsunterschied verleiht dem Verbund aus Paneel und Platte 31, 33 eine bedeutende Belastung; dadurch wird die mechanische Leistung des Montageaufbaus herabgesetzt und es schwer gemacht, die gewünschte Meßsteuerung des Montageaufbaus wegen der von der thermischen Nichtübereinstimmung induzierten Durchbiegung zu erreichen. In den Beinen 15, 17 des Vorformlings 11 würde eine Axialfaser mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten, der viel dichter an dem des Aluminiumpaneels 31 liegt, das Belastungsausmaß, das durch den Aushärtvorgang in den Montageaufbau hinein aufgebaut wird, verringern.
In 6 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel einen Vorformling 51 mit zwei (oder mehr) Arten von Fäden und/oder Fasern, die unterschiedliche Eigenschaften aufweisen. Der Basisfaden 53, der parallel zur Länge des Vorformlings ausgerichtet ist, ist gewählt derart, daß sein axialer Wärmeausdehnungskoeffizient so dicht wie möglich an dem der Verbundplatte liegt. Der Beinfaden 55, der ebenfalls parallel zur Länge des Vorformlings ausgerichtet ist, ist gewählt derart, daß sein axialer Wärmeausdehnungskoeffizient so dicht wie möglich an dem des metallischen Paneels 31 liegt, das eine Haftverbindungszone 32 aufweist. Die Fäden 53, 55 werden im Verbund verwendet, um das verbundene, metallische Paneel 31 und die Verbundplatte 33 mit Koppelfestigkeit auszustatten, indem sie parallel zu den Beinen 57, 59 des Vorformlings 51 (in Richtung des Pfeils 61) ausgerichtet und mit der Basis 63 des Vorformlings 51 verwebt sind. Die Faser oder der Faden 53, welche gewählt werden derart, daß Koppelfestigkeit geschaffen wird, ist orthogonal zur Faser und/oder zu den Fäden 55 ausgerichtet, welche für Wärmeausdehnungseigenschaften gewählt werden. Diese orthogonalen Fasern 53 durchqueren die Breite des Vorformlings 51 und folgen seiner Form hin und zurück in einer Weise, die sich aus dem Weben der Schußfasern ergibt, d. h. derjenigen Fasern, die perpendikulär zur Längsrichtung des Vorformlings verlaufen.
Strecklänge und Muster, wenn es überhaupt welche gibt, zum Melieren der beiden Axialfasern 53, 55 in dem Bereich, wo die Beine 57, 59 die Basis 63 schneiden, werden auf einer anwendungsspezifischen Grundlage durch Analyse und/oder empirische Verfahren bestimmt. Wenn ein einzelner Faden für den Vorformling 51 gewählt wird (4), sind seine Eigenschaften ausgewählt, um seinen Unterschied der Wärmeausdehnungskoeffzienten mit dem metallischen Paneel 31 und der Verbundplatte 33 zu minimieren. In allen Fällen sind die Fäden jedoch parallel zur Achse und zur kontinuierlichen Länge des Vorformlings ausgerichtet.
Ein Beispiel für Faden- oder Faserauswahlen wären E-Glasfasern (RTM) oder S-Glasfasern (RTM) für die axiale Richtung des Vorformlings 11 und Kohlenstofffasern hoher Festigkeit wie Hexcel AS4 (RTM) oder Toray T300 (RTM) für die Koppelfestigkeitsrichtung (die parallel zur senkrechten Richtung der Beine 15, 17 verläuft). Glasfasern liefern einen Wärmeausdehnungskoeffizienten in der Größenordnung von 6 Mikrozoll/Zoll/Grad F (0,1542 Mikrometer/Meter/Grad F), wohingegen Kohlenstofffasern einen Ausdehnungskoeffizienten nahe Null haben. Glasfasern passen, was die Wärmebelastung anbelangt, daher besser zu Aluminium- als zu Kohlenstofffasern. Metallische Fäden in Axialrichtung verleihen aber auch einen geringeren Wärmebelastungsunterschied zwischen den Beinen 15, 17 des Vorformlings 11 und dem metallischen Paneel 31. Hochmodul-Kohlenstofffasern wie Hexcel IM7 (RTM) oder Amoco T600 (RTM) können für die Koppelfestigkeitsrichtung verwendet werden, wo die Gesamtentfernung, über die Belastungsunterschiede vervielfacht werden, sehr gering ist.
Während des Aushärtens des Harzes wird die Temperatur gesteuert, so daß das Harz bei einer Temperatur geliert, die so niedrig ist, daß es den praktischen Anforderungen genügt. Nach diesem Schritt folgt ein langsamer Temperaturanstieg auf Pegel, wie sie zum Erreichen der erforderlichen Glasumwandlungstemperatur des ausgehärteten Harzes notwendig sind. Ein Gelieren des Harzes bei einer niedrigeren unterstützt die Etablierung eines beanspruchungsfreien Temperaturpunkts, der unter dem liegt, welcher zum Erreichen der benötigten Glasumwandlungstemperatur erforderlich ist. Der Temperaturanstieg nach der Gelierung muß sehr langsam sein, damit die Harzvernetzungsdichte mit einer solchen Geschwindigkeit erhöht wird, daß zunehmende Pegel an wärmeinduzierter Belastung die sanfte Haftverbindung nicht zerstören. Nach Beendigung des Höchsttemperaturstillstands findet ein Abkühlen vorzugsweise mit einer Geschwindigkeit statt, die so langsam ist, daß es den praktischen Anforderungen genügt, bis eine Temperatur erreicht ist, die wenigstens 50 Grad F niedriger ist als die Gelierungstemperatur. Dieses langsame Abkühlen gestattet, daß etwas Entspannung im Polymer stattfindet, und unterstützt die Konservierung der niedrigstmöglichen, beanspruchungsfreien Temperatur. Der beanspruchungsfreie Temperatur- und Umgebungstemperaturunterschied, der durch den Unterschied zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des metallischen Paneels 31 und dem der Axialfasern im Vorformling 11 vervielfacht wird, bestimmt das Ausmaß an wärmeinduzierter Belastung in dem sich ergebenden Montageaufbau.
Die vorliegende Erfindung hat mehrere Vorteile. Pi-förmige Vorformlinge aus gewebten oder geflochtenen Fasern verbinden metallische Platten und Verbundplatten oder Paneele in Winkeln relativ zueinander ohne Verwendung mechanischer Befestigungsmittel. Die Vorformlinge schaffen eine viel größere Festigkeit als herkömmliche Klebstoff-Haftverbindungstechniken, während sie die Herstellung vereinfachen und die Kosten derselben verringern. Die vorliegende Erfindung macht kein Bohren, Einlassen, Einbauen von Befestigungsmitteln oder Behandeln von Befestigungsmittelköpfen erforderlich. Während ein mechanisches Befestigen einen inkrementellen Arbeitsfortschritt längs der gemeinsamen Länge mit einbezieht, behandelt die vorliegende Erfindung die gesamte Verbindung in einem Schritt. Dadurch wird eine sehr starke Verringerung der Gesamtkosten des Montageaufbaus von 20 bis 55% möglich gemacht. Hinzu kommt, daß die vorliegende Erfindung auch leichtgewichtiger ist als bekannte Lösungen, weil der harzimprägnierte Vorformling weniger wiegt als die Anzahl von Befestigungsmitteln, die zum Schaffen einer Verbindung von äquivalenter Festigkeit erforderlich wären. Das metallische Teil kann außerdem eine flache Platte oder ein Paneel ohne Flansch sein; dadurch werden die Kosten für die Herstellung des Metalldetails für viele komplexe Hochleistungskonstruktionen wie die, die für Flugzeuge Verwendung finden, bedeutend verringert.
Während die Erfindung lediglich anhand einiger Ausführungsbeispiele derselben dargestellt oder beschrieben worden ist, dürfte es für Fachleute klar sein, daß sie nicht darauf beschränkt ist, sondern verschiedene Abänderungen erfahren kann, ohne daß von ihrem Um fang abgewichen wird, vorausgesetzt, daß die Erfindung so bleibt, wie sie in den Ansprüchen definiert ist.

Claims

Bauelement (41, 71), welches aufweist: ein erstes Teil (31, 77), das aus dem einen von einem metallischen Material oder einem Verbundwerkstoff gebildet ist, wobei das erste Teil eine Längskante hat, die sich in axialer Richtung erstreckt; ein zweites Teil (33, 73, 75), das aus dem anderen von dem metallischen Material oder dem Verbundwerkstoff gebildet ist; ein Vorformling (11, 51, 81), der aus Verbundwerkstoffen gebildet ist und eine Basis (13, 63, 79) mit einem Paar von axial verlängerten Beinen (15, 17, 57, 59, 83) hat, die sich von dieser erstrecken, um einen Kanal (19) zwischen sich zu bilden, wobei die Basis einen mittleren Bereich aufweist, der sich zwischen den Beinen erstreckt, und der Vorformling aus Fäden (21, 53, 55) gebildet ist, die sich durch die Basis und die Beine erstrecken; und wobei die Längskante des ersten Teils in dem Kanal des Vorformlings in Kontakt mit dem mittleren Bereich der Basis verbunden ist und das zweite Teil mit einer Oberfläche der Basis des Vorformlings gegenüber den Beinen verbunden ist.
Bauelement nach Anspruch 1, bei dem die Fäden des Vorformlings axial orientierte Fäden enthalten, die ausgewählt sind, um eine Differenz der thermischen Ausdehnungskoeffizienten des ersten Teils und des zweiten Teils zu minimieren.
Bauelement nach Anspruch 1, bei dem der Vorformling einen Pi-förmigen Querschnitt hat.
Bauelement nach Anspruch 1, bei dem die Fäden des Vorformlings axiale Fäden enthalten, die parallel zu einer axialen, kontinuierlichen Länge des Vorformlings orientiert sind.
Bauelement (71) nach Anspruch 1, bei dem das zweite Teil (73, 75) und die Basis (79) des Vorformlings (81) unter einem nichtorthogonalen Winkel relativ zu dem ersten Teil (77) geneigt sind.
Bauelement nach Anspruch 1, bei dem der Vorformling mit einem wärmeaushärtenden Harz imprägniert ist, das als ein Klebstoff wirkt, um das erste Teil und das zweite Teil miteinander zu verbinden.
Bauelement nach Anspruch 1, bei dem die Fäden des Vorformlings axiale Fäden, die parallel zu einer axialen, kontinuierlichen Länge des Vorformlings orientiert sind, und orthogonale Fäden, die senkrecht zu den axialen Fäden verlaufen, enthalten.
Bauelement nach Anspruch 1, bei dem die Fäden des Vorformlings einen ersten Typ von axialen Fäden in der Basis und einen zweiten Typ von axialen Fäden in den Beinen aufweisen.
Bauelement nach Anspruch 8, bei dem der erste und der zweite Typ von axialen Fäden in einem Bereich gemischt sind, in welchem die Beine die Basis schneiden.
Bauelement nach Anspruch 8, bei dem der erste Typ von axialen Fäden einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat, der im Wesentlichen dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des zweiten Teils angepasst ist, und bei dem der zweite Typ von axialen Fäden einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat, der im Wesentlichen dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des ersten Teils angepasst ist.
Bauelement (41, 71), welches aufweist: ein erstes Teil (31, 77), das aus einem von einem metallischen Material oder einem Verbundwerkstoff gebildet ist, wobei das erste Teil eine Längskante hat, die sich in einer axialen Richtung erstreckt; ein zweites Teil (33, 73, 75), das aus dem anderen von dem metallischen Material oder dem Verbundwerkstoff gebildet ist; einen im Allgemeinen Pi-förmigen Vorformling (11, 51, 81), der aus Verbundwerkstoffen gebildet ist und eine Basis (13, 63, 79) mit einem Paar von axial verlängerten Beinen (15, 17, 57, 59, 83) hat, die sich von dieser erstrecken, um einen Kanal (19) zwischen sich zu definieren, wobei die Basis einen mittleren Bereich hat, der sich zwischen den Beinen erstreckt, und der Vorformling aus axialen Fäden (21, 53, 55) gebildet ist, die sich durch die Basis und die Beine erstrecken, und wobei die axialen Fäden parallel zu der axialen Richtung und einer kontinuierlichen Länge des Vorformlings orientiert sind und die axialen Fäden ausgewählt sind, um eine Differenz der thermischen Ausdehnungskoeffizienten des ersten Teils und des zweiten Teils zu minimieren; und wobei eine der Längskanten des ers ten Teils in dem Kanal des Vorformlings in Kontakt mit dem mittleren Bereich der Basis verbunden ist und das zweite Teil mit einer Oberfläche der Basis des Vorformlings gegenüber den Beinen verbunden ist.
Bauelement (71) nach Anspruch 11, bei dem das zweite Teil (73, 75) und die Basis (79) des Vorformlings (81) unter einem nichtorthogonalen Winkel relativ zu dem ersten Teil (77) geneigt sind.
Bauelement nach Anspruch 11, bei dem der Vorformling mit einem wärmeaushärtenden Harz imprägniert ist, das als ein Klebstoff wirkt, um das erste Teil und das zweite Teil miteinander zu verbinden.
Bauelement nach Anspruch 11, weiterhin aufweisend orthogonale Fäden, die sich durch die Beine und die Basis senkrecht zu den axialen Fäden erstrecken.
Bauelement nach Anspruch 11, bei dem der Vorformling einen ersten Typ von axialen Fäden in der Basis und einen zweiten Typ von axialen Fäden in den Beinen aufweist und bei dem der erste und der zweite Typ von axialen Fäden in einem Bereich gemischt sind, in welchem die Beine die Basis schneiden.
Bauelement nach Anspruch 15, bei dem der erste Typ von axialen Fäden einen axialen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat, der im Wesentlichen einem axialen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des zweiten Teils angepasst ist, und der zweite Typ von axialen Fäden einen axialen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat, der im Wesentlichen einem axialen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des ersten Teils angepasst ist.
Verfahren zum Herstellen eines Bauelements (41, 71), das die Schritte aufweist: (a) Vorsehen eines ersten Teils (31, 77), das aus einem von einem metallischen Material oder einem Verbundwerkstoff gebildet ist und eine Längskante aufweist, die sich in axialer Richtung erstreckt, sowie ein zweites Teil (33, 73, 75), das aus dem anderen von dem metallischen Material oder dem Verbundwerkstoff gebildet ist; (b) Bilden eines Vorformlings (11, 51, 81) aus Verbundwerkstoffen, welcher Vorformling eine Basis (13, 63, 79) mit einem Paar von Beinen (15, 17, 57, 59, 83) hat, die sich von dieser erstrecken, um einen Kanal (19) zwischen sich zu definieren, welche Basis einen mittleren Bereich hat, der sich zwischen den Beinen erstreckt, wobei der Vorformling Fäden (21, 53, 55) hat, die sich durch die Basis und die Beine erstrecken; (c) Positionieren von Grenzflächenwerkzeugen auf dem Vorformling, dem ersten Teil und dem zweiten Teil und Erwärmen des Bauelements; (d) Verbinden der Längskante des ersten Teils in dem Kanal des Vorformlings derart, dass die Beine des Vorformlings das erste Teil eng aufnehmen und die Längskante in Kontakt mit dem mittleren Bereich der Basis ist; und (e) Verbinden einer Oberfläche der Basis des Vorformlings gegenüber den Beinen mit dem zweiten Teil, um ein Bauelement zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 17, bei dem die Schritte (d) und (e) das Erwärmen des ersten Teils, des zweiten Teils und des Vorformlings aufweisen, um strukturelle Verbindungen zwischen diesen zu schaffen.
Verfahren nach Anspruch 17, weiterhin aufweisend den Schritt des Imprägnierens des Vorformlings mit einem wärmeaushärtenden Harz.
Verfahren nach Anspruch 17, bei dem der Vorformling des Schrittes (b) nicht imprägniert ist, und weiterhin aufweisend der Schritt der Infusion oder Injektion von Harz in den nicht imprägnierten Vorformling.
Verfahren nach Anspruch 17, weiterhin aufweisend den Schritt des Ausübens von Autoclavdruck auf den Vorformling, um eine Verdichtung des Vorformlings zu erhalten.
Verfahren nach Anspruch 17, weiterhin aufweisend den Schritt des Aushärtens des einen von dem ersten Teil oder dem zweiten Teil, das aus dem Verbundwerkstoff gebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 17, bei dem der Schritt (c) das Anordnen eines abgedichteten Druckverstärkers (35) über dem Vorformling innerhalb eines Vakuumsacks (39) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 17, weiterhin aufweisend den Schritt des Neigens des ersten Teils (77) des Vorformlings (81) unter einem nichtorthogo nalen Winkel relativ zu dem zweiten Teil (73, 75) und der Basis (79) des Vorformlings.