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Leichtbaustoffteil, insbesondere für den Flugzeugbau
Der Erfindung
liegt der Gedanke zugrunde, die Eigenschaften des Glases zur Schaffung von Leichtbaustoffteilen,
insbesondere für den Flugzeugbau, nutzbar zu machen.
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Glas würde für solche Zwecke an sich außerordentlich günstige physikalische
und chemische Eigenschaften, wie z. B. Leichtigkeit, Temperaturbeständigkeit und
Widerstandsfähigkeit gegen fast alle Chemikalien sowie Feuchtigkeits- und Witterungseinflüsse
usw., besitzen, wenn das Glas nicht eine so geringe Elastizität und einen derartigen
Mangel an Dehnungsvermögen hätte, daß die Glaskörper eine sehr geringe Biegefestigkeit
und vor allem eine völlig ungenügende Schlagebiegefestigkeit aufweisen. Diese dem
Glas eigene Sprödigkeit und mangelnde Schlagebiegefestigkeit wird nur dann ausgeschaltet,
wenn das Glas in Gestalt außerordentlich feiner Fäden vorliegt, wie sie in Form
feinster Glasgespinstfäden hoher Zugfestigkeit, der sogenannten Glasseide gegeben
sind, bei welchen durch die Streckung des Materials beim Spinnprozeß neue Molekularstrukturen
entstehen, die ungewöhnliche Festigkeitssteigerungen ergeben.
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Die hohe Zugfestigkeit solcher monofiler Gebilde wird jedoch wiederum
durch den Nachteil erkauft, daß diese nunmehr keine innere Steifigkeit mehr aufweisen
und deshalb als solche für die Verwendung als Bauelemente ebenfalls unbrauchbar
sind.
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Gemäß der Erfindung gelingt es nun, diese an sich so vorteilhaften
Eigenschaften solcher feinster Glasgespinstfäden unter Ausschaltung der er-
wähnten
Nachteile nutzbar zu machen und so zu einem neuartigen Leichtbaustoff zu gelangen,
der sich durch hervorragende Eigenschaften auszeichnet und insbesondere auch für
den Flugzeugbau geeignet ist, mit anderen Worten gesagt, also die unerwartete Möglichkeit
zu verwirklichen, Glas als Bauelement vor allem auch für den Flugzeugbau zu verwerten.
Es wird davon ansgegangen, daß man eine Mehrzahl von solchen feinsten Glasgespinstfäden
hoher Zugfestigkeit, die in zwei räumlichen Dimensionen so gering sind, daß die
Sprödigkeitseigenschaften des Glases und die damit verbundene mangelnde Schlagebiegefestigkeit
praktisch aufgehoben sind und nur noch die hohe Zugfestigkeit vorhanden ist bzw.
zur Wirkung kommt, d. b. sogenannte Glasseide oder daraus hergestellte, vorzugsweise
flächige oder röhrenartige Formgebilde, wie Fadenlagen, Gewebe, Gewirke, Geflechte
od. dgl. mit für die Glasgespinstfäden als Bindemittel dienenden wasserfesten oder
wasserfest gemachten, an sich starren organischen Kunststoffen hoher Druckfestigkeit,
wie Kunstharzen, Kasein, Harnstoff- und anderen Kondensationsprndukten, Zellulosederivaten
od. dgl., zu einem formhaltenden Bauelement vereinigt. Erfindungsgemäß ist hierbei
der Anteil der Kunststoffe am Gesamtgebilde derart gering, daß durch sie die einzelnen
in Richtung der Kräftebeanspruchung des Baustoffteils verlaufenden Glasgespinstfäden
zu ihrer gegenseitigen Abstützung unter Erhaltung einer gewissen Porosität des Gesamtgebildes
lediglich skelettartig miteinander verbunden und derart dünn überzogen sind, daß
die durch die Skelettstruktur gegebene Dehnung der diese Glasgespinstfäden umhüllenden
Kunststoffe in Richtung der Kräftebeanspruchung des Baustoffteils größer ist als
diejenige dieser Glasgespinstfäden und somit die Zugfestigkeit der letzteren voll
zur Auswirkung kommen kann. In so hergestellten, vorzugsweise flächigen oder röhrenartigen
Formgebilden werden die einzelnen Glasgespinstfäden also voll auf Zugfestigkeit
beansprucht, bilden aber durch ihre gegenseitige Verbindung und die abstützende
Wirkung des Bindemittels einen genügend steifen Körper, um zu besagten Anwendungen
geeignet zu sein.
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Der für die praktische Ausübung der Erfindung zu wählende Anteil
des betreffenden Kunststoffes am Gesamtgebilde läßt sich bei Kenntnis des Erfindungsgedankens
ohne weiteres in einer kurzen Versuchsreihe ermitteln, in der das Verhältnis von
Kunststoff zu den Glasgespinstfäden verändert wird, und zwar derart, daß der Kunststoffanteil
zweckmäßig durch Minderung der Konzentration einer entsprechenden Kunststofflösung
allmählich herabgesetzt wird, wodurch - unter der Voraussetzung der drucklosen Verformung
- die innere Porosität des Gesamtgebildes und die durch die Skelettstruktur gegebene
und erfindungsgemäß angestrebte Dehnung des die Glasgespinstfäden umhüllenden Kunststoffes
ansteigt, bis zu dem Mengenverhältnis Kunststoff zu Glasseide, bei dem ersichtlich
die Glasgespinstfäden von den Zugkräften praktisch allein beansprucht werden, welin
nämlich die Dehnung des Kunststoffskeletts diejenige der Glasgespinstfäden übertrifft
und somit bei Zugheanspruchung der Kunststoff in seiner Struktur im wesentlichen
unverändert, d. h. ein steifes Gesamtgebilde, also ein nutzharer Baukörper, erhalten
bleibt.
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Man hat nach einem bekannten Vorschlag bereits versucht, die Reißlänge
solcher feinster Glasgespinste in einem Leichtbaustoffteil zur Wirkung gelangen
zu lassen, und zwar dadurch, daß man sie in Bindemittel eingebettet hat, deren Elastizitätsmodul
demjenigen der Glasseide angepaßt ist. Auf diese Weise, z. B. mit Kautschuk als
entsprechendem Bindemittel, lassen sich aber keine brauchbarenErgebnisse erzielen,
da solche Kombinationen nicht nur zu einem steifen Bauelement führen, sondern auch
den auf Zug beanspruchten Fäden eine Möglichkeit zum Ausweichen geben.
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Man hat ferner auch schon den Vorschlag gemacht, Schlacken- oder
Glaswolle, also sehr viel gröbere Gebilde nur mit derart geringen Mengen an Bindemitteln
zu kombinieren, daß die einzelnen Glaswolleteilchen nur dünn mit dem Bindemittel
überzogen werden und ein poröses Produkt entsteht. Auch derartige Gebilde sind mit
den erfindungsgemäßen Erzeugnissen nicht vergleichbar, zumal es bei den letzteren
keineswegs nur auf die Porosität ankommt, sondern diese hierbei nur eine äußerliche
Begleiterscheinung darstellt, und ferner Glasseide, also feinste Glasgespinste hoher
Zugfestigkeit, sich von Glaswolle nicht nur graduell, sondern prinzipiell unterscheidet,
und zwar insofern, als die erstere im Gegensatz zu der letzteren eine derart gesteigerte
Festigkeit bei derart geringem Durchmesser aufweist, daß die Sprödigkeitseigenschaften
des Glases und die damit verbundene mangelnde Schlagebiegefestigkeit praktisch aufgehoben
sind und nur noch die hohe Zugfestigkeit vorhanden ist bzw. zur Wirkung kommt.
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Glasseide, die sich durch außerordentlich große Spinnfeinheit auszeichnet,
erweist sich für den Zweck der Erfindung besonders geeignet, was durch die Ausrichtung
der Makromoleküle in den monofilen Fäden beim Spinnprozeß sowohl durch die Ionenverkettung,
Feldwirkung der Ionen, gerichtete Silikatskelette und sonstige Ausrichtung der festigkeitsbildenden
Strukturkräfte zu erklären ist.
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Werden solche feinsten Glasgespinstfäden hoher Zugfestigkeit, nämlich
Glasseide, z. B. als Fadenlagen, Gewebe, Gewirke, Geflechte u. dgl. mehr im Sinne
der Erfindung zu einem formhaltenden Bauelement vereinigt, so wird dabei wieder
eine ausreichende Formhaltung bzw. Steifigkeit erzielt, eine solche aber nicht durch
Sprödigkeit erkauft, da ja das Ganze kein starres System bildet, sondern das Bindemittel
skelett genügend Elastizität aufweist, daß zwar die einzelnen Glasseidefäden als
solche ortsbestimmt bleiben bzw. durch das Bindemittel im Sinne der Abstützung in
ihrer Lage gehalten werden, aber bei Beanspruchung des Bauelementes ihre Zugkräfte
betätigen können.
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Zur Erzielung des erfindungsgemäß vorgesehenen, unter Erhaltung einer
gewissen Porosität des Gesamtgebildes vorzunehmenden skelettartigen Überziehens
und Verbindens verwendet man mit besonderem Vorteil nicht reine Bindemittel, z.
B.
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Harze, sondern Lösungen solcher von z. B. 60 bis go O/o in Azeton
od. dgl. und imprägniert mit diesen die Glasseidegespinste bzw. aus solchen bestehende
Gebilde. Nach Abtreiben des Lösungsmittels erhält man dann Verbundkörper eines überraschend
niedrigen spezifischen Gewichtes von z. B. nur etwa I,2.
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Als Bindemittel können für die Zwecke der Erfindung im Prinzip alle
zur Verfügung stehenden wasserfesten oder wasserfest gemachten Kunststoffe genügend
hoher Druckfestigkeit verwendet werden. Vorzugsweise kommen organische Kunststoffe
solcher Art, wie Kunstharze, Kasein, Harnstoff- und andere Kondensationsprodukte,
Zellulosederivate u. dgl. mehr sowie Kaseinleim und ähnliche Klebstoffe in Betracht.
Solche Bindemittel können auf die verschiedenste Weise zugefügt bzw. mit den Glasseidegespinsten
bzw. den aus solchen bestehenden Gebilden vereinigt werden, beispielsweise in flüssiger
Form, wobei durch ein nachträgliches Erhitzen ihre Verfestigung und Verwachsung
mit den Glasseidegespinsten bzw. den aus solchen bestehenden Gebilden herbeigeführt
werden kann. Sie können aber auch, wie oben bereits erwähnt, mit Lösungsmitteln,
z. B. Azeton od. dgl., verdünnt zugeführt werden. Ebenso können die Bindemittel
mit Vorteil auch in Form von Emulsionen angewendet werden.
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Als besonders geeignet haben sich unter den vorerwähnten Kunststoffen
vor allem Kunstharze der Phenolgruppe und ihre Homologen erwiesen, unter welchen
wiederum basische Kondensationsprodukte, wie Resole, eine Sonderstellung einnehmen,
da sie gegenüber Glas ein besonders hohes Klebevermögen aufweisen, insbesondere
dann, wenn sie noch etwas freie Lauge enthalten und/ oder beim Eintrocknen starke
Kontraktion zeigen.
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Es können aber auch nichtfertig kondensierte Phenolharze oder säurehärtende
Resole als Bindemittel verwendet werden.
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Der Leichtbaustoffteil gemäß der Erfindung kann auch als Flächen-
oder Hohlgebilde mit artgleichen oder artfremden, vorzugsweise röhrenförmigen, vor
allem winklig dazu angeordneten, auf Druck zu beanspruchenden Abstützungen versehen
werden. Besonders vorteilhaft ist es in dieser Hinsicht, die Abstützungen als Auskleidung
aus spezifisch leichtem Baustoff hoher Druckfestigkeit, vorzugsweise porösem, aus
Faserstoffen und härtbaren Bindemitteln hergestelltem Kunstharz auszubilden. So
kann beispielsweise ein Bauelement von ausgezeichneter 5 cblagebiegefestigkeit dadurch
hergestellt werden, daß man einen Hohlkörper aus Kunstholz bzw. Schaumholz mit einem
Glasseidegespinstschlauch der erwähnten Feinheit überzieht und diesen dann z. B.
durch Aufbringen einer Bindemittel lösung und deren Erhärtung auf eine der vorerwähnten
Weisen in sich verbindet, verkittet oder verklebt und damit in sich abstützt und
versteift. In gleicher Weise können auch mehrere solcher Glasseidegespinstschläuche
aufgebracht oder entsprechende Bahnen oder Teilstücke solcher um die abstützende
Einlage gegebenenfalls wechselseitig übereinandergewickelt und in sich verbunden
werden und in gleicher Weise auch entsprechende Ausbesserungen an beschädigten Stellen
vorgenomnien werden.
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Bei allen diesen verschiedenen Ausführungsformen kann es von Vorteil
sein, die Glasseidegespinstfäden vor ihrer Verklebung an ihrer Oberfläche z. B.
mittels Fluß säure anzuätzen, denn wenn sich die Bindemittel und insbesondere die
als solche zu verwendenden Kunststoffe auf Grund ihrer großen physikalischen Affinität
gegenüber Glas auch an diesem sehr leicht anschmiegen, so wird durch eine solche
Anätzung eine besonders innige Vereinigung beider Stoffe gefördert.
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Wenn auch die erfindungsgemäßen Leichtbaustoffteile auch unter Verwendung
von Harzen hergestellt werden können, die unter hohem Druck und Hitze abbinden bzw.
die Verbindung der Glasseidegespinste unter derartigen Bedingungen durchgeführt
werden kann, so besteht hierzu, wie oben bereits angedeutet, durchaus keine Notwendigkeit.
Es ist vielmehr einer der Hauptvorteile der Erfindung, auf die Anwendung solcher
hohen Preßdrucke, wie sie in der Preßstoff-Technik zum Zwecke der Replastifizierung
und Aushärtung Anwendung finden, und damit auf umständliche und zumal bei größeren
Dimensionen und hohen Präzisionsforderungen außerordentlich kostspielige Formmethoden
verzichten zu können und trotzdem zu einwandfreien Bauelementen gelangen zu können.
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So kann man z. B. in der Weise vorgehen, daß man Glasseidegespinstfäden
zunächst in die gewünschte flächige Gestaltungsform bringt und sie alsdann im Sinne
der Erfindung mit einem flüssigen oder verdünnten Bindemittel imprägniert, welches
durch bloße Erwärmung erhärtet, oder in der Weise, daß man die Glasseidegespinstfäden
zunächst, also vor ihrer endgültigen Verbindung zu einer Form, vorimprägniert und
erst dann in die gewünschte Gestaltungsform bringt, um dann in dieser die Erhärtung
des Bindemittels herbeizuführen.
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Damit das zu bildende Bauelement die für dasselbe gewünschte Gestaltungsform
erhält, hat die t'berführung des mit den Glasseidegespinstfäden zusammengebrachten
Bindemittels in den Endzustand unter Formkonstanz zu erfolgen. Dies kann mit Verformungswerkzeugen
beliebiger Art, wie z. B. Blechschalen, Glasschalen oder anderen Formkörpern und
Formungsunterlagen, Gußformen usw., durchgeführt werden, die aber im Sinne des Obengesagten
keine Druckwerkzeuge zu sein brauchen, sondern lediglich die Aufgabe haben, dem
Gesamtgebilde während der Ausbeizperiode Formkonstanz zu verleihen. Werden Formwerkzeuge
verwendet, an welchen das Bindemittel starke Haftung zeigt, z. B. solche aus Glas,
so werden diese mit einer Trenn- oder Ablösungs-
schicht aus hochschmelzendem
Material, Fett od. dgl. überzogen. Wenn diese Verformungswerkzeuge auch die Möglichkeit
enthalten können, gewisse Druckkräfte zu betätigen, so hat dies nur den Zweck, die
einzelnen Glasseidegespinstfäden mehr oder weniger nahe aneinanderzudrängen.
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Dabei sind die dazu notwendigen Drücke erhält nismäßig gering, da
das flüssige Bindemittel leicht ausgequetscht werden kann. Auch ist hierbei eine
viel geringere Aufmerksamkeit auf die Toleranz zu legen, da die Anzahl der Glasseidegespinstfäden
in sich bereits die räumliche Ausdehnung des Endproduktes bestimmen. In gleichem
Sinne können auch mehrere vorgeformte Zilde mit genügender Festigkeit aufeinander-
oder aneinandergebunden, -geklebt oder -gekittet werden, da die genannten Bindemittel,
wie z. B. Resole, eine außergewöhnlich große Haftfähigkeit besitzen. Insbesondere
ist dabei auch die Möglichkeit gegeben, eine Verbindung in wechselseitiger Überlagerung
der zu vereinigenden Bahnen herbeizuführen.
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Ferner kann man zu I,eichtbaustoffteilen auch dadurch gelangen, daß
man offene oder mehrteilige Hohl formen mit Glasseidegespinstfäden und dem Bindemittel
auslegt und dann entsprechend gestaltete, aufblasbare Hohlkörper, z. B. eine Kautschuk
lunge, oder einen verbrennbaren Innenformling, z. B. aus Nitrozellulose, einführt
und schließlich nach Verbindung der so gegen die Außenform angeschmiegten Glasseide
die Einlagekörper aus diesen wieder entfernt.
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Durch entsprechende Ausbildung der Formwerkzeuge hat man es bei alledem
auch ohne weiteres in der Hand, den Oberflächen der Baustoffteile jeweils die gewünschte
Beschaffenheit, insbesondere Spiegelglanz zu verleihen und diese so, vor allem für
den Flugzeugbau, besonders vorteilhaft zu gestalten, indem man so unter anderem
auch die Möglichkeit besitzt, ohne Anwendung hoher Drücke spezifisch leichte Bauelemente
mit glänzender Oberfläche herzustellen.
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Dies kann z. B. in der Weise geschehen, daß man die Gebilde gegen
ein Form und Glanz verleihendes Werkzeug anschmiegt oder zwischen solchen Werkzeugen
lagert. Dabei wird, wie oben bereits angedeutet, die Anwendung verdünnter Bindemittellösungen
ein spezifisch leichteres Gewicht erzielen lassen, ohne daß dadurch der Glanz der
Oberfläche beeinträchtigt würde. Auch sonst sind -- wie oben bereits angedeutetdie
erfindungsgemäß ausgebildeten Leichtbaustoffteile gerade für den Flugzeugbau besonders
geeignet und bieten für denselben eine Reihe neuer Konstruktionsmöglichkeiten, wozu
über das Obengesagte hinaus noch folgendes erwähnt sei.
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Es hat sich gezeigt, daß bei wachsender Geschwindigkeit der Luftfahrzeuge
nicht nur die Starre und die Festigkeit des Flugzeuges als solches, sondern vor
allem die Beulsteifigkeit der Oberfläche und deren exakte Formung nach mathematisch
errechneten Profilen von entscheidenster Bedeutung ist. Die exakte Formgebung und
Beulsteifigkeit der erfindungsgemäßen Bauelemente ist nun hervorragend und ergibt
zusammen mit deren hoher Zugfestigkeit die Möglichkeit, eine Nurhautbauweise einzuschlagen,
derart, daß die Flügelhaut gleichzeitig ein Tragelement von genügender Formkonstanz
bildet. Da jedoch geringere Dichten der Flügelhaut zur Aufnahme der Zugkräfte ausreichend
sein dürften, kann diese auch durch innere Verbindung mit Versteifungselementen,
wie Auflagen, Röhren, Rippen, Schachteln, Wellprofilen oder anderen Abstützungselementen
versehen werden. Hierbei spielt die Möglichkeit der unmittelbaren Verbindung, Verkittung
oder Verklebung ohne Anwendung von Druck eine entscheidende Rolle und ergibt die
Möglichkeit einer schnellen Massenfabrikation. Dabei können die Auflagen, Rippen
oder anderen Abstützungselemente aus artgleichen oder artfremden Werkstoffen bestehen.
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Zur Erzielung der nötigen Starre und Beulfestigkeit einer ausreichend
zugkräftigen Flügelhaut kann diese aber auch durch leichtere Stützstoffe aller Art
abgestützt werden. Diese können aus imprägnierter Glaswolle, imprägniertem Papier
oder Pappekörpern, Schaumkörpern oder Kunsthölzern aller Art bestehen. Hierbei kann
beispielsweise so vorgegangen werden, daß zunächst die Stützkörper hergestellt und
mit dem Glasseidegespinst überkleidet werden und dieses dann überklebt oder mit
ganzen Glasseidegespinststrümpfen iiberzogen wird, wobei es freisteht, die Imprägnierung
an einem beliebigen Punkt des Herstellungsvorganges vorzunehmen.