EP3212385A1 - Verbundkonstruktion für eine erhöhte lebensdauer - Google Patents

Verbundkonstruktion für eine erhöhte lebensdauer

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Publication number
EP3212385A1
EP3212385A1 EP15787971.9A EP15787971A EP3212385A1 EP 3212385 A1 EP3212385 A1 EP 3212385A1 EP 15787971 A EP15787971 A EP 15787971A EP 3212385 A1 EP3212385 A1 EP 3212385A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
spacers
outer layers
composite
composite construction
composite structure
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP15787971.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Gregor Christian Endres
Hans-Jürgen WEBER
Klaus Schoote
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Airbus Operations GmbH
Original Assignee
Airbus Operations GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Airbus Operations GmbH filed Critical Airbus Operations GmbH
Publication of EP3212385A1 publication Critical patent/EP3212385A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T50/00—Aeronautics or air transport
    • Y02T50/40—Weight reduction

Definitions

  • the invention relates to a sandwich construction composite structure and a method for their preparation.
  • composite structures are considered, which can be used as floor panels in aircraft.
  • floor panels in modern day civilian wide-body aircraft are core composite structures based on honeycomb structures (phenol-coated aramid paper). These honeycombs are provided on both sides with thin cover layers of glass and / or carbon fibers.
  • honeycomb structures phenol-coated aramid paper
  • areas of local load introduction and / or edge areas of the floor panels are optimized by prepreg blocks / core filler masses.
  • the fillers are highly filled epoxy resins. These are pressed into the open honeycomb cells and then cured together with the cover layers. Although this procedure can be implemented locally additional reinforcement, but it also creates additional steps and a not inconsiderable extra weight.
  • Connection points are realized by inserts made of metal / composite (torlon) or also by glass insert or prepreg plugs (so-called glass plugs).
  • the first (inserts) are glued in after completion of the bond and are optionally provided with threads.
  • the latter prepreg plugs are cut from hardened fiber composite laminate and placed in the honeycomb and / or glued before the cover layer application. After completion of the composite, a hole can be made in the inserts.
  • honeycomb density must be selected in the honeycomb selection, which is the required one in both the x- and y-direction as well as in the z-direction mechanical properties are sufficient. It can therefore be assumed that the honeycomb to be processed represents a compromise between mechanical properties and optimum weight.
  • the glued-in inserts in particular prepreg plugs and / or pads / are for reasons already described with the covering skins preferably connected via a prepreg resin. Over the period of use it can come in this area for cover skin detachment, which is synonymous with the fact that the connection of the floor panels is no longer sufficiently given to the floor grate, which may result in a reduced load capacity.
  • a composite construction in particular a sandwich-type composite panel, preferably comprises two outer layers lying parallel to one another.
  • a foam completely fills the space between the outer layers, at least in some areas.
  • the outer layers are interconnected by spacers and the spacers are connected via a cured plastic to the outer layers.
  • the honeycomb intermediate layers can be replaced.
  • adhesive lines of the honeycomb on the outer layers each consist of individual adhesive dots. As a result, crack propagation, which often occurs in glue lines, is avoided.
  • the foam is preferably a hard closed cell foam
  • ambient (oxygen, moisture) conditions are reduced to a reduced extent, and preferably local, to the composite construction interior and corresponding oxidation and aging problems are avoided.
  • By a different accumulation of the spacer elements and their targeted alignments it is possible to achieve different strengths and stiffness in some areas. So there can be saved material and weight, where the loads are lower.
  • the spacers are preferably rod-shaped in the area between the outer layers. This does not exclude that the spacers adjacent to the outer layers include bends or bends. But in the intermediate area, they are preferably straight because they can absorb tensile or compressive forces so well.
  • a rod is understood in particular as an element of preferably constant cross-section. In particular, the ratio of the largest diameter to the smallest diameter is smaller than 2.
  • the spacers may be round or square. A possible kinking is delayed by the surrounding foam.
  • the spacers in the area between the outer layers are largely straight or unbent. So both tensile and compressive forces are well received.
  • the individual spacers are aligned according to a predetermined rule.
  • a positioning device can be given a desired distance.
  • the spacers are thus not randomly distributed and / or aligned. This makes it possible, on the one hand, to effect a locally varied strength and / or rigidity on the one hand, depending on the loads due to a larger spacer density, and / or, on the other hand, to effect a locally targeted alignment of the strength and / or rigidity by local alignment of the spacers.
  • the outer layers are at least partially penetrated by the spacers.
  • the spacers may at least partially have pointed ends. In particular at least 20%, preferably at least 50% and most preferably virtually all spacers have pointed ends.
  • the tip can be achieved by making the cut to cut the spacer to an angle of 60 ° - 85 ° degrees to the cross section of the spacer. This has the following advantages: both the outer layer, as well as the foam can be drilled so better without a buckling of the spacer occurs. In cases where the spacer applies (as described below) to the inside of the outer layers, this is facilitated by the increased with the decreasing cross-section flexibility.
  • the density of the spacers is at least partially greater than 3 spacers per square centimeter and in particular greater than 10 spacers per square centimeter. This ensures sufficient stability.
  • the density of the spacers may be greater than in portions of the composite structure removed therefrom.
  • the density increase in said attachment area or at the edge is preferably at least 50% compared to the remaining distribution density.
  • At least 50%, preferably at least 80%, of the spacers are oriented in such a way between the outer layers that their angular deviations from the outer layer orthogonal are greater than 15 °, these regions preferably being of the sections of the composite construction which serve for their attachment, are removed.
  • no spacer in the intermediate region is also aligned only in regions parallel to the plane of the outer layers. Virtually all spacers are preferably in contact with both outer layers.
  • the spacers are each aligned in one of these orientations.
  • This is advantageous for feeding the composite plate with the spacers.
  • one or more alignments can be simply specified in a processing machine.
  • this arrangement simplifies determination of strength in all orientations.
  • the composite construction comprises an outer layer spacing bridging insert part or a comparable filler, wherein at least one of the spacers at least partially penetrates the insert part or the filling substance.
  • a suitable filling substance is any substance which, after a filling or curing process that may have been carried out, is suitable for absorbing pressure forces. By the penetration, the connection of the insert part with the outer layers can be improved, since the spacers are in turn connected to the outer layers.
  • an intermediate product comprising two outer layers and an intermediate foamed layer is first prepared, and spacers are introduced into the region located between the outer layers by penetrating at least one of the outer layers, and then an outer layer or the spacers hardened or introduced there plastic hardened.
  • a plurality of spacers are largely incorporated in a foamed layer, and a sandwich assembly is created by using outer layers, and the spacers are pressed into the outer layers from the inside or the spacers attach to an inner side of the outer layers Subsequently, a plastic hardens and the spacers are connected to the outer layers.
  • dry fibers can be used to form the outer layers and / or the spacers. These are added after the formation of the composite construction with an infusion process with the resin and cured.
  • prepreg fibers can be used, which are already mixed with resin, over hardening retarder prevents the resin from premature curing.
  • combined methods are possible in which on one side of a composite construction, a dry outer layer, ie a layer which is not initially provided with resin, is used and on the other side a prepreg fiber board is used to form the outer layer.
  • At least one outer layer preferably both outer layers of the fiber composite construction are prepreg layers or uncured resin fibers or fiber layers which are cured together with the spacers (20-25).
  • a fiber strand or fiber thread suitable for a sewing process or a dry reinforcement process may be provided by a foamed layer or by a foamed layer Layer and at least one outer layer can be pressed or pulled and subsequently the fiber strand or fiber thread can be mixed with resin and cured. This particularly describes a dry sewing method.
  • 1 is a perspective view of a corner of a composite panel
  • FIG. 3 is a view of the intermediate stage of FIG. 2,
  • FIG. 4 shows the composite panel of FIG. 1 in section A-A
  • Fig. 6 shows a variant of the composite plate with a sewing technique
  • Fig. 7 is a schematic view for explaining an insert part
  • the composite panel of Figure 1 comprises a sandwich construction having two outer layers 10 and a layer 30 of foam 35 therebetween.
  • the outer layers 10, also referred to as cover skin, have a high fiber content which is bonded to a mat via a synthetic resin are. They are in particular outer layers with a regular fiber arrangement, such as a fabric. It is also an irregular fiber arrangement, such as a nonwoven, possible.
  • a plurality of spacers is integrated in addition to the foam 35, the latter being not visible in FIG. 1.
  • the spacers are connected to the outer layers 10 with synthetic resin. This results in a sandwich construction, which also has a high strength regardless of the intermediate foam layer.
  • the section AA of FIG. 1 is shown in FIG. 4.
  • the x-axis lies in the cut and there is a 45 ° angle between the cutting plane and the xy plane.
  • the spacers 20 and 22 shown in Fig. 4 are inclined in the composite plate 1.
  • the composite plate 1 a plurality of spacers 20, 22, 23, so that also on each section in the x-axis at an angle from -45 ° to the xy plane, as well as positive and negative 45 ° alignment with the yz plane going through the y axis, similar sectional images are possible.
  • other arrangements of the spacers are possible, wherein the angular orientation may differ and the individual spacers also need not lie in individual planes.
  • the spacers are placed according to a predetermined pattern.
  • each individual spacer is assigned by the processing machine a certain orientation at a particular location. Also, a quasi randomly determined by the processing machine alignment of the spacers can be determined.
  • a plurality of the spacers penetrate the outer layers completely (reference numeral 20) or partially (reference numeral 22).
  • Other spacers 23 abut flat against at least one of the inwardly facing sides of the outer layers 10.
  • Fig. 2 shows a view corresponding to Fig. 4, but in which the upper outer layer is not shown.
  • the foam layer 35 is shown, and a plurality of the spacers 20 protrude upward from the foam layer 35.
  • the spacers 20 have a multiplicity of different angular orientations.
  • the construction of the composite panel according to FIG. 4 can be produced in different ways.
  • the inner foam layer 35 is foamed or provided as a semifinished product and underneath an optional lower outer layer 10 is placed. Subsequently, a plurality of spacers 20 is pressed or injected into the foam in an automatic process. This creates the intermediate stage shown in FIG. Although the spacers are accommodated in the foam 35 in this intermediate stage, they have not penetrated into the lower outer layer 10 yet.
  • the second outer layer is placed from above and pressed with the intermediate stage so that the second outer layer comes into contact with the foam 35.
  • a part of the spacers presses in the upper outer layer and another part in the lower outer layer, so that the structure shown in Fig. 4 results.
  • an intermediate stage may also be provided, with a foam layer from which the spacers protrude on both sides, and an outer layer is subsequently applied from both sides.
  • FIG. 5 shows an image of a spacer 20 which is in contact with both outer layers 10.
  • the spacer 20 does not drill through the outer layers 10, but adheres to the inner contour of the outer layers between the foam 35 and the outer layers 10 at.
  • a further spacer 20 is shown, which is at an approximately 90 ° angle to the first-mentioned spacer and pierces the image plane.
  • the sandwich construction with the foam 35 and the two outer layers 10 may first be made without the connecting spacers 20.
  • the spacers 20 are introduced by the material of one of the outer layers 10 in the sandwich construction so that the individual spacers are in contact with both outer layers 10. Unless the spacers 10 are sufficiently guided during insertion by a guide element, they have a sufficient strength and bending stiffness that the insertion takes place without upsetting or kinking.
  • FIG. 6 shows a further variant in which a sewing method is used.
  • the spacer 20 has a yarn-like flexibility so that it can be passed through the sandwich pack with a needle (not shown). At the bottom it is interwoven with a bobbin thread 28, so that the loops shown result in the needle retraction.
  • double-stitched or double-chain stitches or modified knotting techniques can be used as sewing methods.
  • Fig. 8 shows a sewing process in an intermediate stage in which loops are formed on one side of the composite structure. This method is also called tufting.
  • a processing step not shown, but indicated by the arrows, the loops are folded over and thus form part of the composite construction outside. Since sufficient rigidity of the spacers 20 results upon curing, it is not absolutely necessary to use a conventional sewing method, as e.g. in Fig. 9 is shown.
  • a unilateral thread is used, which is guided on one side of the composite structure and guided on the opposite side like a loop to the opening of the adjacent loop and sewn there.
  • an optional insert part 40 is shown. This has a central bore 42 which passes through the entire composite panel 1.
  • the hole is chamfered on one side and serves to secure the composite panel, for example with a screw connection. Since high compression forces occur on the outer side of the composite panel in the case of a screw connection, a special pressure rigidity is necessary here. This is made possible by the insert part 40.
  • the insert part initially consists of a stack of a plurality of layers of glass fiber fabric, such as more than 20 layers. Preferably, these layers are dry, so not interspersed with resin and become only in the steps explained below the wetting and curing to a hard insert part, which can absorb the forces mentioned. Since preferably no resin is still present in the insert part.
  • the insert part can be penetrated by the spacers without much resistance. Since the stack does not have any particular hardness prior to use of the plastic, it is possible for the spacers to penetrate through the stack of glass fiber layers. Furthermore, it can be seen in FIG. 7 that the density of the spacers in the surroundings of the insert part is increased. This also allows targeted forces are absorbed, resulting in the attachment of the composite panel. If, in addition to the layers of the insert part, the covering skins, ie the outer layers, are also penetrated, then in addition the bond strength of the overall composite in this region is increased.
  • the attachment area of the composite panel 1 it is not necessary for the attachment area of the composite panel 1 to use a separate insert part.
  • the density of the spacers can be increased there such that the fastening forces can be well absorbed.
  • the spacers can be made in each of the above-mentioned embodiments via rowing.
  • Rowing is a fiber package with a multitude of individual fibers. In a carbon fiber winding, for example, 1000 or more individual fibers (filaments) can be used.
  • the diameter of the spacers can vary greatly depending on the conditions of use. Preferably spacers in a diameter range of 0.5 mm 2 to 3 mm 2 are used. For applications where stitching is used, the smaller cross sections are preferred. If the spacers are inserted through one of the outer layers, that the inherent rigidity of the spacers is essential, then the larger cross sections are used rather.
  • bistable fibers or fiber bundles can be used. These are resin-impregnated fibers that have been partially cured in an upstream process step. By partial hardening they have at least largely lost their stickiness. The curing temperature conditions liquefy the resin of the bistag material, resulting in good adhesion. Wet fibers are also referred to as prepregs. In this case, the spacers, so in particular the Rowings, already impregnated with resin, or impregnated. About Christsverzogerer prevents the crosslinking reaction starts prematurely. Rather, it can be started by the production of the component, in particular by a supply of heat.
  • the dry fibers are not mixed with the resin in this sense. Instead, they are mixed with the resin after preparation of the composite panel described above and then cured. Combined methods are also possible, using dry fibers on one side and prepregs on the other side of the composite board. The latter may be particularly advantageous if a lower resin impregnation is sufficient on a side of the composite panel coming in for installation and, for example, a sewing process with dry fibers can be performed better and a higher resin impregnation strength properties for the side of the composite panel used for external application improved.
  • pultrusion infusion is also conceivable here because of the large number of components required.
  • the pultrusion process is a continuous process of material production in which a spacer sandwich construction is first created as described above. Subsequently, it is provided in a closed space, which it passes through, for example, under vacuum with the synthetic resin, which is subsequently heated, for example, under vacuum and cured. During the curing process, presses or rollers ensure that the composite panel produced in this way is dimensionally stable, in particular in terms of thickness.
  • the foam 35 is a defined, low, fine and / or closed-cell foam, preferably with a homogeneous density.
  • polyurethane foams are suitable because they have a high hardness.
  • PVC polyvinyl chloride
  • PP polypropylene
  • PET polyethylene terephthalate
  • PBT polybutylene terephthalate
  • PS polystyrene
  • EPS expanded polystyrene
  • XPS crosslinked polystyrene
  • a closed cell foam is used to prevent the foam from filling up with the resin, which in addition to the cost of materials, also increases component weight.
  • the foam preferably has a strength to accommodate between 10 and 50% of the compressive loads exerted on the composite structure.
  • Tensile loads ie forces that would cause the separation of the composite structure, and shear forces (in the xy plane of FIG. 1) are preferably absorbed by the spacers.
  • the resin epoxy resin or a vinyl ester-based resin or the like may be preferably used.
  • the thickness of the composite panel may be, for example, 10 mm.
  • the thickness of the outer layers is shown schematically in the figures and in particular exaggerated.
  • the outer layers can be less than 1 mm thick (for example 0.5 mm) and / or, for example, have a weight of 200 g / m 2 .
  • the fibrous material of the outer sizing may comprise the same fibers as the spacers.
  • packages of carbon fibers, glass fibers, aramid fiber or the like can be used.
  • these fibers have sufficient flexibility that they can be bent, as is necessary when sewing. If the fibers (as described) are put through the foam, sufficient stability is advantageous.
  • partially cured or cured fiber rods or pins made of metal or the like can be used. The latter is v.a. then advantageous if the spacers are to be introduced after the creation of the sandwich construction. If stick-like spacers are inserted through the foam, they can also be cut to length so that they look a short distance out of the foam (depending on the application on one or both sides). Then they can be folded over or bent over in a separate working step so that a contact surface enlargement is effected for the subsequent contact with the outer layers.
  • the foam as a carrier has several advantages. Since the cells are very small compared to the known from the prior art honeycomb structures and also closed, the edge is already sealed against penetrating moisture. Apart from a possibly provided increase in the spacer density no special insert or other treatment is needed on the edge.
  • Pin armored structures have been shown to have excellent damage tolerance. Once introduced damages are absolutely limited in space and do not increase further by the crack-stopping effect of the intact pins.
  • a honeycomb structure bonded to the outer panels was used. If these bonds are partially cracked, the crack could continue due to the voltage peaks at the crack end.
  • Spacers which are also referred to as pins, however, are to be regarded as singular elements. As a result, they can be distributed freely in the area and individually oriented. So there is the possibility through targeted distribution and orientation of the spacers to shape according to the requirements. This is a very efficient way to design load injections, edge enhancements, etc.
  • the foam can serve as thermal and acoustic insulation, ideally replacing additional elements.
  • foams reinforced in this way are an interesting alternative to existing honeycomb constructions.
  • this material category offers great potential. Force transmission, edge reinforcements, etc. can be easily designed. Due to its very good impact behavior, the risk of growing damage surfaces is minimized. An optimized cover layer connection additionally reduces the range of occurring damages. Foams reinforced according to the invention thus offer a considerable potential for prolonged component life.
  • future demands on the composite panels e.g. from the anchoring of additional elements (e.g., kitchen, toilets, ).
  • composite structures have been described in relation to their use as floor panels in aircraft.
  • there are also many areas of application for the composite structures in applications where a high load-bearing capacity and a low weight are required.
  • These can be walls in aircraft use, as well as ceiling elements.
  • the use in trains and ships is particularly advantageous.
  • the plates need not be flat, but may be curved or bent.
  • the thickness of the composite structure does not have to be constant, so that three-dimensional structures with stable outer sides can result, which in each case receive an increased resistance to various loads via spacers.

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Abstract

Eine sandwichartig aufgebaute Verbundplatte (1) mit zwei gegenüberliegenden Außenschichten (10) und einer dazwischen liegenden Schaumstoffschicht (35), bei der die Außenschichten (10) über Abstandhalter (20) miteinander verbunden sind und die Abstandhalter (20) über einen ausgehärteten Kunststoff mit den Außenschichten (10) verbunden sind.

Description

Verbundkonstruktion für eine erhöhte Lebensdauer
Die Erfindung betrifft eine sandwichartig aufgebaute Verbundkonstruktion und ein Verfahren zu deren Herstellung.
Insbesondere werden Verbundkonstruktionen betrachtet, die als Fußbodenplatten im Flugzeugbau zum Einsatz kommen können. So sind Fußbodenplatten in heutigen modernen, zivilen Großraumflugzeugen Kernverbund-konstruktionen auf Basis von Wabenstrukturen (Phenolbeschichtetes Aramidpapier). Diese Waben werden beidseitig mit dünnen Decklagen aus Glas- und/oder Kohlenstofffasern versehen. Für eine gewichtseffiziente Bauweise werden Bereiche lokaler Lasteinleitung und/oder Randbereiche der Fußbodenplatten durch Prepregklötze /Kernfüllmassen optimiert. Bei den Füllmassen handelt es sich um hochgefüllte Epoxydharze. Diese werden in die offenen Wabenzellen eingepresst und anschließend mit gemeinsam mit den Decklagen ausgehärtet. Durch diese Vorgehensweise kann zwar lokal eine zusätzliche Verstärkung realisiert werden, es entstehen dadurch aber auch zusätzliche Arbeitsschritte und ein nicht zu vernachlässigendes Mehrgewicht. Anbindungspunkte (Bodenplatte Fb-Rost)werden durch Inserts aus Me- tall/Composite(torlon) oder auch durch Glaseinlageteil oder Prepregstopfen (sogenannte Glasplugs) realisiert. Erstere(lnserts) werde nach Fertigstellung des Verbundes eingeklebt und sind optional mit Gewinden versehen. Letztere(Prepregstopfen) werden aus gehärtetem Faserverbundlaminat geschnitten und vor der Decklagenapplikation in die Wabe eingelegt und/oder eingeklebt. Nach dem Fertigstellen des Verbunds kann eine Bohrung in den Einlageteile eingebracht werden.
Insofern nicht zusätzlich verschiedene Wabengrades (Variation von Dichte, Zellweite und Papier) zu einem Gesamtstück (splice) verklebt werden, ist bei der Wabenauswahl eine Wabendichte zu wählen, der sowohl in x- als auch in y-Richtung sowie in z-Richtung den geforderten mechanischen Eigenschaften genügen. Es ist also davon auszugehen, dass die zu verarbeitende Wabe einen Kompromiss aus mechanischen Eigenschaften und Gewichtsoptimum darstellt.
Eine mögliche lokale Schädigung der Platte kann durch weitere dynamische Belastungen wachsen, was auf Dauer zu der Entstehung eines flächigen Schadens führen kann, was gleichbedeutend mit einem allgemeinen Strukturverlust ist. Ist die Fußbodenplatte als Teil der Tragestruktur zu betrachten, trägt sie also zur Stabilität der Gesamtflugzeugstruktur bei, so ist ein solcher Strukturverlust nur bedingt zu tolerieren. Weiterhin ist es für den Komfort der Passagiere nur bedingt zuträglich, da wachsende Schäden zu einem„weichen" Gefühl führen. Solche Platten werden auch als„Spongy panels" bezeichnet. Bei regelmäßigen Checks des Gesamtflugzeugs wird auch der Teppichboden aus dem Passagierbereich entfernt. Dieser ist durch spezielles doppelseitiges Klebeband /oder Dispersionsklebstoff direkt auf die Fußbodenplatten aufgeklebt. Beim Herauslösen des Teppichs wird auch die Anbindung der Deckhaut, also der Außenschicht der Fußbodenplatte, an die Wabe stark belastet. Die auftretenden Zug- oder Schälkräfte können die Anbindung sogar zum Versagen bringen, was einen Strukturverlust in der Platte zur Folge hat. Dieser Effekt wird umso größer, je weniger Harz für die Anbindung zur Verfügung steht.
Fußbodenplatten werden aus Steifigkeits- und Gewichtsgründen zunehmend mit kohlenstofffa- serbasierten Verbunddeckhäuten versehen. Die aus Kosten- und Gewichtsgründen geforderte Harzreduktion führt zur Bildung von Decklagenporositäten. Unterstützend wirkt hier zusätzlich, dass beim Pressen der Platten nur die Wabenstege und die darauf lokalisierten Decklagenbereiche den vollen Pressendruck„sehen". Im Bereich der Zellen wirken nur reduzierte Drücke auf die Deckhäute. Mit der Kondensfeuchte die im Kabinenraum entsteht, kann sich eine galvanische Brücke zwischen den C-Fasern und dem AL-Grit der Fußbodenstruktur(Sitzschienen) bilden. Korrodierende Fußbodenträger haben nur eine reduzierte Lasttragfähigkeit.
Die eingeklebten Einlageteile, wie insbesondere Prepregstopfen und/oder -klotze / sind aus bereits geschilderten Gründen mit den Deckhäuten bevorzugt über ein Prepregharz verbunden. Über die Einsatzdauer kann es in diesem Bereich zur Deckhautablösung kommen, was gleichbedeutend mit der Tatsache ist, dass die Anbindung der Fußbodenplatten an das Fußbodenrost nicht mehr ausreichend gegeben ist, wodurch sich eine reduzierte Tragfähigkeit ergeben kann.
Aufgrund des Fortbestehens der Anforderung der Gewichtsoptimierung werden zudem Deckhäute auf den Waben gefordert, die dünner sind. Ein ehemals verwendeter Klebefilm zur Verbindung zwischen Waben und Deckhäuten wurde aus Gewichtsgründen durch einen erhöhten Harzanteil im Prepreg ersetzt. Die ungehärteten Häute werden in einer Presse mit der Kernstruktur verklebt.
Es ist die Aufgabe der Erfindung eine verbesserte Verbundkonstruktion bereitzustellen, die bei einem geringen Gewicht eine hohe Festigkeit und Steifigkeit aufweist und bei der eine hohe Lebensdauer gegeben ist.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und den entsprechenden Verfahren gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen. Eine Verbundkonstruktion, wie insbesondere eine sandwichartig aufgebaute Verbundplatte um- fasst bevorzugt zwei parallel gegenüber liegenden Außenschichten. Dabei füllt ein Schaumstoff den Abstand zwischen den Außenschichten zumindest bereichsweise komplett. Die Außenschichten sind über Abstandhalter miteinander verbunden und die Abstandhalter sind über einen ausgehärteten Kunststoff mit den Außenschichten verbunden. Hierdurch können die wabenartigen Zwischenschichten ersetzt werden. Anstelle von Klebelinien der Waben an den Außenschichten bestehen jeweils einzelne Klebepunkte. Hierdurch wird ein Rissfortschritt, der bei Klebelinien häufig auftritt, vermieden. Da der Schaumstoff bevorzugt ein harter geschlossenporiger Schaum ist, geraten Umgebungsbedingungen (Sauerstoff, Feuchtigkeit) in reduziertem Ausmaß und bevorzugt lokal begrenzt in das Verbundkonstruktionsinnere und entsprechende Oxidations- und Alterungsproblematiken werden vermieden. Durch eine unterschiedliche Häufung der Abstandselemente und deren gezielte Ausrichtungen ist es möglich, bereichsweise unterschiedliche Festigkeiten und Steifigkeit zu erzielen. So kann dort Material und Gewicht eingespart werden, wo die Belastungen niedriger sind.
Die Abstandhalter sind bevorzugt in dem Bereich zwischen den Außenschichten stabförmig. Dies schließt nicht aus, dass die Abstandhalter benachbart zu den Außenschichten Abwinklungen oder Biegungen umfassen. Aber in dem Zwischenbereich sind sie bevorzugt gerade, da sie so gut Zug- oder Druckkräfte aufnehmen können. Ein Stab wird insbesondere als ein Element von bevorzugt konstantem Querschnitt verstanden. Insbesondere ist das Verhältnis des größten Durchmessers zu dem kleinsten Durchmesser kleiner als 2. Die Abstandhalter können rund oder eckig sein. Ein mögliches Knicken wird durch den sie umgebenden Schaum verzögert. Vorteilhafter Weise sind die Abstandhalter in dem Bereich zwischen den Außenschichten weitgehend gerade bzw. ungebogen. So werden sowohl Zug- wie Druckkräfte gut aufgenommen.
Bevorzugter Weise sind die einzelnen Abstandhalter nach einer vorgegebenen Regel ausgerichtet. So kann einem Positionierungsautomaten ein gewünschter Abstand vorgegeben werden. Bevorzugter Weise sind die Abstandhalter also nicht zufällig verteilt und/oder ausgerichtet. Hierdurch ist es möglich, einerseits abhängig von den Belastungen durch eine größere Abstandhalterdichte eine lokal variierte Festigkeit und/oder Steifigkeit zu bewirken und/oder anderseits durch eine lokale Ausrichtung der Abstandhalter eine lokal gezielte Ausrichtung der Festigkeit und/oder Steifigkeit zu bewirken.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Außenschichten zumindest teilweise von den Abstandhaltern durchdrungen. So wird eine gute Verbindung von den Außenschichten zu den Abstandhaltern erreicht. Alternativ oder zusätzlich können die Abstandhalter zumindest teilweise spitze Enden aufweisen. Insbesondere zumindest 20%, bevorzugt mindestens 50% und höchst bevorzugt praktisch alle Abstandhalter weisen spitze Enden auf. Die Spitze kann dadurch erreicht werden, dass der Schnitt zum Ablängen des Abstandhalters in einem Winkel von 60° - 85° Grad zum Querschnitt des Abstandhalters durchgeführt wird. Dieses ergibt folgende Vorteile: Sowohl die Außenschicht, wie auch der Schaum kann so besser durchbohrt werden, ohne dass ein Knicken des Abstandhalters auftritt. In den Fällen, wo der Abstandhalter sich (wie nachfolgend beschrieben) an die Innenseite der Außenschichten anlegt, wird dies durch die mit dem abnehmenden Querschnitt erhöhte Flexibilität erleichtert.
Bevorzugt ist die Dichte der Abstandhalter zumindest bereichsweise größer als 3 Abstandhalter pro Quadratzentimeter und insbesondere größer als 10 Abstandhalter pro Quadratzentimeter. So wird für eine ausreichende Stabilität gesorgt.
Auch kann in einem Abschnitt der Verbundkonstruktion, der insbesondere zu ihrer Befestigung dient oder der am Rand der Verbundkonstruktion liegt, die Dichte der Abstandhalter größer sein, als in davon entfernten Abschnitten der Verbundkonstruktion. Die Dichteerhöhung im genannten Befestigungsbereich oder am Rand beträgt bevorzugt mindestens 50% gegenüber der restlichen Verteilungsdichte.
Insbesondere sind bereichsweise zumindest 50%, bevorzugt mindestens 80%, der Abstandhalter derartig zwischen den Außenschichten ausgerichtet sind, dass ihre Winkelabweichungen zur Au- ßenschichtenorthogonalen größer als 15° sind, wobei diese Bereiche bevorzugt von den Abschnitten der Verbundkonstruktion, die zu deren Befestigung dienen, entfernt sind. Bevorzugt ist kein Abstandhalter im Zwischenbereich auch nur bereichsweise parallel zu der Ebene der Außenschichten ausgerichtet. Praktisch alle Abstandhalter sind bevorzugt in Kontakt mit beiden Außenschichten.
Vorteilhafter Weise ist für die Abstandhalter eine begrenzte Anzahl von bevorzugten Ausrichtungen definiert, und die Abstandhalter sind jeweils in einer dieser Ausrichtungen ausgerichtet sind. Dies ist vorteilhaft für die Beschickung der Verbundplatte mit den Abstandhaltern. So kann in einer Bearbeitungsmaschine einfach jeweils eine oder mehrere Ausrichtungen vorgegeben werden. Auch vereinfacht diese Anordnung die Bestimmung der Festigkeit in sämtlichen Ausrichtungen. Auch ist es vorteilhaft, wenn zumindest an einem Abschnitt der Verbundkonstruktion, der zu ihrer Befestigung dient, die Verbundkonstruktion ein den Außenschichtenabstand überbrückendes Einlageteil oder eine vergleichbare Füllsubstanz umfasst, wobei zumindest einer der Abstandhalter das Einlageteil oder die Füllsubstanz zumindest teilweise durchdringt. Eine geeignete Füllsubstanz ist jede Substanz, die nach einem ggf. vorgenommenen Füll- oder Aushärteprozess, geeignet ist, Druckkräfte aufzunehmen. Durch die Durchdringung kann die Verbindung von dem Einlageteil mit den Außenschichten verbessert werden, da die Abstandhalter ihrerseits mit den Außenschichten verbunden sind.
In einem entsprechenden Verfahren zur Herstellung einer Verbundkonstruktion wird zunächst ein zwei Außenschichten und eine dazwischen liegende geschäumte Schicht aufweisendes Zwischenprodukt hergestellt und durch eine Durchdringung zumindest einer der Außenschichten werden Abstandhalter in den zwischen den Außenschichten befindlichen Bereich eingebracht und anschließend wird ein in den Außenschichten oder den Abstandhaltern befindlicher oder dort eingebrachter Kunststoff ausgehärtet. Alternativ wird in einem Verfahren zur Herstellung einer Verbundkonstruktion eine Mehrzahl Abstandhalter großteils in eine geschäumte Schicht eingebracht, und durch Verwendung von Außenschichten eine Sandwichbaugruppe geschaffen wird und die Abstandhalter werden von innen in die Außenschichten gedrückt oder die Abstandhalter lagern sich an eine Innenseite der Außenschichten an und nachfolgend härtet ein Kunststoff aus und die Abstandhalter werden so mit den Außenschichten verbunden.
Bei den vorgenannten Verfahren können trockene Fasern zur Bildung der Außenschichten und/oder der Abstandhalter verwendet werden. Diese werden nach Bildung der Verbundkonstruktion mit einem Infusionsverfahren mit dem Harz versetzt und ausgehärtet. Alternativ können zur Bildung der Außenschichten, wie auch der Abstandhalter, Prepreg-Fasern verwendet werden, die bereits mit Harz versetzt sind, wobei über Aushärteverzögerer verhindert wird, dass das Harz vorzeitig aushärtet. Ferner sind kombinierte Verfahren möglich, bei denen auf der einen Seite einer Verbundkonstruktion eine trockene Außenschicht, also eine Schicht, die zunächst nicht mit Harz versehen ist, verwendet wird und auf der anderen Seite eine Prepreg-Faserplatte zur Bildung der Außenschicht zum Einsatz kommt. Zumindest eine Außenschicht bevorzugt beide Außenschichten der Faserverbundkonstruktion sind Prepreg-Schichten oder mit nicht ausgehärtetem Harz versehene Fasern oder Faserschichten, die gemeinsam mit den Abstandhaltern (20-25) ausgehärtet werden.
Insbesondere kann ein für ein Nähverfahren oder einen trockenen Armierungsprozess geeigneter Faserstrang oder Faserfaden durch eine geschäumte Schicht oder durch eine geschäumte Schicht und zumindest eine äußere Schicht gedrückt oder gezogen werden und nachfolgend kann der Faserstrang oder Faserfaden mit Harz versetzt und ausgehärtet werden. Dies beschreibt insbesondere ein trockenes Nähverfahren.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von schematischen Darstellungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Ecke einer Verbundplatte,
Fig. 2 ein Zwischenstadium der Herstellung einer Verbundplatte,
Fig. 3 eine Ansicht des Zwischenstadiums gemäß Fig. 2,
Fig. 4 die Verbundplatte der Fig. 1 im Schnitt A-A,
Fig. 5 ein Foto eines Schnittes durch die Verbundplatte,
Fig. 6 eine Variante der Verbundplatte mit einer Nähtechnik
Fig. 7 eine schematische Ansicht zur Erläuterung eines Einlageteils und
Fig. 8 und 9 zwei unterschiedliche Verfahren der Schlaufenbildung bzw. des Nähens.
Die Verbundplatte gemäß Fig. 1 umfasst einen Sandwich-Aufbau mit zwei Außenschichten 10 und dazwischen eine Schicht 30 aus einem Schaumstoff 35. Die Außenschichten 10, die auch als Deckhaut bezeichnet werden, weisen ein hohen Faseranteil auf, die über einen Kunstharz zu einer Matte verbunden sind. Es sind insbesondere Außenschichten mit einer regelmäßigen Faseranordnung, wie etwa ein Gewebe. Es ist auch eine unregelmäßige Faseranordnung, wie etwa ein Vlies, möglich. In dem Zwischenraum 30 beider Außenschichten 10 ist neben dem Schaumstoff 35 auch eine Vielzahl von Abstandhaltern integriert, wobei letztere gemäß Fig. 1 nicht sichtbar sind. Die Abstandhalter sind mit Kunstharz mit den Außenschichten 10 verbunden. Hierdurch ergibt sich eine Sandwich-Konstruktion, die auch unabhängig von der dazwischen liegenden Schaumstoffschicht eine hohe Festigkeit aufweist.
Der Schnitt A-A der Fig. 1 ist in Fig. 4 gezeigt. Die x-Achse liegt in dem Schnitt und dabei besteht ein 45° Winkel zwischen der Schnittebene und der x-y-Ebene. In diesem Sinne liegen die in Fig. 4 gezeigten Abstandhalter 20 und 22 schräg in der Verbundplatte 1. Bevorzugt weist die Verbundplatte 1 eine Vielzahl von Abstandhaltern 20, 22, 23 auf, so dass auch über jeweils Schnitte in der x-Achse in einem Winkel von -45° zur x-y-Ebene, sowie positive und negative 45° Ausrichtung zu der y-z-Ebene, die durch die y-Achse gehen, ähnliche Schnittbilder möglich sind. Bei alternativen Ausführungsformen sind andere Anordnungen der Abstandhalter möglich, wobei die winkelmäßige Ausrichtung abweichen kann und die einzelnen Abstandhalter auch nicht in einzelnen Ebenen liegen müssen. Bevorzugt werden die Abstandhalter nach einem vorgegebenen Muster platziert. Bevorzugt wird jedem einzelnen Abstandhalter von der Verarbeitungsmaschine eine bestimmte Ausrichtung an einem bestimmten Ort zugeordnet. Auch kann eine von der Verarbeitungsmaschine quasi zufällig bestimmte Ausrichtung der Abstandhalter bestimmt werden.
Eine Mehrzahl der Abstandhalter durchdringt die Außenschichten komplett (Bezugszeichen 20) oder teilweise (Bezugszeichen 22). Andere Abstandhalter 23 liegen flach an zumindest einer der nach innen gerichteten Seiten der Außenschichten 10 an.
Fig. 2 zeigt eine Ansicht, die der Fig. 4 entspricht, bei der aber die obere Außenschicht nicht dargestellt ist. Es ist somit die Schaumschicht 35 gezeigt und eine Vielzahl der Abstandhalter 20 ragen aus der Schaumschicht 35 nach oben hinaus. Dabei haben die Abstandhalter 20 eine Vielzahl unterschiedlicher winkelmäßiger Orientierungen.
Der Aufbau der Verbundplatte gemäß Fig. 4 ist auf unterschiedliche Arten herstellbar. In einer ersten Variante wird die innere Schaumschicht 35 aufgeschäumt oder als ein Halbzeug bereitgestellt und darunter wird optional eine untere Außenschicht 10 platziert. Im Anschluss wird in einem automatischen Verfahren eine Vielzahl von Abstandhaltern 20 in den Schaum eingedrückt oder eingeschossen. Dadurch entsteht die Zwischenstufe, die in Fig. 3 gezeigt ist. Bei dieser Zwischenstufe sind die Abstandhalter zwar in dem Schaumstoff 35 aufgenommen, sind aber in die untere Außenschicht 10 noch nicht eingedrungen.
Im nächsten Schritt wird von oben die zweite Außenschicht aufgesetzt und mit der Zwischenstufe so verpresst, dass die zweite Außenschicht in Kontakt mit dem Schaumstoff 35 kommt. Bei diesem Vorgang des Verpressens drückt sich ein Teil der Abstandhalter in die obere Außenschicht und ein weiterer Teil in die untere Außenschicht, so dass sich der in Fig. 4 gezeigte Aufbau ergibt. Alternativ kann auch eine Zwischenstufe geschaffen werden, mit einer Schaumschicht, aus der zu beiden Seiten die Abstandhalter vorstehen und von beiden Seiten wird nachfolgend eine Außenschicht aufgesetzt.
Fig. 5 zeigt ein Bild eines Abstandhalters 20, der mit beiden Außenschichten 10 in Kontakt steht. In diesem Fall bohrt sich der Abstandhalter 20 nicht durch die Außenschichten 10, sondern legt sich an die Innenkontur der Außenschichten zwischen den Schaumstoff 35 und die Außenschichten 10 an. Zudem ist ein weiterer Abstandhalter 20 gezeigt, der in einem ca. 90°-Winkel zu dem erstgenannten Abstandhalter steht und die Bildebene durchstößt. In einer alternativen Art der Herstellung der Verbundplatte 1 kann die Sandwich-Konstruktion mit dem Schaumstoff 35 und den beiden Außenschichten 10 zunächst ohne die verbindenden Abstandhalter 20 hergestellt werden. In einem nachfolgenden Arbeitsschritt werden die Abstandhalter 20 durch das Material einer der Außenschichten 10 in die Sandwich-Konstruktion so eingebracht, dass die einzelnen Abstandhalter jeweils im Kontakt mit beiden Außenschichten 10 stehen. Sofern die Abstandhalter 10 beim Einführen nicht durch ein Führungselement ausreichend geführt werden, weisen sie eine ausreichende Festigkeit und Biegesteifigkeit auf, dass das Hineinstecken ohne ein Stauchen oder Knicken geschieht.
Fig. 6 zeigt eine weitere Variante, bei der ein Nähverfahren zum Einsatz kommt. In diesem Fall weist der Abstandhalter 20 eine garnartige Flexibilität auf, so dass er mit einer Nadel (nicht gezeigt) durch die Sandwichpackung geführt werden kann. An der Unterseite wird er mit einem Unterfaden 28 verwoben, so dass sich bei dem Nadelrückzug die gezeigten Schlaufen ergeben. Als Nähverfahren können insbesondere Doppelsteppstiche oder Doppelkettenstiche oder auch modifizierte Knüpftechniken verwendet werden.
Fig. 8 zeigt ein Nähverfahren in einer Zwischenstufe, bei denen an einer Seite der Verbundkonstruktion Schlaufen gebildet werden. Dieses Verfahren wird auch als Tuften bezeichnet. In einem nicht dargestellten, aber durch die Pfeile angedeuteten Bearbeitungsschritt, werden die Schlaufen umgelegt und bilden so einen Teil der Verbundkonstruktionsaußenseite. Da sich bei der Aushärtung eine ausreichende Steifigkeit der Abstandhalter 20 ergibt, ist es nicht zwingend notwendig, ein herkömmliches Nähverfahren zu verwenden, wie es z.B. in Fig. 9 gezeigt ist.
Bei dem Nähverfahren gemäß Fig. 9 wird mit einem einseitigen Faden gearbeitet, der an der einen Seite der Verbundkonstruktion geführt wird und an der entgegengesetzten Seite schlaufenartig zum Durchbruch der benachbarten Schlaufe geführt und dort vernäht ist.
In Fig. 7 ist ein optionales Einlageteil 40 gezeigt. Dieses hat eine mittige Bohrung 42, die durch die gesamte Verbundplatte 1 geht. Die Bohrung ist einseitig angefast und dient zur Befestigung der Verbundplatte, beispielsweise mit einer Verschraubung. Da bei einer Verschraubung hohe Druckkräfte auf die Außenseite der Verbundplatte auftreten, ist hier eine besondere Drucksteifig- keit notwendig. Diese wird durch das Einlageteil 40 ermöglicht. Das Einlageteil besteht zunächst aus einem Stapel einer Vielzahl von Lagen Glasfasergewebe, wie bspw. mehr als 20 Lagen. Bevorzugt sind diese Lagen trocken, also nicht mit Harz durchsetzt und werden erst in den nachfolgend erläuterten Schritten der Durchnässung und Aushärtung zu einem harten Einlageteil, welches die genannten Kräfte aufnehmen kann. Da in dem Einlageteil bevorzugt noch kein Harz ent- halten ist, oder dort enthaltenes Harz nicht ausgehärtet ist, kann das Einlageteil ohne sonderlichen Widerstand von den Abstandhaltern durchdrungen werden. Da der Stapel vor dem Einsatz des Kunststoffs keine besondere Härte aufweist, ist es möglich, dass die Abstandhalter durch den Stapel der Glasfaserlagen dringen. Ferner ist in Fig. 7 ersichtlich, dass die Dichte der Abstandhalter im Umfeld des Einlageteils erhöht ist. Auch hierdurch können gezielt Kräfte aufgenommen werden, die sich bei der Befestigung der Verbundplatte ergeben. Werden neben den Lagen des Einlageteils auch die Deckhäute, also die Außenschichten, durchdrungen, so wird zusätzlich noch die Anbindungsfestigkeit des Gesamtverbundes in diesem Bereich erhöht.
In einer alternativen Ausführungsform ist es für den Befestigungsbereich der Verbundplatte 1 nicht notwendig, ein gesondertes Einlageteil zu verwenden. Statt dessen kann die Dichte der Abstandhalter dort derart erhöht werden, dass die Befestigungskräfte gut aufgenommen werden können. In diesem Fall ist es vorteilhaft, die Abstandhalter nicht in schrägen Winkeln (wie z.B. im Winkel von 40° bis 80° zur Verbundplattennormalen) einzubauen, sondern senkrecht zu der Verbundplattenebene.
Die Abstandhalter können bei jeder der vorstehend genannten Ausführungsformen über Rowings hergestellt werden. Ein Rowing ist ein Faserpaket mit einer Vielzahl von einzelnen Fasern. Bei einem Kohlefaserrowing können bspw. 1000 oder mehr Einzelfasern (Filamente) verwendet werden. Der Durchmesser der Abstandhalter kann stark von den Einsatzbedingungen variieren. Bevorzugt kommen Abstandhalter in einem Durchmesserbereich von 0,5 mm2 bis 3 mm2 zum Einsatz. Bei den Anwendungen, bei denen vernäht wird, werden bevorzugt die kleineren Querschnitte verwendet. Wenn die Abstandhalter so durch eine der Außenschichten gesteckt werden, dass die Eigensteifigkeit der Abstandhalter wesentlich ist, so kommen eher die größeren Querschnitte zum Einsatz.
Jede der vorstehend aufgeführten Ausführungsformen lässt sich prinzipiell mit feuchten, wie auch trockenen Fasern herstellen. Auch lassen sich Bistagefasern oder -faserbündel verwenden. Dies sind mit Harz durchtränkte Fasern, die in einem vorgelagerten Verfahrensschritt teilausgehärtet worden sind. Durch die Teilaushärtung haben sie ihre Klebrigkeit zumindest großteils verloren. Durch die Temperaturbedingungen des Aushärtens wird das Harz des Bistagematerials verflüssigt, so dass sich eine gute Adhäsion ergibt. Feuchte Fasern werden auch als Prepregs bezeichnet. In diesem Fall sind die Abstandhalter, also insbesondere die Rowings, bereits mit Harz getränkt, bzw. impregniert. Über Reaktionsverzogerer wird verhindert, dass die Vernetzungsreaktion vorzeitig beginnt. Vielmehr lässt sie sich nach der Herstellung des Bauteils insbesondere durch eine Wärmezufuhr starten. Die trocknen Fasern sind in diesem Sinne nicht mit dem Harz versetzt. Statt dessen werden sie nach der Herstellung der vorstehend beschriebenen Verbundplatte mit dem Harz versetzt und anschließend ausgehärtet. Auch kombinierte Verfahren sind möglich, wobei bei einer ersten Seite trockene Fasern verwendet und bei der anderen Seite der Verbundplatte Prepregs zum Einsatz kommen. Letzteres kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn auf einer innen liegend zum Einbau kommenden Seite der Verbundplatte eine geringere Harztränkung ausreichend ist und z.B. ein Nähverfahren mit trockenen Fasern besser durchgeführt werden kann und bei der nach außen zum Einsatz kommenden Seite der Verbundplatte eine höhere Harztränkung die Festigkeitseigenschaften verbessert.
Neben dem Einsatz von Infusionsverfahren nach dem Stand der Technik (VAP, MVI, RTM, ...) ist hier aufgrund der benötigten großen Bauteilanzahl noch eine Pultrusionsinfusion denkbar. Das Pultrusionsverfahren ist ein kontinuierliches, also fortlaufendes Verfahren der Materialherstellung, bei dem zunächst wie vorstehend beschrieben eine mit Abstandhaltern versehenen Sandwichkonstruktion erstellt wird. Nachfolgend wird sie in einem geschlossenen Raum, den sie durchfährt bspw. unter Vakuum mit dem Kunstharz versehen, welches im Anschluss bspw. unter Vakuum erhitzt wird und so aushärtet. Während des Aushärteprozesses sorgen Pressen oder Walzen dafür, dass die so erzeugte Verbundplatte insbesondere in der Dicke maßhaltig ist.
Bei einem ausreichenden Harzgehalt des Prepregs können auch Trockenarmierungen mit Harz imprägniert werden können. Aufgrund der Höhe der Bauteile kann so ein Infusionsschritt durch den Einsatz von Prepreg ersetzt werden. Beim Einsatz von Pressen senkt sich der Produktionsaufwand erheblich. Es besteht auch die Möglichkeit einen Reinharzfilm mit Prepregdecklagen zu kombinieren.
Der Schaum 35 ist ein definierter, niedriger, fein- und/oder geschlossenzelliger Schaum mit bevorzugt einer homogenen Dichte. Hierfür eignen sich Polyurethanschäume, da sie eine hohe Härte aufweisen. Ferner eignen sich insbesondere Polyvinylchlorid (PVC)- Polypropylen(PP)- Polyethylen^)-, Polyethylenterephtalat (PET)- Polybutylenterephtalat (PBT)-, Polystylrol (PS)-, expandierte Polystyrol (EPS)- oder vernetzte Polystryrol (XPS)-Schäume. Bevorzugt wird ein geschlossenzelliger Schaum verwendet, um zu vermeiden, dass der Schaum sich mit dem Harz füllt, was neben den Materialkosten auch das Bauteilgewicht erhöht. Der Schaum hat bevorzugt eine Festigkeit, dass er zwischen 10 und 50% der Druckbelastungen, die auf die Verbundkonstruktion ausgeübt werden, aufnehmen kann. Zugbelastungen, also Kräfte, die das Trennen der Verbundkonstruktion bewirken würden, und Scherkräfte (in x-y-Ebene gemäß Fig. 1 ) werden bevorzugt von den Abstandhaltern aufgenommen. Als Harz kann bevorzugt Epoxidharz oder ein Harz auf Vinylesterbasis oder dergleichen verwendet werden.
Die Dicke der Verbundplatte kann beispielsweise 10 mm betragen. Die Dicke der Außenschichten ist in den Figuren schematisch dargestellt und dabei insbesondere übertrieben. Die Außenschichten können weniger als 1 mm dick sein (bspw. 0,5 mm) und/oder bspw. ein Gewicht von 200g/m2 aufweisen. Das Fasermaterial der Außenschlichten kann die gleichen Fasern aufweisen wie die Abstandhalter.
Als Material für die Abstandhalter können Pakete von Kohlenstoffasern, Glasfasern, Aramidfaser oder dergleichen verwendet werden. Diese Fasern haben insbesondere eine ausreichende Flexibilität, dass sie gebogen werden können, wie dies beim Nähen notwendig ist. Wenn die Fasern (wie beschrieben) durch den Schaum gesteckt werden, ist eine ausreichende Stabilität vorteilhaft. Auch teilausgehärtete oder ausgehärtete Faserstäbe oder Stifte aus Metall oder dergleichen können zum Einsatz kommen. Letzteres ist v.a. dann vorteilhaft, wenn die Abstandhalter nach dem Erstellen der Sandwichkonstruktion eingebracht werden sollen. Wenn stiftartige Abstandhalter durch den Schaum gesteckt werden, so können sie auch so abgelängt werden, dass sie ein kurzes Stück aus dem Schaum (je nach Anwendungsfall zu einer oder zu beiden Seiten) herausschauen. Dann können sie in einem separaten Arbeitsschritt umgelegt bzw. umgebogen werden, so dass für den nachfolgenden Kontakt mit den Außenschichten eine Kontaktflächenvergrößerung bewirkt wird.
Der Schaumstoff als Träger hat verschiedene Vorteile. Da die Zellen im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Wabenstrukturen sehr klein sind und zudem geschlossen, ist der Rand bereits gegen eindringende Feuchte versiegelt. Außer einer ggf. vorgesehenen Erhöhung der Abstandhalterdichte wird am Rand keine spezielle Einlage oder sonstige Behandlung benötigt.
Pinarmierte Strukturen haben nachweislich eine hervorragende Schadenstoleranz. Einmal eingebrachte Schäden sind räumlich absolut begrenzt und vergrößern sich auch durch die rissstoppende Wirkung der intakten Pins nicht weiter. Bei vorbekannten Ausführungsformen von Verbundplatten war in der Zwischensicht eine mit den Außenplatten verklebte Wabenstruktur. Wenn diese Verklebungen bereichsweise gerissen sind, so konnte der Riss sich aufgrund der Spannungsspitzen am Rissende fortsetzen. Abstandselemente, die auch als Pins bezeichnet werden, sind hingegen als singuläre Elemente zu betrachten. Dadurch können sie frei in der Fläche verteilt und individuell orientiert werden. Es besteht also die Möglichkeit durch gezielte Verteilung und Orientierung der Abstandselemente, entsprechend den Anforderungen zu gestalten. Dies ist eine sehr effiziente Methode, Lasteinleitungen, Randverstärkungen, usw. zu gestalten.
Zusätzlich kann der Schaumstoff als thermische und akustische Isolation dienen und so idealerweise zusätzliche Elemente ersetzen.
Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass derart armierte Schaumstoffe eine interessante Alternative zu bestehenden Wabenkonstruktionen sind. Hinsichtlich einer gewichtsoptimierten Konstruktion bietet diese Werkstoffkategorie ein großes Potential. Krafteinleitungen, Randverstärkungen, usw. lassen sich leicht gestalten. Durch sein sehr gutes Impactverhalten, wird das Risiko wachsender Schadensflächen minimiert. Eine optimierte Decklagenanbindung reduziert zusätzlich die Bandbreite auftretender Schäden. Erfindungsgemäß armierte Schaumstoffe bieten also ein erhebliches Potential für verlängerte Bauteilstandzeiten. Zudem kann durch die Modifikation der Pindichte auch zukünftig weiter steigenden Anforderungen an die Verbundplatten, z.B. aus der Verankerung zusätzlicher Elemente (z.B. Küche, Toiletten, ...) leicht begegnet werden.
Vorstehend wurden Verbundkonstruktionen in Bezug auf ihren Einsatz als Fußbodenplatte in Flugzeugen beschrieben. Allgemein ergeben sich für die Verbundkonstruktionen darüber hinaus viele Einsatzbereiche in Anwendungen, bei denen eine hohe Tragfähigkeit und ein geringes Gewicht gefordert sind. Dies können Wände in Flugzeugeinsatz sein, wie auch Deckenelemente. Zusätzlich ist der Einsatz in Zügen und Schiffen besonders vorteilhaft. Die Platten müssen nicht eben sein, sondern können gewölbt oder gebogen sein. Ferner muss die Dicke der Verbundkonstruktion nicht konstant sein, so dass sich dreidimensionale Strukturen mit stabilen Außenseiten ergeben können, die jeweils über Abstandhalter eine erhöhte Festigkeit gegen diverse Belastungen erhalten.
Bezugszeichen:
1 Verbundplatte, Verbundkonstruktion
5 Befestigungsbereich
6 Rand der Verbundplatte
10 Außenschicht
20,21 ,22,23,24,25 Abstandhalter
28 Unterfaden
30 Zwischenschicht
35 Schaumstoff
40 Einlageteil
42 Bohrung

Claims

Ansprüche:
1. Verbundkonstruktion, wie insbesondere eine sandwichartig aufgebaute Verbundplatte (1 ), mit zwei bevorzugt parallel gegenüberliegenden Außenschichten (10), wobei ein Schaumstoff (35) den Abstand zwischen den Außenschichten (10) zumindest bereichsweise komplett füllt,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Außenschichten (10) über Abstandhalter (20-25) miteinander verbunden sind und die Abstandhalter (20-23) über einen ausgehärteten Kunststoff mit den Außenschichten (10) verbunden sind.
2. Verbundkonstruktion (1 ) gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandhalter (20-25) in dem Bereich (30) zwischen den Außenschichten (10) stabförmig sind und insbesondere den Abstand zwischen den Außenschichten (20-25) weitgehend ungebogen überbrücken.
3. Verbundkonstruktion (1 ) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lage und/oder die Ausrichtung der einzelnen Abstandhalter (20-25) nach einer vorgegebenen Regel bestimmt ist.
4. Verbundkonstruktion (1 ) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenschichten (10) zumindest teilweise von den Abstandhaltern (20- 25) durchdrungen sind.
5. Verbundkonstruktion (1 ) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandhalter (20-25) zumindest teilweise spitze Enden (22) aufweisen.
6. Verbundkonstruktion gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichte der Abstandhalter (20-25)zumindest bereichsweise größer als 3 Abstandhalter pro Quadratzentimeter ist und bevorzugt bereichsweise größer als 10 Abstandhalter pro Quadratzentimeter ist.
7. Verbundkonstruktion (1 ) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest in einem Abschnitt (5) der Verbundkonstruktion (1 ), der insbesondere zu ihrer Befestigung dient und/oder am Rand (6) der Verbundkonstruktion liegt, die Dichte der Abstandhalter (20-25) größer ist, als in davon entfernten Abschnitten der Verbundkonstruktion (1 ).
8. Verbundkonstruktion (1 ) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bereichsweise zumindest 50%, bevorzugt mindestens 80%, der Abstandhalter (20-25) derartig zwischen den Außenschichten (10) ausgerichtet sind, dass ihre Winkelabweichungen zur Außenschichtenorthogonalen größer als 15° sind, wobei diese Bereiche bevorzugt von den Abschnitten der Verbundkonstruktion, die zu deren Befestigung dienen, entfernt sind.
9. Verbundkonstruktion (1 ) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Abstandhalter (20-25) eine begrenzte Anzahl von bevorzugten Ausrichtungen definiert ist, und die Abstandhalter in jeweils einer dieser Ausrichtungen ausgerichtet sind.
10. Verbundkonstruktion (1 ) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest an einem Abschnitt (5) der Verbundkonstruktion (1 ), der zu ihrer Befestigung dient, die Verbundkonstruktion (1 ) ein den Außenschichtenabstand überbrückendes Einlageteil (40) oder eine vergleichbare Füllsubstanz umfasst, wobei zumindest einer der Abstandhalter das Einlageteil (40) oder die Füllsubstanz zumindest teilweise durchdringen.
1 1 . Verfahren zur Herstellung einer Verbundkonstruktion, wobei zunächst ein zwei Außenschichten und eine dazwischen liegende geschäumte Schicht (35) aufweisendes Zwischenprodukt erstellt wird und durch eine Durchdringung zumindest einer der Außenschichten (10) Abstandhalter (20-25) in den zwischen den Außenschichten (10) befindlichen Bereich (30) eingebracht werden und anschließend ein in den Außenschichten (10) und/oder den Abstandhaltern (20) befindlicher und/oder dort eingebrachter Kunststoff ausgehärtet wird.
12. Verfahren zur Herstellung einer Verbundkonstruktion, wobei eine Mehrzahl Abstandhalter (20-25) großteils in eine geschäumte Schicht eingebracht wird, wobei durch Verwendung von Außenschichten (10) eine Sandwichbaugruppe geschaffen wird und die Abstandhalter (20-22, 24, 25) in die Außenschichten gedrückt oder gezogen werden oder die Abstandhalter (23) sich an eine Innenseite der Außenschichten anlagern und wobei nachfolgend ein in den Außenschichten und/oder den Abstandhaltern (20-23) befindlicher und/oder dort eingebrachter Kunststoff aushärtet und die Abstandhalter (20-23) mit den Außenschichten (10) verbindet.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 1 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein für ein Nähverfahren und/oder trockenen Armierungsprozess geeigneter Faserstrang oder Faser- faden (20-25) durch eine geschäumte Schicht (35) oder durch eine geschäumte Schicht (35) und zumindest eine äußere Schicht gedrückt oder gezogen wird, nachfolgend der Faserstrang oder Faserfaden (20-25) mit Harz versetzt und ausgehärtet wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Außenschicht (10), bevorzugt beide Außenschichten der Faserverbundkonstruktion mit Prepreg-Schichten oder mit nicht ausgehärtetem Harz versehene Fasern oder Faserschichten sind, die gemeinsam mit den Abstandhaltern (20-25) ausgehärtet werden.
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