DE69620016T2

DE69620016T2 - Reparatursystem für verbundmaterial mit z-förmigen klammern

Info

Publication number: DE69620016T2
Application number: DE69620016T
Authority: DE
Inventors: S Alston; P Brown; J Childress
Original assignee: Boeing Co
Current assignee: Boeing Co
Priority date: 1995-12-22
Filing date: 1996-12-02
Publication date: 2002-12-19
Anticipated expiration: 2016-12-03
Also published as: WO1997023343A1; US5882756A; US5868886A; AU1682997A; DE69620016D1; EP0868294B1; EP0868294A1

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung betrifft die Reparatur einer Verbundkonstruktion, und insbesondere eine Ausbesserung mittels Kleben für fortschrittliche Verbundkonstruktionen, bei der die Ausbesserung durch Stifte in Z-Richtung verstärkt ist.

STAND DER TECHNIK

Verbundmaterialen finden eine immer breitere Akzeptanz und Anwendung in der Industrie, insbesondere bei modernen Militär- und Zivilflugzeugen. Hochtemperaturthermoplastische, faserverstärkte Verbundmaterialien besitzen eine hohe Festigkeit, eine hohe Steifheit und erstrebenswerte Schadenstoleranzeigenschaften. Thermoplastische Verbundmaterialien können durch einige kostengünstige Fertigungsverfahren hergestellt werden. Aber thermoplastische Verbundmaterialien stellen Anforderungen an Gefügereparaturen, insbesondere bei Außen- bzw. Feldreparaturen, die notwendig sind, wenn die thermoplastischen Verbundwerkstoffe eine weitreichende Verwendung finden sollen. Zum Beispiel sind Flugzeuge zu wertvoll und zu teuer, um sie für eine längere Zeitdauer am Boden zu halten, dies gilt insbesondere für kommerzielle Flugzeuge, bei denen ein Bodenaufenthalt über Stunden bedeutende wirtschaftliche Auswirkungen hat.
Traditionell wurden bei der Außenreparatur von Verbundkonstruktionen, ob Metall oder Verbundwerkstoffe, Wege mittels Verschrauben oder Kleben benutzt. Bei dem Ansatz mit Schrauben wird eine Deckplatte mechanisch um den beschädigten Bereich herum befestigt. Die Schrauben übertragen die Belastungen in das Reparaturstück, aber die Reparaturstücke und die Schrauben erzeugen Spannungskonzentrationen und erfordern das Bohren von Löchern mit einem Durchmesser von enger Toleranz in die Stammkonstruktion, was ihr Leistungsvermögen erniedrigt. Demzufolge ist eine Reparatur mittels Schrauben für dünnhäutige oder hochbeanspruchte Konstruktionen inakzeptabel (oder abzuraten). Eine Reparatur mittels Schrauben kann auch die Aerodynamik oder die Radarkennung eines Flugzeugs negativ beeinflussen.
Reparaturen mittels Kleben beinhalten das Entfernen des beschädigten Bereichs, um eine entsprechende Grenzfläche für die Ausbesserung vorzubereiten. Das beschädigte Material wird üblicherweise mittels Flammstrahlen mit der Ausrüstung und den Verfahren, die in den US-Patenten 4,987,700 und 5,207,541 beschrieben sind, entfernt, um eine konisch zulaufende oder gestufte Vertiefung in der Mehrschichtstruktur vorzubereiten. Unter gewissen Umständen kann das Reparaturloch anstatt rund anders geformt sein, wie dies in den US-Patenten 4,916,880 und 4,978,404 dargestellt ist. Geformte Einsätze für das Reparaturmaterial erlauben häufig eine bessere Belastungsübertragung als Steckausbesserungen.
Bei einer Reparatur mittels Kleben wird der Ausschnitt mit einem geeigneten, ungehärteten kunstharzimprägnierten Material gefüllt, das anschließend ausgehärtet oder mit der Stammkonstruktionen verbunden werden muss. Bei Bedarf werden Klebstoffe mit den kunstharzimprägnierten Materialien verwendet und es wird Sorge getragen, dass, falls dies möglich ist, Belastungswege in der Faserverstärkung vorgesehen werden. Diese Vorbereitungen sind in den oben genannten Patenten beschrieben. Das Aushärten oder Verbinden erfordert Wärme, die man normalerweise mit einer Thermodiffusions- Wärmedecke zuführt, wie sie in dem US-Patent 5,442,156 beschrieben ist. Andere Heizvorrichtungen können natürlich auch verwendet werden. Das Reparaturmaterial kann das gleiche Material wie die Stammkonstruktion sein, oder es kann wie bei der vorliegenden Erfindung wegen der Stiftverstärkung ein unterschiedliches Material, wie beispielsweise eine Graphit/Epoxidharz-Masse in einer K-IIIB/Kohlefaser-Thermoplast-Polyimid- Stammkonstruktion, sein. Die Möglichkeit, unterschiedliche Ausgangsmaterialien in der Ausbesserung als jene bei der Stammkonstruktion benutzten zu verwenden, verbessert die Eignung der vorliegenden Erfindung für die Außenreparatur durch Erweitern der Reparaturmaterial-Kandidaten oder Verringern der notwendigen Außenlagerbestände.
Herkömmliche Reparaturstoffe werden üblicherweise aus Materialien ausgewählt, die identisch mit den Materialien in der zu reparierenden Stammkonstruktion sind. Während Ausbesserungen mittels Kleben eine effizientere Belastungsübertragung als Reparaturen mittels Schrauben vorsehen und der Einbau aus Sicht der Aerodynamik und der Kennung weniger störend ist, ist die Qualität der Reparatur mittels Kleben wie die Qualität der Stammkonstruktion stark abhängig von dem absoluten Alter und der Alterungshistorie der bei der Ausbesserung verwendeten kunstharzimprägnierten Materialien. Außerdem ist die Qualität einer herkömmlichen Ausbesserung mittels Kleben auch abhängig von der Vorbehandlung der Grenzfläche, von den Aushärte- oder Verbindungs-Prozessparametern (einschließlich der Wärmegleichverteilung) und schließlich von der Begabung und der Kunstfertigkeit der die Ausbesserung vornehmenden Arbeiter. Es ist unnötig, zu erwähnen, dass es die Kombination von wesentlichen Variablen schwierig macht, bei der reparierten Konstruktion eine reproduzierbare Gefügeleistung zu erzielen.
Herkömmliche Reparaturen mittels Kleben sind derzeit eine unattraktive Option für thermoplastische Konstruktionen, speziell für jene mit Hochtemperatur-Thermoplasten. Der Einsatz von thermoplastischen Klebstoffen und thermoplastischen Reparaturmaterialien würde im allgemeinen die Stammkonstruktion beschädigen. Während Thermoplaste wieder auf ihre Verfestigungstemperatur erwärmt und mehrmals umgeformt werden können, würde die Stammkonstruktion bei der Temperatur, die zum Aushärten des Hochtemperatur-Thermoplast-Reparaturmaterials erforderlich ist, beginnen, zu erweichen und sich zu entfestigen. Oft sind die Hauptkomponenten ursprünglich bei hohen Drücken häufig unter Verwendung komplexer Werkzeuge verfestigt, um die für die Leistungsfähigkeit notwendige kritische Formgebung und Abmessung zu erreichen. Eine Entfestigung unter Feldbedingungen wäre unbrauchbar. Der Verlust der kritischen Abmessungen könnte verhängnisvoll sein. Thermoplaste sind auch mittels Verleimung schwierig zu reparieren, weil die thermoplastischen Kunstharze häufig gegen Lösungsmittel und Klebstoffe resistent sind. Als Ergebnis erzeugt die herkömmliche Reparatur mittels Kleben bei diesen thermoplastischen Konstruktionen eine minderwertige Leistung.
Für fortschrittliche thermoplastische Verbundwerkstoffe, die für entstehende Industrie- (speziell Luftfahrt-) Konstruktionsanwendungen (die Verwendungen, für welche die Materialien entwickelt werden) breit eingesetzt werden sollen, muss die Industrie die Qualität von Außenreparaturen verbessern und den typischerweise mit Verbundkonstruktionen verbundenen, beträchtlichen "Logistikschwanz" verringern. Reparaturansätze müssen erkannt und entwickelt werden, die ein Gleichgewicht schaffen zwischen der Zeit und den Mitteln, die mit ihrer Verwendung und der Konstruktions- und Aerodynamik-Leistungsfähigkeit, die sie vorsehen, einhergehen.
Die bisherige Anstrengung hat sich primär auf die Verbesserung der Leistungsfähigkeit von Reparaturen mittels Kleben konzentriert. Anstrengungen zur Verbesserung der Verbindungsstärke haben sich um die Verbesserung der Oberflächenvorbehandlung- Vorverbindungsprozesse zentriert. Viele unterschiedliche Ansätze wurden verfolgt, einschließlich Plasmaspray, chemischem Ätzen und Korona-Behandlung (elektrische Entladung über der Teileoberfläche). Diese Verfahren sind weder benutzerfreundlich noch wirklich feldtauglich. Sie versagen oft bei der reproduzierbaren Erzeugung von Verbesserungen in der Reparaturfestigkeit. Andere Verbindungsprozesse, die für Thermoplast-Reparaturen versucht wurden, umfassen Schweißen, was eine Erwärmung der Grenzfläche zwischen der Stammkonstruktion und der Ausbesserungsstelle auf eine Temperatur mit sich bringt, die hoch genug ist, um die Materialien beide schmelzen und neu zusammenschmelzen zu lassen. Für Hochtemperatur-Thermoplaste erfordert das Schweißen erhöhte Temperaturen und einen hohen Druck, die auf die Teile ausgeübt werden müssen, was den Vorgang üblicherweise für die Außenreparatur unattraktiv macht. Schweißvorgänge sind in den US-Patenten 5,313,037 und 5,444,220 und den US- Patentanmeldungen 08/367,546, 08/352,991 und 08/367,557 beschrieben.
Für die Außenreparatur mittels Kleben von Flugzeugen sind nach wie vor Verbesserungen erforderlich, um einfach, zuverlässig und reproduzierbar geeignete Ausbesserungen zu erzeugen, um das Flugzeug schnell zum Einsatz zurückzugeben (zumindest vorübergehend). Wir haben entdeckt, dass das Integrieren von Stiften in Z- Richtung in die Reparatur Gefügeverbesserungen vorsieht und ein breiteres Prozessfenster für ansonsten kritische Verarbeitungsparameter erlaubt. Ausbesserungen mit Stiften in Z-Richtung erlauben die Außenreparatur einer fortschrittlichen Thermoplastkonstruktion unter Verwendung von ansonsten inkompatiblen wärmehärtenden Graphit/- Epoxidharz-Reparaturmassen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung kombiniert das Einbringen von Stiften in Z-Richtung mit dem Kleben, um eine qualitative Außenreparatur von Verbundmaterialsystemen vorzusehen. Unser Reparaturkonzept, das sowohl für Duroplast- als auch für Thermoplast- Konstruktionen anwendbar ist, weist Elemente von Reparaturansätzen sowohl mittels mechanischer Befestigung als auch mittels Verleimung auf, aber ist gegenüber jedem früheren Mischreparaturansatz einzigartig. Wir benutzen im allgemeinen mit Ultraschalltechnik eingesetzte Metallstifte, um eine ansonsten herkömmliche Verbindungslinie zu verstärken. Wegen der relativ großen Anzahl verwendeter Stifte werden Spannungskonzentrationen im Vergleich zu Ausbesserungen mittels Schrauben minimiert. Außerdem minimieren die kleine Stiftgröße und das Einsetzverfahren einen Faserbruch in der Stammkonstruktion, was die damit verbundenen Gefügeverschlechterung verringert.
In manchen Fällen entfernen wir einige oder alle Stifte in Z-Richtung bevor das Verbinden abgeschlossen wird. Die kleinen Löcher in der Reparaturstelle, die beim Herausziehen der Stifte verbleiben, füllen sich beim Verfließen des Kunstharzes mit Kunstharz. Überraschenderweise erzielen wir gegenüber Ausbesserungen mit Stiften in Z-Richtung oder herkömmlichen Ausbesserungen mittels Kleben eine hervorragende Belastungsfähigkeit.
Deshalb ist die vorliegende Erfindung ein Verbindungsverfahren zum Vorbereiten verbesserter Ausbesserungen bei Reparaturen mittels Kleben von Flugzeug-Verbundkonstruktionen. Nach dem Vorbereiten der Reparaturgrenzfläche durch Wegschneiden des beschädigten Bereichs und Einlegen des kunstharzimprägnierten Reparaturmaterials fügen wir Stifte in Z-Richtung mit einer Flächendichte im Bereich von etwa 0,375-1,50% (d. h. Stifte in regelmäßiger Anordnung und einem gegenseitigen Abstand von etwa 0,16- 0,64 mm (0,0625-0,25 Inches)) in das gesamte oder in einen Teil des Reparaturmaterials ein und härten das kunstharzimprägnierte Repareaturmaterial zum Abschließen des Verbindens aus. Zum Beispiel kann für die Reparatur einer thermoplastischen Stammkonstruktion das kunstharzimprägnierte Repparaturmaterial ein Thermoplast sein, das zu der Stammkonstruktion passt, oder es kann ein ansonsten mit der Stammkonstruktion inkompatibles Duroplastmaterial sein. In manchen Fällen entfernen wir die Stifte vor dem Aushärten des kunstharzimprägnierten Materials/des Klebstoffes.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine schematische Schnittdarstellung einer typischen Ausbesserung des Standes der Technik.
Fig. 2 ist eine schematische Darstellung eines Weges mit Stiften in Z-Richtung der vorliegenden Erfindung.
Fig. 3 ist eine schematische Draufsicht des Reparaturbereichs von Fig. 2, die die Verteilung der Stifte in Z-Richtung zeigt.
Fig. 4 ist eine schematische Darstellung eines Ultraschallhorns mit einer Sift- Montagehalterung zum Platziren der Stifte oder der Löcher in Z-Richtung in den Reparaturbereich.
Fig. 5 ist eine schematische Schnittdarstellung einer Mehrschicht-Ausbesserung mit Stiften in Z-Richtung.
Fig. 6 ist eine Schnittdarstellung einer Ausbesserung, bei der innere Schichten verstiftet sind, während die Oberflächenschichten frei von Stiften sind.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG EINES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS

Die vorliegende Erfindung ist eine Ausbesserung mit Stiften in Z-Richtung für eine Verbundkonstruktion, um eine verbesserte Reparaturfestigkeit und Belastungsübertragung ohne Spannungskonzentration vorzusehen. Die verstiftete Ausbesserung ist mit existierenden Verbundkonstruktionen und existierenden Reparaturtechniken kompatibel, aber speziell für die Außenreparatur einer thermoplastischen, faserverstärkten Verbundkonstruktion und insbesondere für die Außenreparatur einer solchen Verbundkonstruktion bei Militär- und Zivilflugzeugen geeignet.
Das Integrieren des Vorgangs des Einbringens von Stiften in Z-Richtung in die Reparaturumgebung hat einen minimalen Einfluss auf den derzeitigen "Logistikschwanz" oder die derzeitigen Reparaturmittel-Anforderungen. Unser Ansatz kann beliebige kunstharzimprägnierte oder benetzte Gewebe-Reparaturmaterialien sowie vorgehärtete thermoplastische Reparaturmaterialien verwenden. Das Schaffen des Reparaturabschnitts mit den Stiften in Z-Richtung erfordert etwa die gleiche Zeit wie das Durchführen typischer Oberflächenbehandlungsvorgänge. Die existierende Reparaturarbeitskraft kann den Prozess in der momentanen, kargen Außenreparaturumgebung benutzen. Neben der Vorrichtung zum Einbringen der Stifte in Z-Richtung und den Stiften sind alle anderen Hilfsausrüstungen und -materialien, die für den Prozess benötigt werden, die typischen der aktuell benutzten.
Ausbesserungen mit Stiften in Z-Richtung stellen für das Reparaturpersonal neue Möglichkeiten bereit. Die Reparatur mit Stiften in Z-Richtung schafft die Möglichkeit, reproduzierbare, qualitative Reparaturen sowohl an Thermoplast- als auch an Duroplast- Verbundmaterialien durchzuführen, wobei derzeit existierende Reparaturmittel verwendet werden, und schließt die Möglichkeit ein, geschweißte, thermoplastische Primärkonstruktionen zu reparieren. Man kann für eine zusätzliche Gefügewiederherstellung die Stifte in Z-Richtung den derzeitigen Entbindungs- und Abschichtungsreparaturen hinzufügen. Mann kann die Ausbesserungen mit Stiften in Z-Richtung auch zum Durchführen von Schnellreparaturen und für Kriegsschädenreparaturen verwenden. Die Qualität von Schnellreparaturen ist sowohl für militärische als auch für kommerzielle Fluglinien zur Reparatur von Primärverbundkonstruktionen wie beispielsweise die Stabilisierungsflächen der 777-Fluglinie äußerst wichtig, weil Schnellreparaturen das Flugzeug wieder zum Einsatz zurück bringen.
Mit Einsetzen von Stiften in Z-Richtung meinen wir die Technik des Einführens einer Faserverstärkung in Z-Richtung der faserverstärkten Verbundkonstruktion durch normale oder sich kreuzende Stifte mit einer Flächendichte von etwa 0,375-1,5%, obwohl höhere und niedrigere Dichten oder abgestufte Dichten ebenfalls funktionieren können. Das Einsetzen von Stiften in Z-Richtung ist in mehr Einzelheiten in der US-Patentanmeldung 08/............ mit dem Titel " Pin-Reinforced Sandwich Structure " von Jamie Childress beschrieben.
Der Aufbau und das Verfahren zum Leisten einer Reparatur mit dem Einsetzen von Stiften in Z-Richtung sind ähnlich denjenigen einer herkömmlichen Reparatur mittels Kleben. Die einzigen zusätzlichen Ausrüstungen und Hilfsmittel, die für die Reparatur benötigt werden, sind ein Ultraschallhorn (oder eine entsprechende Vorrichtung zum Einbringen der Stifte) und ein Zuführen der Stifte. Geeignete Stifte kommen derzeit in einer Schaumstoffmasse voreingesetzt von Foster-Miller. Der Rest der erforderlichen Materialien und Ausrüstungen ist identisch zu den bereits für die Reparaturen mittels Kleben in Außen- und Lagerhaltungsbedingungen verwendeten. Der vorgeschlagene Aufbau des Ultraschallhorns ist ziemlich ähnlich zu existierenden, kraftstoffbetriebenen Ultraschallschneide- und -schweißgeräten, obwohl wir bei den bis jetzt reparierten Testplatten ein am besten für das Schweißen von Metallen geeignetes Horn benutzten.
Wie schematisch in Fig. 1 dargestellt, erfordert eine Ausbesserung ein Flammstrahlen des beschädigten Bereichs, um die Faserverstärkung der getrennten Laminatschichten der Stammverbundkonstruktion 102 entweder in einem konischen oder einem gestuften Ausschnitt freizulegen, mit einem anschließenden Einfügen eines Reparaturmaterials, möglicherweise zusammen mit einem Klebstoff 104 entlang der Verbindungslinie (d. h. der Grenzfläche). Das Reparaturmaterial 100 schließt bündig mit der Außenfläche der Stammkonstruktion 102 ab. Der heißgeschmolzene oder thermisch aktivierte Klebstoff 104 verklebt das gehärtete Reparaturmaterial mit der Stammkonstruktion 102.
Fig. 2 zeigt ein Reparaturmaterial mit Stiften in Z-Richtung unter Verwendung eines thermoplastischen Materials für das Reparaturmaterial 100. Das Reparaturmaterial 100 wird zuerst geschnitten, um entweder, wie dargestellt, als Flicken mit abgeschrägten Enden oder als äußerer "Schalen"-Flicken in den beschädigten Bereich zu passen. Eine Schicht Klebstoff 104 wird wahlweise auf die Stammkonstruktion 102 in der Form eines Films oder einer Paste aufgetragen. Das vorgehärtete Reparaturmaterial 100 wird dann gegen die Stammkonstruktion gesetzt. Die Stifte 106 werden mit Hilfe eines Ultraschallhorns durch das Reparaturmaterial 100 und in die Stammkonstruktion eingesetzt. Der Klebstoff 104 verbindet, dichtet und unterlegt das Reparaturmaterial 100, um eine hervorragende Einpassung zu gewährleisten. Wir härten den Klebstoff gesteuert durch einen Heißverbinder mit einer Wärmedecke aus, aber können stattdessen auch irgendeine andere geeignete Heizvorrichtung einsetzen. Wir können bei Umgebungstemperatur aushärtende Klebstoffe für Anwendungen, die einen schnellen Durchlauf erfordern, oder zum Reparieren in kargen Reparaturumgebungen mit wenig Hilfsmitteln verwenden. Die Stifte 106 halten das Reparaturmaterial fest an seinem Platz und verleihen in vielen Fällen genug strukturelle Leistungsfähigkeit, um das Fahrzeug sofort zum Einsatz zurückzubringen, um das Reparaturmaterial "beim Fliegen aushärten" zu lassen. Für Anwendungen, bei denen die Anforderungen an die Dicke des Reparaturmaterials die übliche Stiftlänge übersteigen, verwenden wir mehrere versetzt angeordnete Reparaturschichten, wie dies in Fig. 5 dargestellt ist. Eine typische Wärmedecke ist in dem US- Patent 5,442,156 beschrieben.
An Stelle der Verwendung von vorgehärtetem thermoplastischem Material, das zu der Stammkonstruktion passt, können wir bei der Ausbesserung auch Duroplast-Material verwenden. Zum Beispiel können wir für eine Ausbesserung und den Grenzlinienklebstoff in einer K-IIIB-Polyimid-Thermoplast-Stammkonstruktion den Graphit-Epoxidharz- Verbund Boeing BMS 8-212 oder BMS 8-297 mit Stahlstiften mit einer Flächendichte von etwa 0,375% (d. h. einem Abstand von 0,64 cm (0,25 Inches)) verwenden. Diese Graphit/Epoxidharz-Reparaturmaterialien werden bereits in den meisten Militärdepots gelagert. Deshalb verringert ihre Anwendung bei Reparaturen von Verbundwerkstoffen aus Hochtemperatur-Thermoplasten den "Logistikschwanz". Es zeigt auch die Vielseitigkeit des Reparaturvorgangs der vorliegenden Erfindung.
Eine alternative Mehrschicht-Stiftausbesserung (Fig. 5) versetzt die Stifte in Z-Richtung entlang der konischen Grenzfläche, aber erfordert, dass die Reparatureinlage in separaten Teilen angewendet wird. Falls erwünscht, können wir zwischen den Schichten des Reparaturmaterials einen Klebstoff 104 oder zusätzliche Stifte 106 benutzen, um die separaten Teile aneinander anzubinden, oder beides.
Die Stifte können Metall (wie beispielsweise Stahl, Kupfer oder Titan), Glas, Graphit oder Kohlefasern von geeigneter Länge sein. Wir bevorzugen Titan, um eine galvanische Korrosion zu vermeiden, aber die Reparaturkosten sind höher. Beispielhafte Stiftdurchmesser liegen im Bereich von etwa 0,010&supmin;&sup0;,030 Inches, und die Stifte sind typischerweise etwa 0,254-1,27 cm (0,100-0,500 Inches) lang. Die Stifte haben ein Elastizitätsmodul von wenigstens etwa 16³/&sub4; Die Stifte können gegebenenfalls mit Widerhaken versehen sein, um die Abreißkraft zu erhöhen. Die Stifte sind typischerweise in einer regelmäßigen Anordnung mit einem Mitte-Mitte-Abstand von etwa 0,16-0,64 cm (0,0625-0,25 Inches) beabstandet, auch wenn andere Anordnungen und Stiftdichten verwendet werden können. Wir können den gesamten Bereich der Grenzfläche oder einen Bruchteil überdecken, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist, wo vier Bereiche von Stiften entlang senkrecht zueinander angeordneter Achsen symmetrisch auf dem Reparaturbereich zentriert und mit den Verstärkungsfasern in den darunterliegenden Schichten oder im Falle eines Laminats mit einem in einer Richtung wirkenden Band oder Zug parallel und senkrecht zu den Verstärkungsfasern ausgerichtet sind.
Eine weitere Reparatur-Alternative ist in Fig. 6 dargestellt, bei der wir Stifte in die inneren Schichten von ungehärtetem Reparaturmaterial (besser als vorgehärtetes Material wie bei den anderen Wahlmöglichkeiten) einsetzten, aber die Stifte nicht bei den Oberflächenschichten verwendet wurden. Während die Stifte eingesetzt werden, bewirkt die Wärme, die sie zusammen mit der durch Ultraschall induzierten Schwingung erzeugen, dass das klebende Kunstharz sich entlang der Stifte verflechtet, was dazu dient, die Stifte in dem Stammmaterial sicherer zu verankern. Falls erwünscht, können alle Reparaturschichten vor dem Einbringen der Stifte positioniert werden. Außerdem sieht die Möglichkeit, die Stifte zu stutzen und ein oder zwei Schichten über sie anzuordnen, Vorteile bezüglich Ästhetik, elektromagnetischer Energie (Blitzschlag und elektrostatische Entladung) und geringer Beobachtbarkeit vor.
Wir haben das in Fig. 6 dargestellte Ausführungsbeispiel mit eingebetteten Stiften in einer simulierten Reparatur unter Verwendung von flachen 16-schichtigen K-IIIB- Thermoplast-Polyimid-Verbundabschnitten, die mit Graphitfasern verstärkt sind, getestet. Die Abschnitte wurden durch acht Schichten schräg geschnitten, um ein Flammstrahlen zu simulieren, und mit dem Graphit/Epoxidharz-Reparaturmaterial BMS 8-297 und 10 Milli-Inch des Klebstoffes BMS 8-245 auf der Grenzlinie gefüllt. Wir setzten in dem in den Fig. 3 und 6 gezeigten Muster Stifte in Z-Richtung und mit einer Flächendichte von etwa 0,375%, d. h. einem Abstand von 0,64 cm (0,25 Inch) ein. Wir führten Streckgrenzentests an Abschnitten ohne Stifte durch, die von den verstifteten Proben herausgeschnitten wurden. Wir erhielten einen deutlichen Anstieg der Reparaturfestigkeit mit der durchschnittlichen Belastbarkeit der Ausbesserung um wenigstens etwa 450 kg (1.000 lbs) bis zu einer absoluten Stärke von etwa 2.880-3.375 kg (6.400-7.500 lbs) von der Leistungsfähigkeit einer Ausbesserung mittels Kleben, unabhängig von den speziellen Oberflächenbehandlungen für solche stiftlosen Ausbesserungen. Bei einigen unserer Tests versagte die Stammkonstruktion vor der verstifteten Ausbesserung. Unsere Ergebnisse sind in Tabelle 1 zusammengefasst.
Wir testeten auch Proben, bei denen wir die Stifte nach ihrem Einsetzen entfernten, um eine Anordnung von Löchern in den Ausbesserungs- und Stamm-Materialien entlang der Grenzlinie zurückzulassen. Für diese Proben setzten wir Stifte in der gleichen Weise ein wie wir es für die verstifteten Proben taten, aber wir entfernten alle Stifte vor dem Beenden des Verbindungsvorgangs. Die gebildeten Löcher füllten sich während des Aushärtezyklus mit Kunstharz, wenn das eingelagerte Kunstharz verfließt, um Kunstharzsäulen zwischen den Schichten zu bilden. Zu unserer Überraschung hielten die stiftlosen Ausbesserungen bei den Zugversuchen mit Belastungen im Bereich von 3.240-3.735 kg (7.200-8.300 lbs) sogar höheren Belastungen stand als jene mit Stiften.
Wir schreiben die verbesserte Festigkeit der besseren Verbindung zwischen dem Kunstharz der gefüllten Löcher und der Matrix als wir sie zwischen dem eingelagerten Kunstharz und den Stahlstiften bei den verstifteten Proben erhielten zu, auch wenn wir das Phänomen nicht im Detail untersucht haben und nicht auf diese Theorie beschränkt sein wollen. Das Kunstharz ist ein einheitliches (d. h. kompatibleres oder weniger invasives) Material in dem Verbundwerkstoff anstelle eines Fremdmaterials wie Stahl, oder das Kunstharz ist mit dem Kunstharz des Schichtsystems homogen. TABELLE 1
"Verstiftet" bedeutet, dass die Ausbesserung Stifte aus rostfreiem Stahl in einem Rasterabstand von 0,64 cm (0,25 Inch) aufwies.
"Stiftlos" bedeutet, dass Stifte in dem Abstand von "verstifteten" Ausbesserungen eingesetzt wurden, aber vor dem Ausärten entfernt wurden.
Stammkonstruktion: K-IIIB/Graphitfaser (16 Lagen)
Reparaturmaterial: BMS 8-297
Grenzlinien-Klebstoff: BMS 8-245 (10 Milli-Inch)
Oberflächenpräparation: handgeschliffen,
mit MEK (Methylethyl-Keton) abgewischt
Aushärtetemperatur: 350ºF (Wärmedecke)
Die Belastung wurde im Anschluss an das Halten auf einer Umgebungstemperatur von 71ºC (160ºF und 85% relativer Luftfeuchte) gemessen.
Diese Testergebnisse wurden mit den folgenden Daten verglichen: TABELLE 2
In allen Fällen sah die Verstiftung in Z-Richtung eine höhere Festigkeit als eine herkömmliche Ausbesserung und etwa 87% der Festigkeit einer unbeschädigten Konstruktion vor.
Typischerweise wurden etwa 75% oder mehr der beabsichtigten Stifte eingesetzt, wobei die übrigen während des Einsetzvorgangs verloren gingen. Die Proben 5 bis 8 waren herausgeschnittene Mitten mit nur etwa der Hälfte der Stifte in dem Abschnitt im Vergleich zu der Anzahl der Proben 1 bis 4.
Ohne Oberflächenbehandlung fiel eine verstiftete Ausbesserung bei niedrigen Belastungen aus, so dass wahrscheinlich wenigstens einfache Oberflächenbehandlungen wie das Schleifen von Hand und das Waschen mit MEK als wichtige Reparaturschritte verbleiben.
Beim Anfertigen der stiftlosen Ausbesserungen können wir anstatt des Einsetzens einzelner Stifte und des anschließenden einzelnen Entfernens derselben aus den Schichten (wie wir dies bei unseren Tests taten) auch eine Stift-Montagehalterung verwenden, um alle Löcher gleichzeitig mit einem einfachen Entfernen zu erzeugen. Bei der Stift- Montagehalterung 200 (Fig. 4) werden hochfeste Stifte 202 dauerhaft in einer Platte 204 befestigt, die direkt an dem Ultraschallhorn 206 befestigt ist. Die Ultraschallschwingung von dem Horn unterstützt sowohl das Einsetzen als auch das Entfernen der Stifte 202 von dem Teil. Da die Stifte 202 nicht vollständig durch das Reparaturmaterial und das Teil gehen müssen, können sie an der Halterung 200 etwas kürzer als die regulären Stifte (ungefähr 0,32 cm (1/8 Inch) lang) sein, was sie während des wiederholten Gebrauchs weniger schadensanfällig macht. Der Hauptvorteil der Halterung liegt in der Verringerung oder Vermeidung des Bedarfs eines Bestandes an Verbrauchsstiften. Es würde auch den Vorgang des Einsetzens und Entfernens der Stifte beschleunigen.
Eine stiftlose Ausbesserung mit mit Kunstharz gefüllten Löchern ertrug eine etwa 10- 20% größere Last als unsere verstiftete Ausbesserung.
Natürlich könnten wir auch eine gemischte Ausbesserung mit einigen Stiften und einigen Löchern machen. Zum Beispiel könnten wir Stifte an den inneren Schichten einsetzen und sie dort belassen, während wir eine stiftlose Festigkeitsverbesserung in den Oberflächenschichten verwenden. Oder wir könnten eine geringere Dichte an Stiften einsetzen und die Löcher an anderen Stellen zu machen, um eine Stift-Loch-Flächendichte in dem zuvor beschriebenen Bereich beizubehalten.
Das Verbundmaterial kann ein Verbundschichtwerkstoff mit einer Matrix aus Metall und verstärktem Kunstharz mit mehreren mit einem Verbundwerkstoff wie beispielsweise einem Duroplast-Epoxidharz oder einem K-IIIB-Thermoplast-Polyimid alternierenden Schichten einer Metallfolie wie beispielsweise Titan.

Claims

1. Verfahren zum Ausbessern einer Mehrschicht-Verbundkonstruktion (102), mit den Verfahrensschritten:

a) Flammstrahlen der Verbundkonstruktion (102), um eine Ausbesserungs- Grenzfläche durch wenigstens eine Schicht der Verbundkonstruktion (102) freizulegen;

b) Aufbringen von Reparaturmaterial (100) entlang der Grenzfläche, um die Verbundkonstruktion (102) wiederherzustellen;

c) wahlweise Aufbringen eines Klebemittels (104) zwischen das Reparaturmaterial (104) und die Verbundkonstruktion auf wenigstens einen Teil der Grenzfläche;

d) Einfügen von Stiften (106) in Z-Richtung entlang wenigstens eines Teils der Grenzfläche zwischen dem Reparaturmaterial (100) und der Verbundkonstruktion (102);

e) wahlweise Entfernen wenigstens eines Teils der Stifte (106) in Z-Richtung, um beabstandete Löcher zwischen dem Reparaturmaterial und der Verbundkonstruktion (102) zurückzulassen, und

f) Verbinden des Reparaturmaterials (100) mit der Verbundkonstruktion (102) durch Anwenden von entsprechender Wärme und entsprechendem Druck.

2. Verfahren nach Anspruch 1, mit dem weiteren Verfahrensschritt des Vorbereitens der Grenzfläche für ein Verleimen.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Stifte (106) mit einer Flächendichte von etwa 0,375-1,5% eingefügt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Reparaturmaterial in wenigstens zwei Teilen aufgebracht und das Einfügen der Stifte in Z-Richtung für jeden Teil separat durchgeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, mit dem weiteren Verfahrensschritt des Aufbringens wenigstens einer stiftlosen Oberflächenschicht über dem verstifteten Reparaturmaterial.

6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Verbundkonstruktion ein Metallfolie-Kunstharz-Einlagerungsverbundlaminat ist.

7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Verbundkonstruktion ein Thermoplast und das Reparaturmaterial ein Duroplast ist.

8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verbinden ein Erwärmen des Reparaturmaterials (100) auf wenigstens etwa 121ºC (250ºF) einschließt.

9. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Verbundkonstruktion (102) ein Teil eines Flugzeugs ist, und wobei die Verfahrensschritte in einer Außenreparatur durchgeführt werden.