DE60312391T2

DE60312391T2 - Verbindung zwischen verbundteilen mit nichtkompatiblen eigenschaften und verfahren zur herstellung

Info

Publication number: DE60312391T2
Application number: DE60312391T
Authority: DE
Inventors: Anton Bech; Frank A. Hoelgaard Hahn
Original assignee: Vestas Wind Systems AS
Current assignee: Vestas Wind Systems AS
Priority date: 2003-03-06
Filing date: 2003-04-22
Publication date: 2007-11-08
Anticipated expiration: 2023-04-23
Also published as: CA2517956C; EP1603735B1; CA2517956A1; WO2004078461A1; DE60312391D1; AU2003229708A1; CN100393504C; DK1603735T3; CN1809450A; PT1603735E; US7521105B2; WO2004078461A8; WO2004078465A1; US8409396B2; US20060083907A1; AU2003222831A1; ATE355961T1; ES2282616T3; EP1603735A1; US20090242119A1

Description

Technisches Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft faserverstärkte Verbundwerkstoffe. Insbesondere betrifft die Erfindung dauerhafte Verbindungen zwischen Verbundelementen, die unterschiedliche Typen von Verstärkungsfasern aufweisen.
Hintergrund der Erfindung
Wenn Strukturen aus Verbundwerkstoffen entworfen werden, ist das optimale Material hinsichtlich der Festigkeit, des Gewichts, des Elastizitätsmoduls und der Kosten usw. häufig nicht für alle Teile der Struktur dasselbe. Zum Beispiel kann in einem Holm für einen Windradflügel das bevorzugte Material für das Grundteil infolge niedriger Kosten und begrenzter mechanischer Anforderungen ein glasfaserverstärkter Verbundwerkstoff sein, wohingegen das bevorzugte Material für ein lasttragendes Außenteil, wie einen Flansch, infolge der höheren Steifigkeit und des niedrigeren Gewichts ein Kohlenstoff-faserverstärkter Verbundwerkstoff sein kann. Die physikalische Eigenschaften, zum Beispiel die Steifigkeit und die Wärmeausdehnung, sind jedoch sehr unterschiedlich, und es ist die allgemeine Vorstellung in der Technik, daß solche Teile nicht effektiv verbunden werden können.
WO 02/081189 betrifft ein Bindematerial zur Verbesserung der chemischen Bildung zwischen Elementen, die auf Epoxid beruhende bzw. auf Polyester oder Vinylester beruhende Harze aufweisen. Das Dokument betrifft eine Verbindung zwischen einem auf Epoxid beruhenden Schichtstoff und einem Gelüberzug, und repräsentiert die Oberbegriffe der unabhängigen Ansprüche.
Aufgaben der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine effektive dauerhafte Verbindung zwischen zwei Verbundelementen bereitzustellen, die zum Beispiel mit unterschiedlichen Verstärkungsfasern verstärkt sind.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung solcher Verbindungen bereitzustellen.
Offenbarung der Erfindung
Die obigen und weiteren Aufgaben werden durch die Erfindung verwirklicht, wie sie in den Figuren, bevorzugten Ausführungsformen und Ansprüchen beschrieben und erläutert wird.
Die erfindungsgemäße Verbindung kann eine stabile relative Befestigung eines ersten Verbundelements und eines zweiten Verbundelements bereitstellen, die im wesentlichen dieselben Eigenschaften aufweisen. Es wird jedoch erkannt werden, daß die Verbindungen auch zwischen Verbundelementen vorhanden sein können, die ziemlich unterschiedliche Eigenschaften aufweisen. Zum Beispiel können Verbundwerkstoffe, die mit Kohlenstoff-Fasern verstärkt sind, die typischerweise Wärmeausdehnungskoeffizienten (im folgenden CTE) nahe oder sogar unter null aufweisen, mit Verbundwerkstoffen verbunden werden, die mit Glasfasern verstärkt sind, die einen wesentlich höheren CTE aufweisen.
Die Erfindung betrifft eine Verbindung, wie im Anspruch 1 definiert, zwischen einem ersten Verbundelement, das einen ersten Typ Fasern und ein erstes Harz aufweist, und einem zweiten Verbundelement, das einen zweiten Typ Fasern und ein zweites Harz aufweist. Die Verbindung weist eine Übergangszone mit einer Schichtstruktur auf. Unter der Übergangszone wird das Volumen der Verbindung verstanden, das nicht dieselbe Zusammensetzung und dieselbe Struktur wie der Großteil beider verbundenen Verbundelemente aufweist. Die Übergangszone umfaßt das Volumen zwischen den beiden Verbundelementen und kann in einigen Fällen einen Teil von einem oder mehreren der Verbundelementen einschließen.
In den Ansprüchen 27, 29, 30 und 31 werden Verfahren zum Verbinden von Verbundelementen definiert.
Unter dem ersten Verbundelement wird der Teil der endgültigen verbundenen Struktur verstanden, der eine Struktur aufweist, die im wesentlichen einem äquivalenten, getrennt vorbereiteten ersten Verbundelement entspricht, und das umgekehrte gilt für ein zweites Verbundelement. Jedes der Verbundelemente kann folglich teilweise oder vollständig vor der Bildung der Verbindung vorbereitet werden, oder das Verbundelement kann als ein integriertes Teil des Vorbereitungsprozesses der Verbindung vorbereitet werden.
Das Volumen zwischen den Verbundelementen kann optional vollständig oder teilweise durch ein Übergangselement eingenommen werden. Dieses Übergangselement kann vor der Herstellung der Verbindung vorbereitet werden, es kann direkt in der Übergangszone als Teil der Herstellung der Verbindung oder irgendeiner Kombination davon vorbereitet werden.
Jedes der Verbundelemente kann zur Zeit der Herstellung der Verbindung unabhängig ungehärtet, vorverfestigt, teilweise oder vollständig gehärtet sein. Ebenso kann ein Übergangselement, das vor der Herstellung der Verbindung teilweise oder vollständig vorbereitet ist, zur Zeit der Herstellung der Verbindung ungehärtet, vorverfestigt, teilweise oder vollständig gehärtet sein. Jedoch wird es bevorzugt, daß ein Übergang zur Zeit der Herstellung der Verbindung nicht vollständig gehärtet ist.
Die verbundene Struktur kann in nur einem Arbeitsgang hergestellt (d.h. angelegt) werden. Unter einem Arbeitsgang wird verstanden, daß sowohl die Verbundelemente als auch die Übergangszone in Verbindung mit den anderen Teilen vorbereitet werden, dem sich typischerweise, jedoch nicht notwendigerweise ein Vorverfestigen oder Mit-Härten der vollständigen Struktur anschließt. Diese Art der Vorbereitung ist insbesondere nützlich, wenn kein Übergangselement verwendet wird.
Eine andere Art, die Verbindung herzustellen, besteht darin, zwei Elemente zu verbinden. Beispiele davon können sein:
Anordnen der Verbundelemente nahe oder in Kontakt miteinander und Herstellung einer Übergangszone, optional über ein Übergangselement, das vor Ort vorbereitet wird.
Verbinden eines Verbundelements, das zur Verbindung vorbereitet wird, indem es zum Beispiel eine eingebaute Teilübergangszone aufweist, mit einem anderen Verbundelement, das optional ebenfalls für die Verbindung vorbereitet wird;
Verbinden eines Verbundelements, das mit einem teilweise oder vollständig integrierten Übergangselement vorbereitet ist, mit einem anderen Verbundelement, das optional ebenfalls zur Verbindung vorbereitet wird;
Verbinden eines Verbundelements mit einem Übergangselement und Vorbereiten eines weiteren Verbundelements direkt am Übergangselement; usw.
Alternativ kann die Verbindung durch die Kombination dreier oder mehrerer getrennter Elemente hergestellt werden (z.B. zwei Verbundelemente und ein Übergangselement, drei Verbundelemente und kein Übergangselement, drei Verbundelemente und ein Übergangselement usw.).
Erfindungsgemäße Verbindungen können zum Verbinden von Verbundelementen in jede Richtung relativ zur Hauptfaserorientierung oder -Orientierungen (z.B. parallel nebeneinander, unter einem Winkel (orthogonal oder jeden anderen) oder parallel endweise) verwendet werden. Wenn Fasern oder Schichten, die Fasern aufweisen, zu einem Verbundelement verflochten werden, wird es jedoch bevorzugt, daß die verflochtenen Fasern unter einem Winkel zur Grenzfläche zwischen den Verbundelementen oder unter einem Winkel zur Grenzfläche zwischen dem Verbundelement und dem Übergangselement orientiert werden. Dies wird in der Regel die mechanische Festigkeit des Kontakts bezüglich einer parallelen Orientierung erhöhen.
Der Ausdruck Verbundelement bezeichnet hierin jede Art eines Verbundmaterials, das Fasern enthält, gehärtet oder ungehärtet, unabhängig von der Struktur, die geschichtet ist oder nicht. Vorformen und vorverfestigte Vorformen – gehärtet oder ungehärtet – sind wichtige Teilgruppen von Verbundelementen. In einer bevorzugten Ausführungsform weist ein erstes Verbundelement ei nen ersten Typ Fasern und einen ersten Typ Harz auf, und ein zweites Verbundelement weist einen zweiten Typ Fasern und einen zweiten Typ Harz auf.
Eine Übergangszone weist ebenso wie ein Übergangselement ein Harz und Fasern auf. Die Fasern können in jeder geeigneten Form vorgesehen werden, die kunststoffimprägnierte Flächenstoffe, teilweise kunststoffimprägnierte Flächenstoffe, Webstoffe oder Vliesstoffe, Matten, Vorformen, vorverfestigte Vorformen, einzelne oder Gruppen von Fasern, Werg, kunststoffimprägnierte Wergflächenstoffe usw. umfassen. Während des Anlegens (d.h. Vorbereitung bis zu dem Punkt vor der Festigung und/oder dem Härten des Harzes) einer Übergangszone oder eines Übergangselements muß kein Harz in den Schichten enthalten sein, die Fasern aufweisen, (z.B. einem kunststoffimprägnierten Flächenstoff oder einem teilweise kunststoffimprägnierten Flächenstoff) oder zwischen den Schichten, die Fasern aufweisen. Jedoch sollte das Harz eine zusammenhängende Matrix nach dem Härten bilden. Es muß kein Harz in oder zwischen zwei benachbarten Schichten enthalten sein, die Fasern aufweisen. In einer bevorzugten Ausführungsform kann in diesem Fall ein Klebemittel zwischen mindestens einigen solcher Paare von Schichten vorgesehen werden, um mindestens zeitweilig und mindestens teilweise den benachbarten Schichten zu befestigen, die Fasern aufweisen.
Unter einem kunststoffimprägnierten Flächenstoff wird eine im wesentlichen oder vollständig imprägnierte Ansammlung von Fasern, Faserwerg, Webstoff oder Vliesstoff usw. verstanden. Unter einem teilweise kunststoffimprägnierten Flächenstoff wird eine teilweise imprägnierte Ansammlung von Fasern oder Faserwerg verstanden. Die teilweise Imprägnierung sorgt für eine verbesserte Entfernung von Gas durch oder längs der trockenen Fasern während der Festigung und/oder des Härtens. Ein Beispiel eines teilweise kunststoffimprägnierten Flächenstoffs ist eine Schicht aus Fasern (z.B. Glasfasern oder jede Art von Fasern, die hierin erwähnt wird), die teilweise im oberen Teil und/oder im unteren Teil imprägniert wird. Webstoffe und Vliesstoffe sind Ansammlungen einzelner Fasern oder Faserwerg, die im wesentlichen trocken, d.h. nicht mit einem Harz imprägniert sind. Faserwerg besteht aus Bündeln einer großen Anzahl von einzelnen Fasern, z.B. mehrere tausend, mehrere zehntausend oder mehrere hunderttausend Fasern. Kunststoffimprägnierte Wergflächenstoffe sind mindestens teilweise imprägniertes Faserwerg.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, drei oder mehr Verbundelemente mit der Verbindung und dem Verfahren gemäß der Erfindung zu verbinden, da dies als eine Zusammenarbeit einer Anzahl von erfindungsgemäßen Verbindungen betrachtet wird.
Die Übergangszone oder das Übergangselement können als eine Vorform vorbereitet werden, wie im Anspruch 26 definiert und wie im folgenden beschrieben wird. Eine Vorform ist ein Verbundmaterial, das Fasern und – wenn nichts anderes angegeben – ein ungehärtetes Harz aufweist. Die Fasern sind vorzugsweise in Schichten orientierter Fasern, wie zum Beispiel einzelne oder Gruppen von Fasern, Faserwerg, kunststoffimprägnierte Faserwergflächenstoffe, kunststoffimprägnierter Flächenstoffe, teilweise kunststoffimprägnierte Flächenstoffe, Webstoffe oder Vliesstoffe oder Matten vorgesehen. Einzelne Fasern, Faserwerg und kunststoffimprägnierte Faserwergflächenstoffe können in einigen Fällen gegenüber kunststoffimprägnierten Flächenstoffen vorteilhaft sein, da die einzelnen Fasern weniger eingeschränkt sind und sich folglich während der nachfolgenden Verarbeitung leichter neu anordnen können.
Ferner können einzelne Fasern, Faserwerg und kunststoffimprägnierte Wergflächenstoffe gegenüber kunststoffimprägnierten Flächenstoffe darin vorteilhaft sein, daß sie in der Vorform mit einer größeren Freiheit der Mischung und Orientierung vorgesehen werden können, der Preis niedriger ist, sowie die Ausschußmenge niedriger sein kann. Die Vorform weist vorzugsweise mindestens drei Schichten orientierter Fasern auf. Es können Vorformen mit einer höheren Anzahl von Schichten, wie z.B. 4, 5, 8, 10, 15, 20, 50, 100 oder mehr Schichten im Rahmen der Erfindung verwendet werden.
Unter Fasern werden im folgenden Teilchen mit einem Längenverhältnis (Länge/äquivalenter Durchmesser) von mehr als 10 verstanden. Unter äquivalentem Durchmesser wird der Durchmesser eines Kreises verstanden, der dieselbe Fläche wie die Querschnittsfläche des Teilchens aufweist. Jedoch sind in einer bevorzugten Ausführungsform die Fasern zusammenhängende Fasern, d.h. Fasern, die im wesentlichen von einer Kante einer Vorform oder Elements zu einer anderen verlaufen. Die Eigenschaften eines faserverstärkte Verbundwerkstoffs hängen in einem großen Ausmaß von den Eigenschaften der Fasern ab. Jedoch variieren die Eigenschaften der unterschiedlichen Typen von Fasern beträchtlich. Zum Beispiel ist der Wärmeausdehnungskoeffizient von Kohlenstoff-Fasern sehr niedrig, und in einigen Fällen sogar negativ. Der erste Typ Fasern und der zweite Typ Fasern kann aus irgendeinem Typ Fasern bestehen, der einen Einfluß auf die Eigenschaften des Verbundelements aufweist; es wird jedoch bevorzugt, daß die Fasern aus der Gruppe ausgewählt werden, die aus Kohlenstoff-Fasern, Glasfasern, Aramidfasern, Chemiefasern (z.B. Acryl-, Polyester, PAN, PET, PE, PP oder PBO-Fasern usw.), biologischen Fasern (z.B. Hanf, Jute, Zellulosefasern usw.), Mineralfasern (z.B. Rockwool^TM usw.), Metallfasern (z.B. Stahl, Aluminium, Messing, Kupfer usw.), Borfasern und irgendeiner Kombination von diesen besteht.
In einer bevorzugten Ausführungsform besteht der erste Typ Fasern aus Kohlenstoff-Fasern, und der zweite Typ Fasern besteht aus Glasfasern, oder der erste Typ Fasern besteht aus Glasfasern, und der zweite Typ Fasern besteht aus Kohlenstoff-Fasern. Es ist insbesondere interessant, Verbundwerkstoffe mit diesen Fasertypen zu verbinden, da Kohlenstoff-Fasern sehr steif und leicht sind und Glasfasern sehr erschwinglich sind. In einer anderen eng verwandten Ausführungsform besteht der erste Typ Fasern aus Kohlenstoff-Fasern, und der zweite Typ Fasern besteht aus Glasfasern oder umgekehrt, und sowohl der erste als auch der zweite Typ Harz beruhen auf Epoxid.
Unter Kohlenstoff-Fasern werden im folgenden Fasern verstanden, deren Hauptkomponente Kohlenstoff ist. Folglich umfassen gemäß dieser Definition Kohlenstoff-Fasern Fasern mit Graphit, amorphen Kohlenstoff oder Kohlenstoff-Nanoröhrchen. Folglich sind gemäß dieser Definition Kohlenstoff-Fasern enthalten, die zum Beispiel über einen Polyacrylonitril-Weg oder einem auf Pech beruhenden Weg erzeugt werden.
Die Fasern, die in der Übergangszone und/oder dem Übergangselement und/oder den Verbundelementen, die verbunden sind, enthalten sind, können aus einer Mischung von mehr als einem Typ Fasern bestehen.
Zum Beispiel können eine Kombination aus Glasfasern und Kohlenstoff-Fasern verwendet werden, jedoch ist jede Kombination von zwei oder mehr der hierin erwähnten Fasertypen möglich. Die Mischung kann homogen sein, mit unterschiedlichen Konzentrationen in getrennten Faserschichten oder Bereichen oder mit unterschiedlichen Konzentrationen von Fasern in jeder Faserschicht. Eine Mischung der Fasern kann vorteilhaft sein, da dies den Weg eröffnet, zum Beispiel die Materialeigenschaften aus einer kombinierten Spannungs-/Kostenperspektive zuzuschneiden.
Das Harz für die Verbundelemente, die Übergangszone und das optionale Übergangselement kann als ein flüssiges, halbfestes oder festes Harz bereitgestellt werden. Das Harz kann aus einem thermoplastischen oder wärmehärtenden Harz bestehen, es wird jedoch aus Gründen der chemischen und thermischen Stabilität als auch der Leichtigkeit der Verarbeitung bevorzugt, ein wärmehärtendes Harz zu verwenden. Das Harz kann zum Beispiel auf einem ungesättigtem Polyester, Polyurethan, Polyvinylester, Epoxid, Thermoplasten oder ähnlichen chemischen Verbindungen, einschließlich Kombinationen von diesen beruhen. In einer bevorzugten Ausführungsform weisen der erste Typ Harz und der zweite Typ Harz im wesentlichen dieselbe Zusammensetzung auf. Dies wird bevorzugt, da es die Kompatibilitätsprobleme reduziert.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Harz als eine Flüssigkeit vorgesehen, und das Harz wird durch Harzinfusion, Harzspritzpressen (RTM) oder unterdruckunterstütztes Harzspritzpressen (VARTM) in ein Gebilde eingeleitet, das mehrere Schichten aufweist, die Fasern aufweisen, (z.B. Faserwerg oder irgendeine andere geeignete Ansammlung, die hierin erwähnte Fasern aufweisen). Das Gebilde, das Fasern aufweist, kann zum Beispiel eine Übergangszone, ein Übergangselement, ein Verbundelement oder jede Kombination von einem oder mehreren von diesen sein. Neben den Schichten, die Fasern aufweisen, kann das Gebilde ferner ein Harz und/oder ein Klebemittel aufweisen oder nicht. In einer Ausführungsform weist das Gebilde zwei benachbarte Schichten auf, die die Fasern aufweisen, die kein Klebemittel oder Harz zwischen den Schichten vor dem Einleiten des flüssigen Harzes aufweisen, wie vorhergehend in diesem Abschnitt beschrieben. In einer anderen Ausführungsform ist in dem Gebilde vor dem Einleiten des flüssigen Harzes, wie vorhergehend in diesem Abschnitt beschrieben, ein Klebemittel und/oder Harz zwischen allen Schichten vorgesehen, die Fasern aufweisen.
Die Hauptfunktion des Klebemittels ist es, die Fasern unbeweglich zu machen, wenn sie auf dem Klebemittel angeordnet werden. Dies kann erreicht werden, indem ein klebriges Klebemittel verwendet wird, wodurch die Fasern an dem klebrigen Klebemittel haften. Das Klebemittel kann aus jedem klebrigen Material, oder einem Festkörper mit einer klebrigen Oberfläche bestehen, und das Klebemittel kann zum Beispiel Polyester, Polyurethan, Polyvinylester, Epoxid oder ähnliche Verbindungen oder eine Kombination von diesen aufweisen. Es liegt im Rahmen der Erfindung, irgendein Material oder eine Kombination von Materialien mit einer klebrigen Oberfläche zu verwenden, einschließlich fester Materialien mit klebrigen Oberflächen. Es kann mehr als eine Art Klebemittel in einem Element oder einer Übergangszone verwendet werden. Zum Beispiel liegt es im Rahmen der Erfindung, das Harz als Klebemittel zwischen Schichten aus Faserwerg zu verwenden, wo ein Harz vorgesehen ist, oder einen zweiten Typ Harz unter der ersten Schicht des Faserwergs zu verwenden.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist das Harz ein Feststoff. Ein Gebilde, das mehrere Schichten orientierten Faserwergs, die optional vorher während der Faserverlegung durch ein Klebemittel unbeweglich gemacht worden sind, und ein festes Harzsystem aufweist, wird unter Vakuum erwärmt, um eine vorverfestigte oder gehärtete Vorform vorzubereiten, die Teil einer Übergangszone, eines Übergangselements oder eines Verbundelements sein kann.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Harz ein Halbfeststoff und dient sowohl als Harz als auch als Klebemittel, d.h. während der Faserverlegung wird das Harz die Fasern unbeweglich machen, und während der nachfolgenden Verarbeitung dient es als ein Matrixmaterial.
Das Harz kann mehr als ein System aufweisen, zum Beispiel kann das Harz zwei Systeme oder noch mehr Systeme aufweisen. Es kann vorteilhaft sein, mehr als ein Harzsystem zu verwenden, um imstande zu sein, die Eigenschaften des Harzes für die nachfolgenden Verarbeitungsschritte zu optimieren, zum Beispiel bezüglich der Viskosität und Zeiteinteilung/Steuerung des Härtungsprozesses. Diese Systeme können auf demselben Harztyp beruhen oder nicht, jedoch wird es bevorzugt, daß solche Systeme auf demselben Harztyp, wie auf zwei oder mehreren auf Epoxid beruhenden Systemen beruhen. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform unterscheiden sich die Harztypen, jedoch sind die Harze kompatibel. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Harz zwei im wesentlichen auf Epoxid beruhende Systeme auf. Die beiden auf Epoxid beruhenden Systeme können eine gemeinsame Komponente aufweisen. Die gemeinsame Komponente kann zum Beispiel ein gemeinsamer Katalysator, eine gemeinsame Aminkomponente oder eine gemeinsame Epoxidkomponente sein, jedoch wird es bevorzugt, daß die gemeinsame Komponente eine Epoxidkomponente ist. Ein Harz, das zwei auf Epoxid beruhende Systeme mit einer gemeinsamen Epoxidkomponente aufweist, kann eine Aminkomponente eines ersten, auf Epoxid beruhenden Systems aufweisen, die bei einer ersten, verhältnismäßig niedrigen Temperatur, wie unter 50°C und vorzugsweise bei etwa Raumtemperatur, mit der gemeinsamen Epoxidkomponente reagiert. Bei dieser ersten Temperatur ist ein zweites, auf Epoxid beruhendes System vorzugsweise reaktionsunfähig, oder die Reaktion findet mit einer sehr niedrigen Geschwindigkeit statt. Da die Reaktionsgeschwindigkeit des zweiten auf Epoxid beruhenden Systems sehr niedrig sein sollte, kann das zweite auf Epoxid beruhende System vorzugsweise durch einen Katalysator katalysiert werden, der nicht aktiv ist, bis er aktiviert wird. Diese Aktivierung kann zum Beispiel durch UV-Licht, durch Hinzufügen einer Verbindung oder durch Erwärmung stattfinden; es wird jedoch bevorzugt, daß der Katalysator durch Erwärmung aktiviert wird.
Das Harz kann zum Beispiel als diskrete Stellen, als zufällige oder organisierte Linien, zusammenhängende oder unzusammenhängende Schichten oder Bereiche oder irgendeine Kombination von diesen verteilt sein. Ferner kann das Harz oder zusätzliches Harz während der Verarbeitung infundiert werden.
Neben den Fasern und dem Harz können die Verbundelemente, die Übergangszone und – falls vorhanden – das Übergangselement zum Beispiel einen oder mehrere Füllstoffe (z.B. ein kostengünstig inertes Material) und/oder Lösungsmittel und/oder Verdünnungsmittel und/oder Bindemittel und/oder Viskositätseinstellmittel aufweisen.
Herkömmlicherweise ist Gas, das vor und während des Härtens in der Vorform eingeschlossen wurde, in die Richtung der Fasern, d.h. in der Ebene einer Harzschicht entfernt worden. Je größer folglich die Struktur ist, je länger muß sich das Gas bewegen, um aus der Struktur freigesetzt zu werden. Die Gefahr, daß Gas in einer gehärteten Struktur gefangen wird, wird folglich mit der Größe der Struktur erhöht. Es scheint, daß das Problem mit einem eingeschlossenen Gas bei der Verstärkung mit unidirektionalen Fasern besonders ausgeprägt ist. Es kann spekuliert werden, daß dies auf die sehr dichte Packung der Fasern zurückzuführen ist, die in einigen Bereichen eines Verbundwerkstoffs auftreten kann, der durch unidirektionale Fasern verstärkt ist. Jedoch können Probleme hinsichtlich des eingeschlossenen Gases auch bei anderen Arten der Faserorientierung vorhanden sein, z.B. bei biaxialen oder zufälligen Orientierungen. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die Verbindungen daher vorbereitet, eine Entfernung von Luft aus den Verbindungen in eine Richtung zu verbessern, die im wesentlichen orthogonal zur Oberfläche ist. Dies kann zum Beispiel realisiert werden, indem eine unzusammenhängende Harzschicht in der Übergangszone vorhanden ist.
Unter Gas werden hierin eingeschlossene atmosphärische Luft sowie gasförmige Produkte, Nebenprodukte und Ausgangsmaterialien verstanden, die mit dem Vorbereitungsprozeß verbunden sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auf eine automatisierte Verarbeitung angewendet werden. Zum Beispiel kann in der Herstellung einer Übergangszone oder eines Übergangselements ein Roboter vorteilhaft Schichten verteilen, die Fasern, Harz und optional Klebemittel enthalten. Eine Automatisierung wird durch eine mindestens teilweise Fixierung der Fasern durch ein Klebemittel während der Verlegung erleichtert, was eine Störung in den Schichten, die Fasern aufweisen, verhindern oder mindestens beträchtlich reduzieren wird. Wenn das Klebemittel ferner nur auf ausgewählte Bereiche des Grundrisses der Übergangszone oder des Übergangselements aufgetragen wird, wird verglichen mit der Verteilung des Harzes über den gesamten Grundriß Zeit gespart.
Harzsysteme können Komponenten enthalten, die reizend oder gesundheitsschädlich sein können, wenn sie in Kontakt mit der bloßen Haut kommen, wenn sie aufgenommen oder eingeatmet werden. Eine Vermeidung des direkten Kontakts ist daher sehr wünschens wert. Da die erfindungsgemäßen Prozesse insbesondere zur Automatisierung geeignet sind, stellen die erfindungsgemäßen Produkte und Prozesse eine bedeutende Verbesserung der Arbeitsumgebung dar.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt die allgemeine Konzeption des Winkels zwischen der Gesamtebene der Grenzfläche zwischen der Übergangszone und einem der Verbundelemente.
2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Verbindung mit einer Makroabstufung.
3 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Verbindung mit einer Mikroabstufung und Einzelheiten einer mikroabgestuften Schicht.
4 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Verbindung mit verflochtenen Schichten, die Fasern aufweisen.
5 zeigt noch eine weitere bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Verbindung.
6 zeigt Skizzen einiger anderer bevorzugter Ausführungsformen von Verbindungen mit verflochtenen Schichten, die Fasern aufweisen.
7 zeigt eine Skizze der Spannungsverteilung nahe des Endes einer Faser.
Beschreibung der Zeichnungen
Alle Figuren sind sehr schematisch und nicht notwendigerweise maßstabsgerecht, und sie zeigen nur Teile, die notwendig sind, um die Erfindung zu erläutern, wobei andere weggelassen werden oder lediglich angenommen werden.
In einigen der Figuren werden getrennte Schichten angezeigt, die Fasern aufweisen. Um die Klarheit zu erhöhen, ist die Anzahl der gezeigten Schichten beschränkt, und in realen Verbindungen und Verbundelementen kann die Anzahl der Schichten kann in eini gen Fällen beträchtlich höher sein, wie zum Beispiel dutzende oder mehrere hundert. Der Abstand zwischen den Schichten, die Dicke der Schichten und die Winkel sind Beispiele schematischer Teile.
Die physikalischen Eigenschaften von faserverstärkten Verbundwerkstoffen werden in einem großen Ausmaß durch die Verstärkungsfasern diktiert. Dies umfaßt Eigenschaften, wie den Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) und das Elastizitätsmodul. Folglich ist eine gründliche Verbindung zum Beispiel relevant, wenn ein Verbundwerkstoff, der Kohlenstoff-Fasern aufweist, mit einem Verbundwerkstoff verbunden wird, der durch einen anderen Typ Fasern verstärkt wird, da der CTE der Kohlenstoff-Fasern sehr niedrig ist und sogar negativ sein kann. Jedoch kann derselbe Typ Verbindungen für starke Verbindungen zwischen Verbundwerkstoffen verwendet werden, die durch andere Typen von Fasern verstärkt werden. Die Fasern können aus jedem der Fasertypen bestehen, die vorher in dieser Beschreibung erwähnt werden. Eine erfindungsgemäße Verbindung kann zum Beispiel zum Verbinden eines Kohlenstoff-faserverstärkten Verbundwerkstoffs mit einem glasfaserverstärkten Verbundwerkstoff verwendet werden.
Die erfindungsgemäße Verbindung wird am besten erkannt, wenn eine deutliche Differenz der Eigenschaften zwischen den Verbundelementen vorhanden ist, die verbunden werden sollen, z.B. ein erstes und ein zweites Verbundelement. Zum Beispiel kann die Differenz des CTE der Verbundwerkstoffe größer als 3 × 10^–6°C^–1 oder sogar größer als 5 × 10^–6°C^–1 sein, oder die Differenz des Elastizitätsmoduls kann größer als 25% des niedrigeren Werts für die Verbundwerkstoffe oder sogar größer als 100% des niedrigeren Werts sein. In vielen Fällen können Verbundwerkstoffe, die noch größere Unterschiede der Eigenschaften aufweisen, durch eine erfindungsgemäße Verbindung verbunden werden. Jedoch ist eine erfindungsgemäße Verbindung auch nutzbar, wenn die Unterschiede der Eigenschaften kleiner sind.
Die Übergangszone sollte eine Schichtstruktur aufweisen, d.h. Schichten aufweisen, die Fasern aufweisen. Die Anzahl der Schichten kann abhängig von der Gestaltung der Verbindung und der Größe und des Typs der Verbundelemente beträchtlich variieren. In einigen Fällen werden einige, zum Beispiel 2, 3, 4, 6 oder 10 Schichten verwendet, wohingegen in anderen Fällen eine höhere Anzahl, zum Beispiel 20, 30, 50, 100 oder mehr Schichten benötigt werden, um die gewünschte Qualität der Verbindung zu erhalten. Der Grad der Schichtstruktur wird häufig während der Verarbeitung reduziert. Zum Beispiel homogenisiert eine Vorverfestigung einer Übergangszone oder eines Übergangselements in der Regel die Struktur. Die Struktur der Übergangszone ist geschichtet, um eine gesteuerte Orientierung der Fasern zu verbessern, um die Optimierung der Reduzierung der Spannung zwischen den Verbundwerkstoffen zu erleichtern, sowie die Leichtigkeit der Herstellung zu fördern, wie zum Beispiel die Eignung zur Automatisierung der Produktion zu verbessern.
Die Fasern können in jeder erwünschten Orientierung in der Übergangszone vorgesehen sein, wie zum Beispiel unidirektional, biaxial oder zufällig. Jedoch sind die Fasern vorzugsweise so orientiert, daß sie die Spannung zwischen der Übergangszone und den Verbundelementen reduzieren und/oder die Spannung zwischen den Verbundelementen reduzieren, sowie Bereiche der endgültigen Struktur verstärken, die während des Betriebs einer höheren Spannung ausgesetzt sein werden.
Die Orientierung der Fasern kann in allen Schichten, die Fasern aufweisen, innerhalb der Übergangszone dieselbe sein oder nicht; jedoch sind in einer bevorzugten Ausführungsform die Fasern in allen Schichten der Fasern im wesentlichen in derselben Weise orientiert. Es können zum Beispiel eine oder mehrere Schichten der Fasern in einer anderen Weise als die anderen Schichten orientiert sein, wenn eine Spannungsanalyse eine mehrachsige Faserorientierung nahelegt. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform sind Schichten, die einen ersten Typ Fasern aufweisen, hauptsächlich unidirektional, und Schichten, die einen zweiten Typ Fasern aufweisen, hauptsächlich biaxial. Eine andere Art, einen Bereich der endgültigen Struktur zu verstärken, der während des Betriebs einer höheren Spannung ausgesetzt sein wird, ist, die Menge der Fasern in diesem Bereich zu erhöhen.
Das Harz kann zum Beispiel als diskrete Stellen, als zufällige oder organisierte Linien (vorzugsweise unter einem Winkel zur Faserorientierung), zusammenhängende oder unzusammenhängende Schichten oder Bereiche oder irgendeine Kombination von diesen verteilt sein. In einer bevorzugten Ausführungsform kann Gas orthogonal zur Richtung der Fasern durch eine unzusammenhängende Schicht des Harzes austreten. Harz oder zusätzliches Harz kann ferner während der Verarbeitung infundiert werden.
Das Harz kann zwischen zwei Schichten vorgesehen werden, die Fasern aufweisen, zum Beispiel einzelne oder Gruppen von Fasern, Faserwerg, kunststoffimprägnierte Faserwergflächenstoffe, kunststoffimprägnierter Flächenstoffe, teilweise kunststoffimprägnierter Flächenstoffe, Webstoffe oder Vliesstoffe oder Matten. Dies ist die bevorzugte Anordnung des Harzes, und wenn diese Anordnung verwendet wird, ist es sehr wünschenswert, daß das Harz in unzusammenhängenden Schichten verteilt ist. Jedoch kann das Harz auch so vorgesehen werden, daß es mit nur einer Schicht in Kontakt steht, die Fasern aufweist, d.h. am oberem Teil oder am unterem Teil der Übergangszone oder des Übergangselements. In diesem Fall wird es bevorzugt, das Harz am unterem Teil der Übergangszone oder des Übergangselements vorzusehen, und das Harz kann in einer zusammenhängenden Schicht vorgesehen werden, da gewöhnlich kein Gas durch die Harzschicht austreten muß. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Harz nur am oberen Teil und/oder am unteren Teil der Übergangszone oder des Übergangselements vorgesehen, d.h. es ist nur ein Klebemittel zwischen den Schichten vorgesehen, die Fasern aufweisen. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist Harz nur am unteren Teil der Ü bergangszone oder des Übergangselements vorgesehen, d.h. zwischen den Schichten, die Fasern aufweisen, ist nur Klebemittel vorgesehen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Harz vorgesehen, um eine unzusammenhängende Schicht oder Schichten zu bilden, da dies die Entfernung von Gas während einer nachfolgenden Festigung und/oder Härten der Übergangszone, dem Übergangselement oder dem Verbundelement erleichtert. Das Harz ist vorzugsweise halbfest und kann an den Fasern einer oder mehrerer Schichten haften und/oder sie mindestens teilweise unbeweglich machen. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist das Harz verteilt, um ein Muster von festen oder halbfesten Teilchen zu bilden, und die Teilchen können zum Beispiel über eine Schicht der Fasern versprengt werden. Alternativ können zum Beispiel diskrete Harz- oder Klebemittelflecken aus einem Harz gebildet werden, das als Flüssigkeit bereitgestellt wird. Ein flüssiges Harz kann auch als eine Linie oder mehrere Linien vorgesehen werden, die ein orientiertes Muster, ein zufälliges Muster oder ein kombiniertes Muster bilden können. Ein anderer Ansatz für eine unzusammenhängende Schicht aus Harz ist eine Harzfolie, wobei eine Anzahl von Durchgangslöchern vorgesehen ist. Wie aus diesen Beispiele von Harzmustern offenbar wird, wird ein Fachmann imstande sein, andere Muster vorzusehen, ohne die erfinderische Idee der Erfindung zu verlassen.
Beispiele bevorzugter Ausführungsformen zusammenhängender Schichten aus Harz sind

– Schichten, die durch Verteilung eines flüssigen Harzes vorbereitet werden,
– Schichten, die durch Infusion von Harz in oder zwischen Schichten vorbereitet werden, die Fasern aufweisen,
– Schichten, die aus einer Folie aus festem Harz vorbereitet werden,
– einige, jedoch nicht alle kunststoffimprägnierten Flächenstoffe usw.

Das Klebemittel sollte mindestens teilweise die Fasern unbeweglich machen, die mit dem Klebemittel in Kontakt stehen. Das Klebemittel kann aus jedem Typ Klebemittel bestehen. Das Klebemittel sollte mit dem Harz kompatibel. sein, jedoch ist es vorzugsweise ein Harztyp-Klebemittel und bevorzugter ist das Klebemittel mit dem Harz der Übergangszone, des Übergangselements oder des Verbundelements in dem Sinn verwandt, daß es kompatible chemische Eigenschaften aufweist. Eine Art, die Kompatibilität zwischen dem Harz und dem Klebemittel sicherzustellen, ist es, im wesentlichen dieselbe Zusammensetzung zu verwenden. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Zusammensetzung des Klebemittels dieselbe wie die Zusammensetzung des Harzes. Es liegt im Rahmen der Erfindung, mehr als einen Typ Klebemittel in einer Übergangszone, einem Übergangselement oder einem Verbundelement zu verwenden. Zum Beispiel können einige Anteile des Klebemittels dieselbe Zusammensetzung wie das Harz aufweisen, wohingegen andere Anteile eine andere Zusammensetzung aufweisen können.
Das Klebemittel kann im Prinzip in denselben Mustern wie das Harz vorgesehen werden, jedoch wird es bevorzugt, ein weniger dichtes Muster für das Klebemittel vorzusehen, um Zeit zu sparen. Es ist wichtig, daran zu denken, daß es der Zweck des Klebemittels ist, sicherzustellen, daß die Schichten, die Fasern aufweisen, mindestens teilweise unbeweglich gemacht werden, um die Faserverlegung zu erleichtern. Ferner wird das Klebemittel häufig die mechanische Festigkeit erhöhen und folglich die Hantierbarkeit einer ungefestigten und ungehärteten Vorform relativ zur äquivalenten Struktur ohne Klebemittel verbessern, indem mindestens teilweise benachbarte Faserschichten aneinander befestigt werden. Eine Art, eine Erleichterung der Faserverlegung sicherzustellen, ist es, ein Klebemittel nahe des Ortes oder genau an dem Ort vorzusehen, wo die Schichten, die Fasern aufweisen, während der Faserverlegung beginnen werden. Andere Ausführungsformen sind ebenfalls möglich, wie Flecken, unterbrochene oder gekrümmte Linien usw. Im Prinzip können zusammenhängende Schichten verwendet werden; jedoch wird der Vorteil der Verwendung eines Klebemittels gegenüber der Verwendung eines Harzes dadurch reduziert. In einigen Fällen kann eine Automatisierung ein Klebemittelmuster begünstigen, wo das Klebemittel in einer zusammenhängenden Linie, zum Beispiel als ein Zickzack- oder kreuzweises Muster aufgetragen wird. Ein Fachmann wird den Vorteil der Bereitstellung nur einer eingeschränkten Klebemittelmenge im Vergleich zu einer vollständigen oder nahezu vollständigen Harzschicht oder einer Diagonalnaht insbesondere bezüglich der während der Verarbeitung eingesparten Zeit und der Leichtigkeit der Automatisierung erkennen.
Es kann eine dreidimensionale Formgebung zur Reduzierung der Grenzflächenbelastung in einer Verbindung zwischen Verbundelementen angewendet werden. Eine dreidimensionale Form kann zum Beispiel durch selektives Beginnen und/oder Beendigen von zum Beispiel Faserwerg oder anderen Typen von Schichten, die Fasern aufweisen, während Faserverlegung verwirklicht werden. Herkömmlicherweise werden solche dreidimensionalen die Herstellung eines großen Kontaktbereichs orthogonal zur Hauptspannungsrichtung in mindestens einer Achse mit sich bringen. In 1 wird beobachtet, daß der Kontaktbereich erhöht werden kann, indem der Winkel α zwischen der Gesamtebene der Grenzfläche 2 zwischen der Übergangszone und einem Verbundelement 10 und einer Oberfläche 4 des Verbundelements 12 gesenkt wird. Ein Abstand, der sehr viel größer als der orthogonale Abstand zwischen benachbarten Schichten ist, die Fasern aufweisen, trennt die Enden der Faserschichten im verjüngten Abschnitt (2, 4), was darauf abzielen wird, die Grenzflächenbelastung zu reduzieren. Wenn ferner der Winkel α ausrecheichend klein ist, kann das Ende einer Schicht, die Fasern aufweist, des ersten Verbundelements über einer benachbarten Schicht, die Fasern aufweist, des zweiten Verbundelements in der Übergangszone angeordnet werden. Dies kann zu einer Seite-Seite-Kopplung der Faserschichten führen, die verglichen mit einer Ende-Ende-Kopplung günstig ist.
Die Fasern in einem Verbundelement nahe der Übergangszone können zum Beispiel im wesentlichen parallel zur Gesamtebene der Grenzfläche zwischen der Übergangszone und jenem Verbundelement orientiert sein, die Fasern können im wesentlichen parallel zu einer Oberfläche dieses Verbundelements orientiert sein, die Fasern können in einer Kombination von diesen Orientierungen orientiert sein, die Fasern können mit einer zufälligen Verteilung usw. vorgesehen sein. Es wird jedoch bevorzugt, daß die Fasern in den Verbundelementen nahe der Übergangszone im wesentlichen parallel zu einer Oberfläche des Verbundelements verlaufen, da dies eine – wenn auch begrenzte – Seite-Seite-Kopplung zwischen den Fasern bereitstellen kann. Dies ist insbesondere der Fall, wenn der Winkel α klein ist. Vorzugsweise sollte der Winkel α weniger als etwa 10° betragen, jedoch kann eine noch bessere Verbindung erhalten werden, wenn der Winkel weniger als etwa 2° beträgt. Wenn die verwendeten Fasern sehr steif sind, wie Kohlenstoff-Fasern, kann α in einigen Fällen nicht mehr als 0,5° bis 1° oder sogar noch weniger betragen.
Wenn dicke Verbundwerkstoffe verbunden werden sollen, können kleine Winkel schwierig zu verwirklichen sein, da dies eine unangemessen lange Übergangszone erfordern wird. In solchen Situationen kann es vorteilhaft sein, eine Zickzackgrenzfläche zu verwenden oder eine Anzahl von Verbindungen mit dem Winkel α übereinander zu verwenden. Dies kann zum Beispiel verwirklicht werden, indem die dicken Verbundelemente in eine Anzahl dünnerer Verbundelemente oder Flansche getrennt werden und dann die dünneren Paare der Verbundelemente oder Flansche einzeln übereinander oder nahe zueinander verbunden werden.
Die Übergangszone kann auf verschiedene Arten vorbereitet werden. In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Übergangszone ein Übergangselement auf. Das Übergangselement besteht aus einem Verbundmaterial, das Schichten aufweist, die Fasern und ein Harz aufweisen. In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Übergangselement unabhängig von den Verbundelementen vorbereitet, die verbunden werden. In dieser Ausführungsform kann das Übergangselement zum Beispiel als eine Vorform vorbereitet werden und optional vor der Verbindung mit den Verbundelementen vorverfestigt werden. Ein Verfahren zur Vorbereitung einer Verbindung, die ein Übergangselement enthält, kann die Schritte aufweisen:

– Bereitstellen mindestens einer Schicht, die einen ersten Typ Fasern aufweist, für das Übergangselement
– Bereitstellen mindestens einer Schicht, die einen zweiten Typ Fasern aufweist, für das Übergangselement
– Bereitstellen eines Harzes, das mit mindestens einer der Schichten in Kontakt steht, die Fasern aufweisen, für das Übergangselement
– Verbinden des Übergangselements mit dem ersten Verbundelement
– Verbinden des Übergangselements mit dem zweiten Verbundelement
– Härten des Übergangselements, und
– optionales Mit-Härten des ersten und/oder des zweiten Verbundelements mit dem Härten des Übergangselements.

Die Schichten, die einen ersten Typ Fasern bzw. einen zweiten Typ Fasern aufweisen, können aus derselben Schicht oder denselben Schichten bestehen, wenn die Fasertypen gemischt sind. Das Harz kann dieselbe Zusammensetzung wie eines der Verbundelemente aufweisen oder nicht, jedoch wird es bevorzugt, daß das Harz mit dem Harz der Verbundelemente kompatibel ist, und bevorzugter ist die Harzzusammensetzung im wesentlichen dieselbe wie die Zusammensetzung eines oder beider Verbundelemente. Das Harz ist vorzugsweise, jedoch nicht notwendigerweise in dem Sinn unzusammenhängend, daß Gas aus dem Übergangselement orthogonal zu einer Harzschicht entfernt werden kann. Das Übergangselement kann zum Beispiel auch ein Klebemittel zwischen zwei oder mehreren der Schichten aufweisen, die Fasern aufweisen, falls dies wünschenswert ist. Eines oder mehrere der Verbundelemente können zusammen mit dem Härten des Übergangselements mitgehärtet werden. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die komplette Struktur in einem Arbeitsgang mitgehärtet.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Übergangselement vorzugsweise vor der Verbindung der Verbundelemente vorverfestigt. Das Vorverfestigen des Übergangselements ist insbesondere vorteilhaft, wenn mindestens eines der Verbundelemente, die verbunden werden sollen, vor der Bildung der Verbindung gehärtet wird, da das Vorverfestigen die Schrumpfung während des Härtens reduzieren kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann ein ungehärtetes oder vorverfestigtes Übergangselement transportiert oder für eine längere Zeitspanne, wie Wochen oder Monate ohne voreiliges Härten gelagert werden.
Die Schichten der Schichtstruktur der Übergangszone sind typischerweise im wesentlichen parallel zur Gesamtebene der Grenzfläche zwischen der Übergangszone und mindestens einem der Verbundelemente orientiert, oder die Schichten sind im wesentlichen parallel zu einer Oberfläche mindestens eines der Verbundelemente orientiert. In einigen Ausführungsformen sind beide Optionen möglich, und folglich sollte die Gestaltung abhängig von den gewünschten Eigenschaften der endgültigen Struktur und der Typen der beteiligten Verbundelemente gewählt werden.
Ein Ansatz zur Gestaltung der Übergangszone ist es, eine allmähliche Änderung der Zusammensetzung der Schichten, die Fasern aufweisen, von der Zusammensetzung des ersten Verbundelements zur Zusammensetzung des zweiten Verbundelements vorzusehen. In 2 wird diese allmähliche Änderung durch eine Makrostaffelung realisiert. Unter Makrostaffelung wird verstanden, daß die Übergangszone eine Anzahl von Schichten aufweist, die jeweils Fasern aufweisen, die entweder im wesentlichen dieselbe Faserzusammensetzung 14 wie das erste Verbundelement 10 oder im wesentlichen dieselbe Faserzusammensetzung 16 wie das zweite Verbundelement 12 aufweisen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine erste Seite eines Stapels solcher Schichten mit dem ersten Verbundelement 10 verbunden, und eine zweite Seite des Stapels ist mit dem zweiten Verbundelement 12 verbunden. Folglich sind die Schichten typischerweise parallel zur Gesamtebene der Grenzfläche zwischen der Übergangszone und mindestens einem der Verbundelemente orientiert.
Die in 2 gezeigte Übergangszone wird vorzugsweise direkt auf einem oder beiden der Verbundelemente vorbereitet, jedoch sind andere Vorbereitungswege möglich, zum Beispiel der Weg, der die Vorbereitung eines getrennten Übergangselements umfaßt. Die Grenzfläche zwischen dem ersten Verbundelement und der Übergangszone muß nicht parallel zur Grenzfläche zwischen dem zweiten Verbundelement und der Übergangszone sein, jedoch sind in einer bevorzugten Ausführungsform die Grenzflächen im wesentlichen parallel, da dies für eine leichtere Herstellung sorgt.
Die allmähliche Änderung kann zum Beispiel durch Änderung der Häufigkeit der beiden Typen der Schichten realisiert werden, die Fasern aufweisen, wie zum Beispiel in 2 gezeigt. Andere Beispiele sind Sequenzen wie:
Hauptteil A-B-A-Hauptteil B
Hauptteil A-B-A-A-B-A-B-B-A-Hauptteil B
Hauptteil A-B-A-A-A-B-A-A-B-A-B-B-A-B-B-B-A-Hauptteil B
Hier gibt A eine Schicht an, die Fasern aufweist, die im wesentlichen dieselbe Faserzusammensetzung wie das erste Verbundelement aufweist, B gibt eine Schicht an, die Fasern aufweist, die im wesentlichen dieselbe Faserzusammensetzung wie das zweite Verbundelement aufweist und Hauptteil gibt das Verbundelement an.
Die Sequenz braucht nicht symmetrisch zu sein, und die optimalen Sequenzen sollten in Bezug auf die Eigenschaften, die Schichtdicke usw. in der besonderen Situation gewählt werden. Die Beispiele der Sequenzen sind keineswegs für nützliche Sequenzen erschöpfend, und ein Fachmann wird imstande sein, eine Vielfalt von Sequenzen bereitzustellen, ohne die Konzeption der erfinderischen Idee zu verlassen.
Wenn die Übergangszone direkt auf einem oder mehreren der Verbundelemente vorbereitet wird, kann die Verbindung durch diese Schritte vorbereitet werden:

– Bereitstellen eines ersten Verbundelements
– Bereitstellen mindestens einer Schicht, die einen ersten Typ Fasern aufweist, auf oder in Verbindung mit dem ersten Verbundelement oder an einer vorhergehenden Schicht, die Fasern aufweist, in der Übergangszone
– Bereitstellen mindestens einer Schicht, die einen zweiten Typ Fasern aufweist, auf oder in Verbindung mit dem ersten Verbundelement oder an einer vorhergehenden Schicht, die Fasern aufweist, in der Übergangszone
– Bereitstellen eines Harzes, das mit mindestens einer der Schichten in Kontakt steht, die Fasern aufweisen, in der Übergangszone
– Verbinden der Struktur mit dem zweiten Verbundelement
– Härten der Übergangszone, und
– optionales Mit-Härten des ersten und/oder des zweiten Verbundelements zusammen mit dem Härten der Übergangszone.

Die Übergangszone kann gleichzeitig sowohl auf dem ersten als auch dem zweiten Verbundelement direkt vorbereitet werden, falls dies wünschenswert ist.
Ein Verfahren zum Vorbereiten von Verbindungen, die verflochtene Schichten aufweisen, die Fasern aufweisen, kann zum Beispiel diese Schritte aufweisen:

– Bereitstellen von Schichten, die einen ersten Typ Fasern aufweisen
– Bereitstellen eines Mittels zur mindestens teilweisen Immobilisierung der Fasern, wobei das Mittel zum Beispiel ein Klebemittel oder ein Harz aufweist
– Bereitstellen von Schichten, die einen zweiten Typ Fasern aufweisen, die mindestens teilweise zwischen Schichten verfloch ten werden sollen, die den ersten Typ Fasern aufweisen, wobei sich die Schichten, die den zweiten Typ Fasern aufweisen, über das erste Verbundelement hinaus erstrecken,
– Bereitstellen eines Harzes in Kontakt mit mindestens einer der Schichten, die Fasern aufweisen
– Verbinden der Struktur mit dem zweiten Verbundelement
– Härten der Übergangszone und des ersten Verbundelements, und
– optionales Mit-Härten des zweiten Verbundelements zusammen mit dem Härten der Übergangszone.

In einer ähnlichen Weise kann die Übergangszone teilweise in das zweite Verbundelement eingebaut werden.
Die Übergangszone kann vor dem Härten vorverfestigt werden, wobei das Vorverfestigen optional an der Übergangszone und mindestens einem der Verbundelemente gleichzeitig durchgeführt wird.
Die Fasern für die Schichten, die Fasern aufweisen, können zum Beispiel als kunststoffimprägnierte Flächenstoffe, teilweise kunststoffimprägnierter Flächenstoffe, Webstoffe oder Vliesstoffe, Matten, Vorformen, vorverfestigte Vorformen, einzelne oder Gruppen von Fasern, Werg, kunststoffimprägnierte Wergflächenstoffe oder eine Kombination von diesen vorgesehen werden.
Ein anderer Ansatz zur allmählichen Veränderung der Zusammensetzung der Schichten, die Fasern aufweisen, umfaßt eine Mikroabstufung. Unter Mikroabstufung wird verstanden, daß der erste Typ Fasern und der zweite Typ Fasern in mindestens einer Schicht in der Übergangszone gemischt werden, die Fasern aufweist. Alternativ ist eine Schicht, die Fasern aufweist, oder eine Mischung von Fasertypen mit Zwischeneigenschaften des ersten Typs Fasern und des zweiten Typs Fasern vorhanden. Insbesondere sollten Eigenschaften, die für die Verbindung entscheidend sind (z.B. GTE und Elastizitätsmodul) zwischen jenen des ersten Typs Fasern und des zweiten Typs Fasern liegen. Ein Beispiel einer Mikroabstufung wird in 3A gezeigt, wo die Verbindung zwei mikroabgestufte Schichten 20a und 20b zwischen dem ersten Ver bundelement 10 und dem zweiten Verbundelement 12 aufweist. Wie mit der relativen Schattierung von 10, 20a, 20b und 12 in 3A angezeigt wird, wird es bevorzugt, daß das Verhältnis des ersten Typs Fasern zum zweiten Typ Fasern vom ersten Verbundelement zum zweiten Verbundelement allmählich abnimmt. Die mikroabgestuften Elemente 20, 20a und 20b können zum Beispiel aus einer dicken Fasermatte vorbereitet werden, die eine homogene Mischung des ersten Typs Fasern und des zweiten Typs Fasern und eines Harzes aufweist, jedoch wird der Fachmann andere Arten kennen, ein mikroabgestuftes Material zu realisieren. Die mikroabgestuften Elemente können zum Beispiel aus einer Anzahl dünnerer Schichten vorbereitet werden, die Fasern aufweisen. Diese dünneren Schichten werden in 3B und C als dunkle Linien 22 gezeigt. Diese Schichten können im wesentlichen parallel zu einer Oberfläche der endgültigen Struktur, wie in 3B angezeigt, oder parallel zu einer größeren Oberfläche des mikroabgestuften Elements orientiert werden, wie in 3C angezeigt. Es liegt außerdem im Rahmen der Erfindung, die Übergangszone oder ein Übergangselement zum Beispiel direkt aus dünneren mikroabgestuften Schichten vorzubereiten, die zum Beispiel eine Schicht Fasern, eine Schicht Faserwerg oder einen kunststoffimprägniertem Flächenstoff aufweisen.
In einer bevorzugten Ausführungsform einer mikroabgestuften Verbindung sind die Fasern in einer mikroabgestuften Schicht, die eine Mischung eines ersten Typs Fasern und eines zweiten Typs Fasern aufweist, in einer homogenen oder inhomogenen Weise in einer einzelnen Schicht verteilt. In 3D wird ein Beispiel einer homogenen Verteilung gezeigt. Es wird beobachtet, daß die Konzentration des Wergs 15 des ersten Typs Fasern und des Wergs 17 des zweiten Typs Fasern konstant ist. Die Orientierung des ersten und des zweiten Typs Fasern braucht nicht dieselbe zu sein, auch wenn dies in 3D gezeigt wird. In 3E wird ein Beispiel einer inhomogenen Verteilung des Faserwergs gezeigt. Es wird beobachtet, daß die Konzentration des Wergs 15 des ersten Typs Fasern relativ zum Werg 17 des zweiten Typs Fasern nahe der Kante sehr viel größer als nahe der Mitte der Schicht ist. Andere Quellen für Fasern können ebensogut anstelle oder zusammen mit Faserwerg verwendet werden. In inhomogenen Schichten unterscheiden sich die Konzentration und/oder die Orientierung des ersten Typs Fasern vorzugsweise von jenen des zweiten Typs Fasern, jedoch können durch einen Fachmann im Lichte dieser Beispiele andere Beispiele von inhomogenen Arten vorgesehen werden. Dieser Typ von Schichten kann zum Beispiel vorteilhaft sein, wenn mehr als zwei Verbundelemente verbunden werden sollen oder wenn mindestens eines der Verbundelemente inhomogen ist.
4 zeigt eine Übergangszone, die zwei Typen von Schichten oder Lagen aufweist, die Fasern aufweisen, wobei ein Typ 50, der Fasern aufweist, im wesentlichen dieselbe Faserzusammensetzung wie das erste Verbundelement 10 aufweist, und ein anderer Typ 52, der Fasern aufweist, im wesentlichen dieselbe Faserzusammensetzung wie das zweite Verbundelement 12 aufweist. Die beiden Typen von Schichten werden teilweise in dem Sinn verflochten, daß in einem Teil der Übergangszone mindestens einer der Typen der Schichten sich über den anderen Typ Schicht hinaus erstreckt. Mindestens etwas dieses Teils der Übergangszone wird für die Verbindung mit dem Verbundelement verwendet, das im wesentlichen dieselbe Faserzusammensetzung aufweist. Infolge der verflochtenen Schichten ist die Kontaktfläche sehr groß, und die Verbindung ist folglich unter den richtigen Bedingungen sehr fest. In einer bevorzugten Ausführungsform erstrecken sich beide Typen von Schichten in einem Teil der Kontaktzone über die andere hinaus, wie in 4 gezeigt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Übergangszone mindestens teilweise mit einem der Verbundelemente oder einer Vorform integriert. In 5 wird ein Beispiel einer solchen Ausführungsform gezeigt. Die Übergangszone kann zum Beispiel Schichten 62 aufweisen, die einen zweiten Typ Fasern aufweisen, die im ersten Verbundelement begonnen werden, die durch Schichten 60 verstärkt werden, die einen ersten Typ Fasern aufweisen und sich über das erste Verbundelement hinaus erstrecken. Der Abstand 64 von den Enden der Schichten, die den ersten Typ Fasern aufweisen, zu den benachbarten Enden der Schichten, die den zweiten Typ Fasern aufweisen, sollte vorzugsweise groß genug sein, um eine Spannungskopplung zwischen den Schichten zu verhindern oder zu reduzieren (siehe unten). Es wird außerdem bevorzugt, daß der Abstand 66 zwischen den Enden benachbarter Schichten, die den ersten Typ Fasern aufweisen, groß genug ist, um eine Spannungskopplung zwischen den Schichten zu verhindern oder zu reduzieren. Die Übergangszone, die verflochtene Schichten aufweist, die den zweiten Typ Fasern aufweisen, wird vorzugsweise als Teil der Vorbereitung des ersten Verbundwerkstoffs vorbereitet. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Schichten, die den zweiten Typ Fasern aufweisen, als kunststoffimprägnierte Flächenstoffe vorgesehen. Die kunststoffimprägnierten Flächenstoffe können unidirektionale kunststoffimprägnierte Flächenstoffe sein, jedoch legen experimentelle Ergebnisse überraschend nahe, daß biaxiale kunststoffimprägnierte Flächenstoffe, die den zweiten Typ Fasern aufweisen, eine bessere Grundlage zum Verbinden der Vorform mit einer Struktur bereitstellen, die durch den zweiten Typ Fasern verstärkt ist. Es kann angenommen werden, daß dies auf eine bessere Kopplung zwischen den Schichten zurückzuführen ist, wo die relative Hauptfaserorientierung nicht parallel ist, jedoch können andere Effekte daran beteiligt sein.
Experimentelle Ergebnisse haben gezeigt, daß die Ausführungsformen, die in Bezug auf 4 und 5 beschrieben werden, imstande sind, eine glasfaserverstärkte Basis eines Holms für einen Windradflügel mit einem durch einen Kohlenstoff-Faserflansch verstärkten Holm erfolgreich zu verbinden. Der Erfolg in dieser Hochleistungsanwendung zeigt den Umfang der vorliegenden Erfindung an.
In einer bevorzugten Ausführungsform einer Verbindung weist die Übergangszone Schichten auf, die Fasern aufweisen, die sich vom ersten Verbundelement in das zweite Verbundelement erstrecken, und/oder Schichten, die Fasern aufweisen, die sich vom zweiten Verbundelement in das erste Verbundelement erstrecken. Diese bevorzugte Ausführungsform kann zum Beispiel in einem Arbeitsgang hergestellt werden. Bevorzugtere Ausführungsformen mit verflochtenen Schichten, die Fasern aufweisen, werden in 6 gezeigt. 6A zeigt eine Verbindung, wo sich die Schichten jedes Verbundelements, die Fasern aufweisen, in die anderen Verbundelemente 10 und 12 erstrecken. Dieser Typ Verbindung wird typischerweise gleichzeitig mit der Faserverlegung vorbereitet, d.h. mit der Vorbereitung beider Verbundelemente und der Übergangszone in einem Arbeitsgang. In 6A und B erstrecken sich alle Schichten, die Fasern aufweisen, in das andere Verbundelement, jedoch braucht dies nicht der Fall zu sein, wenn es nicht benötigt wird, um die erwünschte Festigkeit zu erzielen. Zum Beispiel kann die Übergangszone dicker werden, wenn alle Schichten in den anderen Verbundwerkstoff fortgesetzt werden, was wiederum zur Biegung der Fasern führen kann, die in die Übergangszone eintreten. In 6B ist die Übergangszone 13 durch eine unterbrochene Linie angezeigt worden, als Beispiel des Ausmaßes einer Übergangszone.
6B zeigt eine integrierte Verbindung zwischen zwei Verbundelementen mit einer Grenzfläche, die im wesentlichen orthogonal zur Oberfläche der Verbundelemente ist. Um die Auswirkung des Spannungsendzustands zu reduzieren (siehe unten), sind die Enden der Faserschichten in einem Zickzackmuster vorgesehen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der in 6B gezeigten Verbindung ist ebenfalls ein Zickzackmuster in der Ausdehnung der Grenzfläche vorgesehen, die orthogonal zu der in der Figur gezeigten Ebene ist. Mit anderen Worten ist die Linie, die durch das Ende einer Schicht definiert wird, die Fasern aufweist, in dieser bevorzugten Ausführungsform keine gerade Linie.
6C zeigt ein Beispiel, wo das Verbundelement 10 zur Verbindung mit dem Verbundelement 12 insofern vorbereitet ist, daß Schichten 40 mit im wesentlichen derselben Faserzusammensetzung wie das Verbundelement 12 in das Verbundelement 10 verflochten worden sind. In 6D ist die Verbindung zwischen den Verbundelementen ausgebildet. Es wird bemerkt, daß die Schichten 40 gebogen werden, um die Schichten 42 zu bilden. Die Biegung ist nicht erwünscht, jedoch kann der Biegungswinkel beträchtlich reduziert werden, indem der Winkel α vermindert wird, der in Bezug auf 1 definiert worden ist. In einer bevorzugten Ausführungsform wird α typischerweise unter 10° gehalten, wie an anderer Stelle beschrieben wird. Die Schichten 42 können ein Harz (z.B. einen kunststoffimprägniertem Flächenstoff oder ein direkt aufgetragenes) aufweisen oder nicht, jedoch sollte während des Härtens der Übergangszone ein Harz vorhanden sein, um die Bildung einer gehärteten Harzmatrix sicherzustellen.
Ein Verfahren zur Vorbereitung einer Verbindung, wie in 6A und B gezeigt, wobei die Übergangszone Schichten, die Fasern aufweisen, die sich vom ersten Verbundelement in das zweite Verbundelement erstrecken, und/oder Schichten aufweist, die Fasern aufweisen, die sich vom zweiten Verbundelement in das erste Verbundelement erstrecken, kann zum Beispiel die Schritte aufweisen:

– Bereitstellen von Schichten, die einen ersten Typ Fasern aufweisen, wobei sich mindestens einige dieser Schichten in einen Teil der Struktur erstrecken, der dem zweiten Verbundelement ähnelt
– Bereitstellen von Schichten, die einen zweiten Typ Fasern aufweisen, wobei sich mindestens einige dieser Schichten in einen Teil der Struktur erstrecken, der dem ersten Verbundelement ähnelt
– optionales Bereitstellen eines Mittels zur mindestens teilweisen Immobilisierung der Fasern, wobei das Mittel zum Beispiel ein Klebemittel oder ein Harz aufweist
– Bereitstellen eines Harzes in Kontakt mit mindestens einer er Schichten, die Fasern aufweisen
– optionales Vorverfestigen der Struktur, und
– Härten der Struktur

In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Struktur im Ganzen mit-gehärtet, jedoch kann das Härten oder Vorverfestigen an ausgewählten Teilen der Struktur in einzelnen Arbeitsgängen ausgeführt werden.
Wenn ein faserverstärktes Material durch eine Kraft F belastet wird, wird das Matrixmaterial, d.h. das Harz ebenfalls längs der Schichten belastet, die Fasern aufweisen. Wenn jedoch eine Schicht, die Fasern aufweist, unterschiedlich belastet wird, wie es zum Beispiel für verflochtene, unzusammenhängende Schichten der Fall ist, die Fasern aufweisen, kann sich eine Spannung im Harz aufbauen. In 7B wird eine schematische Darstellung der Scherspannung im Harz zwischen vier Schichten gezeigt, die Fasern aufweisen. Die Schichten 30a, 30b und 30d, die Fasern aufweisen, sind zusammenhängende Schichten, wie zum Beispiel zusammenhängende Schichten, die einen zweiten Typ Fasern im zweiten Verbundelement aufweisen, während die Schicht 30c, die Fasern aufweist, eine unzusammenhängende Schicht ist, wie zum Beispiel eine verflochtene Schicht, die Fasern des ersten Typs aufweist, die von einem ersten Verbundelement in ein zweites Verbundelement verflochten sind. Die hauptsächlich vertikalen Linien repräsentieren die lokale Scherspannung im Harz, d.h. eine vertikale Linie zeigt an, daß das Harz die durchschnittliche Scherspannung erfährt, und eine angewinkelte Linie zeigt eine Differenz der erfahrenen Scherspannung zum durchschnittlichen Harz. Es wird bemerkt, daß eine große lokale Differenz der Scherspannung nahe des Endes der Schichten 30c vorhanden ist.
In 7A wird die Scherspannung, die sich nahe des Endes der Schicht 30c aufbaut, als eine schematische graphische Darstellung der Scherspannung im Harz längs einer Linie parallel zu und nahe der Schicht 30c relativ zur durchschnittlichen Scherspannung im Harz dargestellt. Es wird bemerkt, daß die Differenz der Scherspannung am Ende der Schicht 30c am größten ist. Ferner wird bemerkt, daß in einem bestimmten Abstand vom Ende der Schicht 30c weg die Scherspannung etwa auf dem durchschnittlichen Pegel der Scherspannung liegt. Wenn Enden von Schichten, die Fasern aufweisen, näher beieinander vorgesehen sind als das Ausmaß 34 des Endzustands der Scherspannung, kann die Scherspannung zwischen den Schichten koppeln und folglich eine schwachen Punkt, Linie oder Ebene in der Struktur bilden. Um eine Kopplung der Scherspannung vom Ende einer Schicht zum Ende einer nahegelegenen Schicht zu reduzieren oder zu verhindern, sollte der Abstand zwischen den Enden der verflochtenen Schichten größer als das Ausmaß des Endzustands sein. Da das Ausmaß des Endzustands schwierig festzustellen ist, wird es bevorzugt, eine Sicherheitsspanne zu verwenden und folglich die Enden zweier benachbarten Schichten um mindestens das doppelte des Ausmaßes des Endzustands zu trennen.
Es ist außerdem sinnvoll, sicherzustellen, daß der Abstand zwischen dem nächstgelegenen Schichtende desselben Fasertyps um einen Abstand getrennt sein sollte, der dem Ausmaß des Endzustands entspricht, vorzugsweise mit einer Sicherheitsspanne und folglich einer Verwendung eines Faktors von zwei.
Das tatsächliche Ausmaß der Scherspannungskonzentration hängt von einer Anzahl von Faktoren ab, wie der Dicke der Schichten, die Fasern aufweisen, und der Schichten, die hauptsächlich Harz aufweisen, dem Typ der Fasern, dem Typ des Harzes usw. Das Ausmaß der Spannungskonzentration kann zum Beispiel durch Modellbildung oder durch empirische Verfahren festgestellt werden.
Wenn größere Strukturen, die Vorformen oder Verbundelemente aufweisen, vorbereitet werden sollen, kann dies einem Verfahren folgen, in dem das nicht vollständig gehärtete Material mindestens teilweise plastisch geformt wird. Die Vorform kann vor oder nach der Formgebung mit weiteren Vorformen verbunden werden, um eine größere Struktur bereitzustellen. Die Vorform kann auch mit anderen Strukturen verbunden werden. Es wird bevorzugt, ist jedoch nicht erforderlich, daß die Verbindungen ein verjüngtes Teil oder Schichten aufweisen, die einen zweiten Typ Fasern aufweisen. Wenn die Materialien im wesentlichen dieselben Eigenschaften aufweisen, kann es ausreichend sein, einen verjüngten Abschnitt zu verwenden, wie in 1 gezeigt, um eine sinnvolle Verbindung zu verwirklichen, jedoch je größer der Unterschied der Eigenschaften ist, je mehr Obacht muß gegeben werden.
Relevante Härtungsprozesse und Verarbeitungsparameter sind dem Fachmann bekannt, jedoch wird es bevorzugt, daß als Teil der Härtungsprozedur auf die Struktur Druck ausgeübt und/oder auf die Struktur ein Vakuum angewendet wird. Der Druck kann über ein Vakuum in einer Vakuumhülle angewendet werden, die die gesamte oder einen Teil der Struktur umgibt. Es wird bevorzugt, daß der Druck und/oder das Vakuum auf die Struktur angewendet werden, bevor die Härtungsreaktion begonnen wird, da dies die Entfernung von Gas aus der Struktur erleichtert.
Die vorhergehend erläuterten Verbindungen und insbesondere die getrennt vorbereiteten Übergangselemente können vorteilhaft vorverfestigt werden, um ein homogeneres Material mit besserer Leistung bereitzustellen. Übergangselemente können häufig als Vorformen betrachtet werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Übergangselement oder die Übergangszone (die in den folgenden Abschnitten als das Element bezeichnet wird) durch Vorverfestigen behandelt, um ein vorverfestigtes Element zu bilden, wie im folgenden Abschnitt beschrieben. Das Vorverfestigen ist insbesondere nützlich, wenn im Vergleich zu Fasern, die in kunststoffimprägnierten Flächenstoffen vorgesehen sind, die Fasern als einzelne oder Gruppen von Fasern, Faserwerg oder kunststoffimprägnierte Faserwergflächenstoffe vorgesehen sind, da eine niedrigere Viskosität während des Vorverfestigungsprozesses verwirklicht werden kann. Dies wird die Umverteilung des Harzes und/oder der Fasern erhö hen, was sehr wünschenswert ist, da es die Homogenität des resultierenden Produkts erhöht. Jedoch kann ein Vorverfestigen von Elementen, die Fasern aufweisen, die in kunststoffimprägnierten Flächenstoffen, teilweise kunststoffimprägnierten Flächenstoffen, Webstoffen oder Vliesstoffen und/oder Matten vorgesehen sind, ebenfalls vorteilhaft sein.
Unter Vorverfestigen wird hierin ein Prozeß verstanden, durch den Gas innerhalb eines Elements entfernt wird und ein Element mit niedriger Porosität erzeugt wird. Das Vorverfestigen umfaßt die Umverteilung eines Harzes und optional eine Umverteilung von Fasern. Ferner kann das Vorverfestigen ein begrenztes Härten des Harzes umfassen. Das Vorverfestigen ist insbesondere nützlich, da es ein dichtes Element erzeugt (das im folgenden als vorverfestigtes Element bezeichnet wird). Vorverfestigte Elemente und Verbundwerkstoffe, die aus vorverfestigten Elementen vorbereitet werden, werden unter anderem infolge einer guten Reproduzierbarkeit, niedrigen Porosität, hohen Homogenität, hohen Festigkeit, Fähigkeit zur plastischen Formgebung, Fähigkeit, mit anderen Elementen und/oder anderen Strukturen verbunden zu werden, Eignung zur Automatisierung und langen Lagerbeständigkeit ohne voreiliges Härten geschätzt.
Wenn das Vorverfestigen ein begrenztes Härten umfaßt, kann dieses begrenzte Härten eine Freisetzung von bis zu 50% der Energie umfassen, die durch ein vollständiges Härten des Harzes freigesetzt wird. Jedoch wird es bevorzugt, daß das Ausmaß des Härtens auf ein Ausmaß begrenzt wird, das es ermöglichen wird, daß das vorverfestigte Element plastisch verformt wird. Das Ausmaß des Härtens, das eine plastische Verformung eines vorverfestigten Elements ermöglichen wird, hängt unter anderem vom Harz sowie vom Fasertyp und Fasergehalt ab. Im allgemeinen wird es bevorzugt, daß das begrenzte Härten weniger als etwa 20% der Energie umfaßt, die durch ein vollständiges Härten des Harzes freigesetzt wird, und bevorzugter, daß das begrenzte Härten zwi schen 3 und 15% der Energie umfaßt, die durch ein vollständiges Härten freigesetzt wird.
Im allgemeinen sollte der Vorverfestigungsprozeß die Porosität des Elements reduzieren, und es wird bevorzugt, daß die resultierende Porosität des vorverfestigten Elements weniger als 5 Volumen-%, vorzugsweise weniger als 2 Volumen-% und bevorzugter weniger als 1 Volumen-% beträgt. In einigen Fällen kann eine Porosität von selbst 1% die Eigenschaften eines Verbundwerkstoffs beträchtlich reduzieren. In diesen Fällen wird es geschätzt werden, daß das Verfahren und das vorverfestigte Element mit Porositäten deutlich unter 1% erzeugt werden können. Zum Beispiel wurde eine reproduzierte Porosität von etwa 0,2 Volumen-% für einen Verbundwerkstoff mit 60% Kohlenstoff-Fasern in Epoxid verwirklicht. Die Reduzierung der Porosität kann zum Beispiel ein Resultat sein, das Element in Verbindung mit dem Vorverfestigungsprozeß einem Druck und/oder einem Vakuum auszusetzen.
Die Porosität des vorverfestigten Elements kann nicht direkt festgestellt werden, da die Dichte nicht bekannt ist und durch das Material hindurch variieren kann. Folglich sollte die Porosität durch ein optisches Verfahren an einer materialographischen Probe festgestellt werden. Die Vorbereitung von materialographischen Proben aus einem ungehärteten vorverfestigten Element ist sehr anspruchsvoll, da das Material sowohl ein sehr weiches Element (d.h. ein Harz) und sehr hartes Element (d.h. die Faser) aufweist. Um ein reproduzierbares Resultat herzustellen, ist folglich notwendig, das Element vor der materialographischen Vorbereitung zu härten. Dieses Härten sollte drucklos durchgeführt werden, um sicherzustellen, daß die Porosität durch den Prozeß unbeeinflußt ist.
Um die Hantierbarkeit sicherzustellen, sollte das vorverfestigte Element im wesentlichen nicht klebrig sein, d.h. es sollte leicht von jeder relevanten Oberfläche lösbar sein, und es sollte nicht übermäßige Mengen Harz auf einer Oberfläche hinterlassen, wenn es gelöst wird.
Um eine lange Lagerbeständigkeit und/oder Stabilität während des Transports sicherzustellen, ist es wichtig, daß die Geschwindigkeit der Härtungsreaktion des Hauptteils des Harzes bei Raumtemperatur ausreichend niedrig ist und daß ein Katalysator – falls vorhanden – nicht zufällig aktiviert wird. Wenn zum Beispiel der Katalysator durch Erwärmung aktiviert wird, sollte sichergestellt werden, daß die Aktivierungstemperatur deutlich niedriger als die erwartete Maximaltemperatur während der Lagerung ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die vorverfestigten Elemente mindestens teilweise verformbar. Dies kann zum Beispiel durch ein abgestimmtes und begrenztes Härten während des Vorverfestigungsprozesses realisiert werden. In einer bevorzugten Ausführungsform kann mindestens ein Teil eines vorverfestigten Elements um eine Achse parallel zur Hauptfaserorientierung mit einem Durchmesser von mehr als 1 cm gebogen werden, jedoch kann ein vorverfestigtes Element in einigen Fällen durch plastische Verformung mit einem Durchmesser von mehr als 5 cm gebogen werden. Die niedrigen Biegungsdurchmesser können durch Umlagerung des Harzes und/oder der Fasern oder durch dreidimensionale Bildung eines Elements realisiert werden. Unter dreidimensionaler Bildung wird hierin verstanden, daß die Dicke (z.B. die Anzahl der Schichten oder die Menge der Fasern und/oder des Harzes) und/oder die Form des Grundrisses für einen Teil des Elements relativ zum Hauptteil des Elements eingestellt werden. Typischerweise wird nur ein Teil des vorverfestigten Elements für eine sehr scharfe Biegung vorbereitet, wohingegen eine Biegung um eine Achse mit größeren Durchmessern, z.B. 50 cm, häufig durch alle Teile des vorverfestigten Elements realisiert werden kann.
Die Steifigkeit eines Elements, die während eines Vorverfestigungsprozesses realisiert wird, sollte sicherstellen, daß das vorverfestigte Element ausreichend steif ist, um eine Entspannung des vorverfestigten Elements in die Längenrichtung der Fa sern zu verhindern, wenn es auf einer unebenen Oberfläche angeordnet wird, und dennoch eine plastische Verformung um eine Achse parallel zur Längsrichtung der Fasern zu ermöglichen.
Der Vorverfestigungsprozeß führt häufig zu einer Zunahme der Viskosität des Harzes im Element, zum Beispiel durch ein partielles Härten. Es wird bevorzugt, daß die Viskosität bei Raumtemperatur um einen Faktor von mindestens zwei und bevorzugter um einen Faktor von mindestens fünf erhöht wird, da eine Zunahme der Viskosität die Hantierbarkeit, Festigkeit und Nichtklebrigkeit steigern wird. In einigen Fällen kann die Viskosität um einen sehr viel höheren Faktor von zum Beispiel 10, 100 oder 1000 erhöht werden. Dies ist zum Beispiel der Fall, wenn ein Teil des Harzes in das Element als ein bei Raumtemperatur flüssiges eingespritzt wird. Eine andere Art, die Zunahme der Viskosität auszudrücken, ist es die Viskosität direkt zu betrachten. Es wird bevorzugt, daß die Viskosität des Harzes im ungefestigten Element bei der Temperatur, wo der Vorverfestigungsprozeß durchgeführt wird, zwischen etwa 10 und 10000 cP, vorzugsweise zwischen etwa 500 und 5000 cP liegt.
Die Temperatur, bei der der Vorverfestigungsprozeß durchgeführt wird, kann insbesondere abhängig von der Zusammensetzung des Harzes beträchtlich variieren. Typischerweise betragen die Vorverfestigungstemperaturen für auf Epoxid beruhende Harzsysteme 50 bis 90°C und vorzugsweise 60 bis 80°C, jedoch können in einigen Systemen sowohl höhere als auch niedrigere Temperaturen möglich sein.
Der Vorverfestigungsprozeß kann zum Beispiel durch ein teilweises Härten zu einer Zunahme der Glasübergangstemperatur T_g des Harzes führen. Es wird bevorzugt, daß das T_g des Harzes während des Vorverfestigens um mindestens 2°C und vorzugsweise um mindestens 5°C erhöht wird, da eine Zunahme von T_g gewöhnlich eine Zunahme des durchschnittlichen Molekulargewichts des Harzes anzeigt, was die Hantierbarkeit, Festigkeit und Nichtklebrigkeit steigern wird. In einigen Fällen kann T_g weiter erhöht werden.
Dies ist insbesondere der Fall, wenn T_g des unverfestigten Elements sehr niedrig ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform sollte ein erfindungsgemäßes vorverfestigtes Element mit einem auf Epoxid beruhenden Harzsystem typischerweise ein T_g zwischen –10 und +30°C und vorzugsweise ein T_g zwischen –5 und 10°C aufweisen. In einigen Fällen ist das T_g des Harzes des vorverfestigten Elements höher als etwa 0°C und vorzugsweise höher als etwa 3°C. Für das unverfestigte Element sollte das T_g des Harzes unter etwa 5°C und vorzugsweise unter etwa 2°C liegen.
In einigen Fällen wird das Härten eines vorverfestigten Elements, ohne daß es einem Vakuum ausgesetzt wird, zu einem Material mit zu einem vakuumgehärteten Element äquivalenten Eigenschaften führen, da die Porosität während des Vorverfestigungsprozesses vor dem Härten beseitigt oder beträchtlich reduziert worden ist. Dies kann zum Beispiel verwendet werden, wenn eine Verbindung in einer großen Struktur vorbereitet wird, wo die Herstellung eines Vakuums sehr zeitaufwendig sein kann.
In einem bevorzugten Verfahren des Vorverfestigens und/oder des Härtens eines Elements wird das Element auf einer Reaktorfläche wie zum Beispiel einer Platte, einer Form usw. angeordnet. Es wird bevorzugt, die Reaktorfläche eben ist und daß sie einer Erwärmung und/oder einem Vakuum standhält. Dann wird ein Druck auf das Element ausgeübt. Der Druck kann durch eine Presse oder – vorzugsweise – über ein Vakuum in einer Vakuumhülle ausgeübt werden. Wenn ein Vakuum verwendet wird, dann sollte eine Vakuumhülle vor dem Pressen erhalten werden. Die Vakuumhülle kann zum Beispiel einen Vakuumsack aufweisen oder sie kann eine Reaktorfläche und eine flexible Abdeckung aufweisen, die in einer vakuumdichten Weise mit der Reaktorfläche verbunden ist. Gas kann zum Beispiel durch die Reaktorfläche oder durch eine Öffnung im Vakuumsack oder eine flexible Abdeckung evakuiert werden. Dann wird das Vorverfestigen oder Härten aktiviert. Die Aktivierung kann vor und/oder während und/oder nach dem Ausüben eines Drucks stattfinden. Die Aktivierung weist eine Reduzierung der Viskosität des Harzes auf. Dies kann zum Beispiel durch physikalische Mittel (z.B. Erwärmung, Hinzufügen eines Lösungsmittels, Druck usw.) und/oder durch eine chemische Reaktion realisiert werden. Während des Vorverfestigungsprozesses kann ein begrenztes Härten stattfinden oder nicht. Wenn die Porosität auf einen gewünschten Pegel reduziert worden ist oder ein anderes Ziel des Vorverfestigens erreicht ist, wird der Vorverfestigungsprozeß beendet. Die Beendigung kann zum Beispiel ein Ergebnis eines Absaugens eines ersten Harzsystems oder der Abkühlung des vorverfestigten Elements auf eine Temperatur sein, wo die Härtungsreaktion ausreichend langsam ist und/oder die Viskosität ausreichend hoch für das vorverfestigte Element ist, um die Stabilität zu erreichen, die für eine erwünschte Lagerbeständigkeit benötigt wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Element, das vorverfestigt oder gehärtet werden soll, mindestens eine unzusammenhängende Harzschicht auf, durch die Gas während des Vorverfestigens oder des Härtungsprozesses entfernt werden kann. Folglich muß das Gas nicht über eine Ebene einer Schicht des Harzes oder in einer Ebene einer Schicht, die Fasern aufweist, aus dem Element entfernt werden. Folglich werden die Transportentfernung und die Gefahr, daß eingeschlossenes Gas im vorverfestigten Element vorhanden ist, beträchtlich reduziert. In einer bevorzugteren Ausführungsform sind alle Harzschichten – optional mit der Ausnahme einer Schicht auf der oberen Teilschicht, die Fasern aufweist, oder unter der unteren Teilschicht, die Fasern aufweist, – unzusammenhängend.
Ein Beispiel eines Verfahrens zum Sicherstellen, daß Gas kontinuierlich aus dem Element während des Vorverfestigens oder Härtens entfernt werden kann, umfaßt eine allmähliche Aktivierung des Vorverfestigungsprozesses, der entweder aus der Mitte des Elements startet und sich zu den Oberflächen bewegt oder von einer Seite oder Kante und sich durch das Element bewegt. Zum Beispiel kann dies durch eine Erwärmung nur von der Reaktionsfläche realisiert werden, wodurch der Vorverfestigungsprozeß allmählich von der Seite des Elements aktiviert wird, die mit der Reaktionsfläche in Kontakt steht, oder durch eine kontrollierte Mikrowellenerwärmung, wodurch der Vorverfestigungsprozeß allmählich aus dem Inneren des Elements aktiviert wird und sich zu den Oberflächen bewegt.
Die Eigenschaften einer Schichtstruktur mit Schichten, die orientierte Fasern aufweisen, hängen in einem großen Ausmaß von der Verteilung der Hauptelemente der Struktur d.h. Harz, Fasern und Porosität ab. Das Harz besitzt eine verglichen mit den Fasern niedrige Festigkeit und kann einen Weg für die Rißausbreitung durch die Struktur bereitstellen, wenn zu dicke Harzschichten vorhanden sind. Eine Porosität kann die Festigkeit der Struktur dramatisch reduzieren, jedoch hängt der Schaden von der Größe der Poren, der Form und der Verteilung ab, z.B. ist der Effekt von kleinen, isolierten sphärischen Poren begrenzt, wohingegen größere Poren, die in der Grenzfläche zwischen dem Harz und den Fasern angeordnet sind, für die Struktur fatal sein können. Folglich ist es entscheidend, die Verteilung der Elemente steuern zu können.
Das Ausmaß der Umverteilung oder Homogenisierung während des Vorverfestigens oder Härtens hängt von der Viskosität des Harzes während des Verdichtungsprozesses ab, d.h. je niedriger die Viskosität je leichter ist die Umverteilung der Elemente. Durch Nutzung eines Vorverfestigungsprozesses kann die Viskosität des Harzes um mehr als das gesenkt werden, was im Stand der Technik machbar ist, da die Struktur nicht darauf begrenzt ist, eine besondere Form während des Prozesses zu unterstützen. Wenn das Vorverfestigen ein begrenztes Härten des Harzes umfaßt, kann die Viskosität weiter reduziert werden, da das begrenzte Härten die Hantierbarkeit erhöht und das Kleben des vorverfestigten Elements reduziert. Folglich ermöglicht das Vorverfestigen typischerweise in einem größeren Ausmaß die Umverteilung des Harzes und/oder der Fasern als das, was durch direktes Härten realisiert werden kann. Die resultierenden vorverfestigten Elemente können eine sehr niedrige Porosität sowie eine homogenere Struktur besitzen. Dies kann zum Beispiel zu einer Verbundstruktur führen, die eine weniger ausgeprägte Schichtstruktur aufweist, d.h. wo die Schichten weniger ausgeprägt sind, als eine entsprechende Verbundstruktur, die nur Elemente aufweist, die vor dem Härten nicht vorverfestigt wurden.
Erfindungsgemäße Verbindungen und Verfahren sind für das Verbinden zweier verhältnismäßig nicht kompatibler Verbundelemente nützlich, während Verbundelemente mit kompatiblen Eigenschaften ebenfalls unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Verbindung oder eines erfindungsgemäßen Verfahrens verbunden werden können. Das Ausmaß der Erfindung wird am besten verwirklicht, wenn versucht wird, zwei nicht kompatible Verbundelemente zu verbinden. Beispiele von verhältnismäßig nicht kompatiblen Verbundelementen sind Verbundelemente mit einer beachtlichen Differenz der Eigenschaften, wie des Wärmeausdehnungskoeffizienten und/oder des Elastizitätsmoduls usw.
Erfindungsgemäße Verbindungen und Verfahren sind insbesondere zur Vorbereitung von Windradflügeln nützlich. Zum Beispiel können bei der Vorbereitung eines Holms für einen Windradflügel die Verbindungen zum Verbinden eines hauptsächlich glasfaserverstärkten Teils, z.B. der Basis, mit einem hauptsächlich Kohlenstoff-faserverstärkten Teil des Holms, z.B. dem Hauptteil, verwendet werden. Dies ist insbesondere für größere Flügel nützlich, da das Gewicht eines Flügels dramatisch reduziert werden kann, wenn ein Teil des glasfaserverstärkten Verbundwerkstoffs durch einen Kohlenstoff-faserverstärkten Verbundwerkstoff ersetzt wird.
Tabelle zur Bezeichnung

2: Gesamtebene der Grenzfläche zwischen der Übergangszone und einem Verbundelement
4: Oberfläche eines Verbundelements
α: Winkel
10: Verbundelement
12: Verbundelement
13: Übergangszone
14: Schicht, die Fasern aufweist, mit im wesentlichen derselben Zusammensetzung wie das Verbundelement 10
15: Werg eines ersten Typs Fasern
16: Schicht, die Fasern aufweist, mit im wesentlichen derselben Zusammensetzung wie das Verbundelement 12
17: Werg eines zweiten Typs Fasern
20: Schicht mit einer Mikroabstufung
20a: Schicht mit einer Mikroabstufung
20b: Schicht mit einer Mikroabstufung
22: Schicht, die Fasern aufweist
F: Kraft
30: Schicht, die Fasern aufweist
30a, b, d: Zusammenhängende Schicht, die Fasern aufweist
30c: Unzusammenhängende Schicht, die Fasern aufweist
32: Linien, die die Differenz der erfahrenen Spannung zum Durchschnittsharz angeben
34: Das Ausmaß des Endzustands der Spannung
40: Schichten mit im wesentlichen derselben Faserzusammensetzung wie ein Verbundelement
42: Schichten mit im wesentlichen derselben Faserzusammensetzung wie ein Verbundelement, und die gebogen sind, um der Form der Grenzfläche zu folgen
50: Lage oder Schicht, die einen ersten Typ Fasern aufweist
52: Lage oder Schicht, die einen zweiten Typ Fasern aufweist
60: Schichten, die einen ersten Typ Fasern aufweisen
62: Schichten, die einen zweiten Typ Fasern aufweisen
64: Abstand zwischen Schichten, die einen ersten Typ Fasern aufwiesen, und benachbarte Schichten, die einen zweiten Typ Fasern aufweisen
66: Abstand zwischen benachbarten Schichten, die einen zweiten Typ Fasern aufweisen

Claims

Verbindung für einen Windradflügel zwischen einem ersten Verbundelement (10), das einen ersten Typ Fasern und ein erstes Harz aufweist, und einem zweiten Verbundelement (12), das einen zweiten Typ Fasern und ein zweites Harz aufweist, wobei die Verbindung eine Übergangszone mit einer Schichtstruktur aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergangszone Schichten (14, 16, 40, 50, 52, 60, 62) aufweist, die Fasern aufweisen, wobei jede der Schichten im wesentlichen dieselbe Faserzusammensetzung wie entweder das erste Verbundelement (10) oder das zweite Verbundelement (12) aufweist, und sich in einem Teil der Übergangszone Schichten (14, 16, 40, 50, 52, 60, 62), die Fasern aufweisen, die im wesentlichen dieselbe Faserzusammensetzung wie eines der Verbundelemente aufweisen, über die Schichten (14, 16, 40, 50, 52, 60, 62) der Fasern hinaus erstrecken, die im wesentlichen dieselbe Faserzusammensetzung wie das andere Verbundelement aufweisen.
Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich mindestens eine physikalische Eigenschaft des ersten Verbundelements (10) signifikant von jener des zweiten Verbundelements (12) unterscheidet.
Verbindung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Wärmeausdehnungskoeffizient des ersten Verbundelements (10) signifikant vom Wärmeausdehnungskoeffizienten des zweiten Verbundelements (12) unterscheidet, wobei die Differenz des Wärmeausdehnungskoeffizienten vorzugsweise mehr als 3 × 10^–6°C^–1 beträgt.
Verbindung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Elastizitätsmodul des ersten Verbundelements (10) signifikant vom Elastizitätsmodul des zweiten Verbundelements (12) unterscheidet, wobei die Differenz des Elastizitätsmoduls vorzugsweise mehr als 25% des unteren Werts beträgt.
Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Typ Fasern aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Kohlenstoff-Fasern, Glasfasern, Aramidfasern, Chemiefasern, z.B. Acryl-, Polyester-, PAN-, PET-, PE-, PP- oder PBO-Fasern usw., biologischen Fasern, z.B. Hanf, Jute, Zellulosefasern usw., Mineralfasern, z.B. Rockwool^TM usw., Metallfasern, z.B. Stahl, Aluminium, Messing, Kupfer usw., Borfasern und Kombinationen von diesen besteht, wobei der erste Typ Fasern vorzugsweise Kohlenstoff-Fasern sind.
Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Typ Fasern aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Kohlenstoff-Fasern, Glasfasern, Aramidfasern, Chemiefasern, z.B. Acryl-, Polyester-, PAN-, PET-, PE-, PP- oder PBO-Fasern usw., biologischen Fasern, z.B. Hanf, Jute, Zellulosefasern usw., Mineralfasern, z.B. Rockwool^TM usw., Metallfasern, z.B. Stahl, Aluminium, Messing, Kupfer usw., Borfasern und Kombinationen von diesen besteht, wobei der zweite Typ Fasern vorzugsweise nicht derselbe Typ wie der erste Typ Fasern ist und, bevorzugter, der zweite Typ Fasern Glasfasern sind.
Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer des ersten Typs Harz und des zweiten Typs Harz auf ungesättigtem Polyester, Polyurethan, Polyvinylester, Epoxid, Thermoplasten, ähnlichen chemischen Verbindungen oder Kombinationen von diesen beruht.
Verbindung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Typ Harz und der zweite Typ Harz im wesentlichen dieselbe Zusammensetzung aufweisen.
Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtebene (2) der Grenzfläche zwischen der Übergangszone und mindestens einem der Verbundelemente einen Gesamtwinkel (α) von weniger als etwa 10° zur Oberfläche (4) eines der Verbundelemente, vorzugsweise weniger als etwa 2° zur Oberfläche (4) eines der Verbundelemente bildet.
Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schicht in der Übergangszone orientierte Fasern, vorzugsweise unidirektionale Fasern oder biaxiale Fasern aufweist.
Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern als kunststoffimprägnierte Flächenstoffe (Prepregs), teilweise kunststoffimprägnierte Flächenstoffe (Semi-Pregs), Webstoffe oder Vliesstoffe, Matten, Vorformen, vorverfestigte Vorformen, einzelne oder Gruppen von Fasern, Werge, kunststoffimprägnierte Wergflächenstoffe (Tow-Pregs) oder eine Kombination von diesen vorgesehen sind.
Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der Verbundelemente zu der Zeit, wenn die Verbindung vorbereitet wird, mindestens teilweise ungehärtet ist.
Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der Verbundelemente zu der Zeit, wenn die Verbindung vorbereitet wird, im wesentlichen oder vollständig gehärtet ist.
Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergangszone ein Übergangselement aufweist.
Verbindung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Übergangselement direkt an mindestens einem der Verbundelemente vorbereitet ist.
Verbindung nach einem der Ansprüche 14 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Übergangselement ein integriertes Teil mindestens eines der Verbundelemente ist.
Verbindung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Übergangselement getrennt von den Verbundelementen vorbereitet ist, wobei das Übergangselement vorzugsweise vor der Verbindung mit den Verbundelementen vorverfestigt ist.
Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten der Schichtstruktur der Übergangszone im wesentlichen parallel zur Gesamtebene (2) der Grenzfläche zwischen der Übergangszone und mindestens einem der Verbundelemente verlaufen.
Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergangszone eine Makrostaffelung aufweist, d.h. eine Anzahl von Schichten (14, 16), die jeweils Fasern aufweisen, die entweder im wesentlichen dieselbe Faserzusammensetzung wie das erste Verbundelement (10) oder im wesentlichen dieselbe Faserzusammensetzung wie das zweite Verbundelement (12) aufweisen, wobei vorzugsweise eine erste Seite eines Stapels solcher Schichten mit dem ersten Verbundelement (10) verbunden ist und eine zweite Seite des Stapels mit dem zweiten Verbundelement (12) verbunden ist.
Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten der Schichtstruktur der Übergangszone im wesentlichen parallel zu einer Oberfläche (4) mindestens eines der Verbundelemente verlaufen.
Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 17 oder 20, wobei die Übergangszone mindestens teilweise mit dem ersten Verbundelement (10) integriert ist, und sich verflochtene Schichten (14, 16, 40, 60, 62), die Fasern aufweisen, die im wesentlichen dieselbe Faserzusammensetzung wie ein zweites Verbundelement (12) aufweisen, aus dem ersten Verbundelement (10) heraus über das erste Verbundelement (10) hinaus oder umgekehrt von einem zweiten Verbundelement (12) erstrecken.
Verbindung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Überlagerungsabstand der Verflechtung größer als das Ausmaß des Endzustands der Grenzflächenbelastung zwischen Faserschichten (14, 50, 60), die Fasern aufweisen, die im wesentlichen dieselbe Faserzusammensetzung wie das erste Verbundelement (10) aufweisen, und Faserschichten (16, 52, 62) ist, die Fasern aufweisen, die im wesentlichen dieselbe Faserzusammensetzung wie das zweite Verbundelement (12) aufweisen, wobei der Überlagerungsabstand der Verflechtung vorzugsweise größer als das doppelte des Ausmaßes des Endzustands der Grenzflächenbelastung zwischen Faserschichten (14, 50, 60), die Fasern aufweisen, die im wesentlichen dieselbe Faserzusammensetzung wie das erste Verbundelement (10) aufweisen, und Faserschichten (16, 52, 62) ist, die Fasern aufweisen, die im wesentlichen dieselbe Faserzusammensetzung wie das zweite Verbundelement (12) aufweisen.
Verbindung nach einem der Ansprüche 21 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Enden der Faserschichten (16, 40, 52, 62), die Fasern aufweisen, die im wesentlichen dieselbe Faserzusammensetzung wie das zweite Verbundelement (12) aufweisen, im ersten Verbundelement (10) größer als das Ausmaß des Endzustands der Grenzflächenbelastung zwischen Faserschichten (14, 50, 60), die Fasern aufweisen, die im wesentlichen dieselbe Faserzusammensetzung wie das erste Verbundelement (10) aufweisen, und Faserschichten (16, 40, 52, 62), die Fasern aufweisen, die im wesentlichen dieselbe Faserzusammensetzung wie das zweite Verbundelement (12) aufweisen, vorzugsweise größer als das doppelte des Ausmaßes des Endzustands der Grenzflächenbelastung zwischen Faserschichten (14, 50, 60), die Fasern aufweisen, die im wesentlichen dieselbe Faserzusammensetzung wie das erste Verbundelement (10) aufweisen, und Faserschichten (16, 40, 52, 62) ist, die Fasern aufweisen, die im wesentlichen dieselbe Faserzusammensetzung wie das zweite Verbundelement (12) aufweisen.
Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 17 oder 20, wobei die Übergangszone Schichten, die Fasern aufweisen, die sich vom ersten Verbundelement (10) in das zweite Verbundelement (12) hinein erstrecken, und/oder Schichten aufweist, die Fasern aufweisen, die sich vom zweiten Verbundelement (12) in das erste Verbundelement (10) hinein erstrecken, wobei die verbundene Struktur vorzugsweise in einem Arbeitsgang hergestellt wird.
Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Typ Fasern Kohlenstoff-Fasern sind und der zweite Typ Fasern Glasfasern sind oder umgekehrt, wobei der erste Typ Harz und der zweite Typ Harz vorzugsweise auf Epoxid beruhen.
Übergangselement mit einem zur Verbindung mit einem ersten Verbundelement (10) verbesserten Bereich und einem zur Verbindung mit einem zweiten Verbundelement (12) verbesserten Bereich, dadurch gekennzeichnet, daß das Übergangselement zwei Typen von Schichten (14, 16, 50, 52) oder Lagen aufweist, die Fasern aufweisen, einen Typ (14, 50), der Fasern aufweist, die im wesentlichen eine Faserzusammensetzung wie das erste Verbundelement (10) aufweisen, und einen anderen Typ (16, 52), der Fasern aufweist, die im wesentlichen dieselbe Faserzusammensetzung wie das zweite Verbundelement (12) aufweisen, wobei die beiden Typen von Schichten (14, 16, 50, 52) teilweise verflochten sind, und jeder der beiden Typen von Schichten (14, 16, 50, 52) in einem Teil, das während der Verwendung eine Kontaktzone bildet, sich über den anderen hinaus erstreckt.
Verfahren zum Verbinden eines Verbundelements, das einen ersten Typ Fasern und ein erstes Harz aufweist, mit einem Verbundelement, das einen zweiten Typ Fasern und ein zweites Harz aufweist, wobei die Verbindung eine Schichtstruktur aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung ein Übergangselement nach Anspruch 26 aufweist, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: – Bereitstellen mindestens einer Schicht (14, 50), die einen ersten Typ Fasern aufweist, für das Übergangselement, – Bereitstellen mindestens einer Schicht (16, 52), die einen zweiten Typ Fasern aufweist, für das Übergangselement, wobei sich jede der beiden Typen von Schichten (14, 16, 50, 52) in einem Teil, das während der Verwendung eine Kontaktzone bildet, über die andere hinaus erstreckt, – Bereitstellen eines Harzes in Kontakt mit mindestens einer der Schichten (14, 16, 50, 52), die Fasern aufweisen, für das Übergangselement, – Verbinden des Übergangselements mit dem ersten Verbundelement (10), – Verbinden des Übergangselements mit dem zweiten Verbundelement (12), – Härten des Übergangselements, – optionales Mit-Härten des ersten und/oder des zweiten Verbundelements (12) mit dem Härten des Übergangselements.
Verfahren nach Anspruch 27, das ferner den Schritt des Vorverfestigens des Übergangselements aufweist.
Verfahren zum Verbinden eines Verbundelements, das einen ersten Typ Fasern und ein erstes Harz aufweist, mit einem Verbundelement, das einen zweiten Typ Fasern und ein zweites Harz aufweist, wobei die Verbindung eine Schichtstruktur aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung am ersten Verbundelement (10) vorbereitet wird, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: – Bereitstellen eines ersten Verbundelements (10), – Bereitstellen mindestens einer Schicht (14, 50), die einen ersten Typ Fasern aufweist, an oder in Verbindung mit dem ersten Verbundelement (10) oder an einer vorherigen Schicht (14, 16, 50, 52), die Fasern aufweist, in einer Übergangszone, – Bereitstellen mindestens einer Schicht, die einen zweiten Typ Fasern (16, 52) aufweist, an oder in Verbindung mit dem ersten Verbundelement (10) oder an einer vorherigen Schicht (14, 16, 50, 52), die Fasern aufweist, in der Übergangszone, – Bereitstellen eines Harzes in Kontakt mit mindestens einer der Schichten (14, 16, 50, 52), die Fasern aufweisen, in der Übergangszone, – Verbinden der Struktur mit dem zweiten Verbundelement (12), – Härten der Übergangszone, und – optionales Mit-Härten des ersten und/oder des zweiten Verbundelements (12) zusammen mit dem Härten der Übergangszone, – wobei die Übergangszone Schichten (14, 16, 50, 52) aufweist, die Fasern aufweisen, wobei jede der Schichten (14, 16, 50, 52) im wesentlichen dieselbe Faserzusammensetzung wie entweder das erste Verbundelement (10) oder das zweite Verbundelement (12) aufweist, und sich in einem Teil der Übergangszone Schichten (14, 16, 50, 52), die Fasern aufweisen, die im wesentlichen dieselbe Faserzusammensetzung wie eines der Verbundelemente aufweisen, über die Schichten (16, 14, 52, 50) der Fasern hinaus er strecken, die im wesentlichen dieselbe Faserzusammensetzung wie das andere Verbundelement aufweisen.
Verfahren zum Verbinden eines Verbundelements, das einen ersten Typ Fasern und ein erstes Harz aufweist, mit einem Verbundelement, das einen zweiten Typ Fasern und ein zweites Harz aufweist, wobei die Verbindung eine Schichtstruktur aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Übergangszone mindestens teilweise mit dem ersten Verbundelement (10) integriert wird, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: – Bereitstellen von Schichten (14, 60), die einen ersten Typ Fasern aufweisen, – optionales Bereitstellen eines Mittels zur mindestens teilweisen Immobilisierung der Fasern, wobei das Mittel zum Beispiel ein Klebemittel oder ein Harz aufweist, – Bereitstellen von Schichten (16, 40, 62), die einen zweiten Typ Fasern aufweisen, die mindestens teilweise zwischen Schichten (14, 60) verflochten werden sollen, die einen ersten Typ Fasern aufweisen, wobei sich die Schichten (16, 40, 62), die den zweiten Typ Fasern aufweisen, über das erste Verbundelement (10) hinaus erstrecken, – Bereitstellen eines Harzes in Kontakt mit mindestens einer der Schichten (14, 16, 40, 60, 62), die Fasern aufweisen, – Verbinden der Struktur mit dem zweiten Verbundelement (12), – Härten der Übergangszone und des ersten Verbundelements (10), – optionales Mit-Härten des zweiten Verbundelements (12) zusammen mit dem Härten der Übergangszone, – wobei die Übergangszone Schichten (14, 16, 40, 60, 62) aufweist, die Fasern aufweisen, wobei jede der Schichten (14, 16, 40, 60, 62) im wesentlichen dieselbe Faserzusammensetzung wie entweder das erste Verbundelement (10) oder das zweite Verbundelement (12) aufweist, und sich in einem Teil der Übergangszone Schichten (14, 16, 40, 60, 62), die Fasern aufweisen, die im wesentlichen dieselbe Faserzusammensetzung wie eines der Verbundelemente aufweisen, über die Schichten (16, 14, 40, 62, 60) der Fasern hinaus erstrecken, die im wesentlichen dieselbe Faserzusammensetzung wie das andere Verbundelement aufweisen.
Verfahren zum Vorbereiten einer Verbindung nach Anspruch 30, das ferner den Schritt des Vorverfestigens der Übergangszone und optional des ersten Verbundelements (10) aufweist.
Verfahren zum Verbinden eines Verbundelements, das einen ersten Typ Fasern und ein erstes Harz aufweist, mit einem Verbundelement, das einen zweiten Typ Fasern und ein zweites Harz aufweist, wobei die Verbindung eine Schichtstruktur aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Übergangszone (13) Schichten (14, 16), die Fasern aufweisen, die sich vom ersten Verbundelement (10) in das zweite Verbundelement (12) hinein erstrecken, und/oder Schichten (14, 16) aufweist, die Fasern aufweisen, die sich vom zweiten Verbundelement (12) in das erste Verbundelement (10) hinein erstrecken, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: – Bereitstellen von Schichten (14), die einen ersten Typ Fasern aufweisen, und wobei sich mindestens einige dieser Schichten (14) in einen Teil der Struk tur hinein erstrecken, die dem zweiten Verbundelement (12) ähnelt, – Bereitstellen von Schichten (16), die einen zweiten Typ Fasern aufweisen, wobei sich mindestens einige dieser Schichten (16) in einen Teil der Struktur hinein erstrecken, die dem ersten Verbundelement (10) ähnelt, – optionales Bereitstellen eines Mittels zur mindestens teilweisen Immobilisierung der Fasern, wobei das Mittel zum Beispiel ein Klebemittel oder ein Harz aufweist, – Bereitstellen eines Harzes in Kontakt mit mindestens einer der Schichten (14, 16), die Fasern aufweisen, – optionales Vorverfestigen der Struktur, und – Härten der Struktur, – wobei die Übergangszone (13) Schichten (14, 16) aufweist, die Fasern aufweisen, wobei jede der Schichten (14, 16) im wesentlichen dieselbe Faserzusammensetzung wie entweder das erste Verbundelement (10) oder das zweite Verbundelement (12) aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 27 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern für mindestens eine der Schichten (14, 16, 40, 50, 52, 60, 62), die Fasern aufweisen, als ein oder mehrere kunststoffimprägnierte Flächenstoffe (Prepregs), teilweise kunststoffimprägnierte Flächenstoffe (Semi-Pregs), Webstoffe oder Vliesstoffe, Matten, Vorformen, vorverfestigte Vorformen, einzelne oder Gruppen von Fasern, Werge, kunststoffimprägnierte Wergflächenstoffe (Tow-Pregs) oder eine Kombination von diesen bereitgestellt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 27 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil des Harzes durch Harzinfusion und/oder Harzspritzpressen und/oder unterdruckunterstütztes Harzspritzpressen bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 27 bis 34, dadurch gekennzeichnet, daß das Härten das Bereitstellen eines Drucks und/oder eines Unterdrucks an der Struktur umfaßt, vorzugsweise bevor die Härtungsreaktion eingeleitet wird.
Verwendung einer Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 25 zum Verbinden zweier verhältnismäßig nichtkompatibler Verbundelemente, wobei die beiden Verbundelemente unterschiedliche physikalische Eigenschaften wie den Wärmeausdehnungskoeffizienten und/oder das Elastitätsmodul aufweisen.
Verwendung einer Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 25 zur Vorbereitung eines Holms für einen Windradflügel.
Verwendung einer Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 25 zum Verbinden eines hauptsächlich kohlenstoff-faserverstärkten Teils eines Holms für einen Windradflügel mit einem hauptsächlich glasfaserverstärkten Teil eines Holms für einen Windradflügel.