FI80634B - Kombinationsstruktur. - Google Patents

Description

80634

Yhdistelmärakenne Tämän keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 mukainen yhdistelmärakenne.

Keksinnön kohteena on myös menetelmä yhdistelmärakenteen valmistamiseksi.

Nykyisin hauraita materiaaleja, kuten keraameja, muoveja ja betonia lujitetaan ja sitkistetään kuiduilla, jolloin niistä saadaan erilaisia komposiitteja. Yleisimmin käytettyjä kuituja ovat lasikuitu, polypropyleenikuitu, kevlar-kuitu, wisker-kuitu, hiilikuitu ja teräskuitu. Kuitumateriaaleja on kuvattu mm. patenttijulkaisuissa GB-1405090, GB-1406442 ja US-441944.

Materiaaleja voidaan edelleen lujittaa muodostamalla päällekkäisiä kerroksia, jolloin saadaan laminaatteja. Kun kaksi laminaattia liitetään yhteen väliaineen avulla saadaan kerroksellisia sandwich-rakenteita. Käyttämällä kahden lami-naattilevyn välissä ohuesta levystä valmistettua kennoa aikaansaadaan hunajakenno(honeycomb)-rakennemateriaali. Kahdesta materiaalista valmistettuja laminaatteja ja hunajaken-no-materiaaleja on kuvattu mm. US-patenttijulkaisuissa 4 135 019, 3 914 494, 3 899 626, 3 811 997,. 3 582 447, 3 600 249, 3 932 689, 4 052 523, 4 086 378, 4 395 514, 4 526 925 ja 4 598 007.

Yleisesti kuitu- ja laminaattirakenteissa esiintyviä ongelmia ovat matriisimateriaalin halkeilun jälkeen syntyvä kuitujen jatkuvasti etenevä murtuma sekä kuitujen puutteellinen tartunta. Ongelmat lisääntyvät toistuvan lämpö- tai kos-teusrasituksen alaisissa rakenteissa. Useiden keraami- tai muovikomposiittien ja laminaattien matriisimateriaalin korkea hinta rajoittaa niiden käyttöaluetta.

2 80634 Tämän keksinnön tarkoituksena on poistaa edellä kuvatussa tekniikassa esiintyvät haitat ja saada aikaan aivan uudentyyppinen yhdistelmärakenne ja menetelmä rakenteen valmistamiseksi .

Keksintö perustuu siihen, että yhdistelmärakenne käsittää puristuslujaa materiaalia olevat perusosat ja näiden rajapintoja ainakin osittain ympäröivät, kuiduilla vahvistetut, kimmoisaa nauha- tai levymäistä materiaalia olevat toisiaan säännöllisesti risteävät väliosat, jotka muodostavat kenno-rakenteen.

: * Täsmällisemmin sanottuna keksinnön mukaiselle yhdistelmära- kenteelle on tunnusomaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.

Keksinnön mukaiselle valmistusmenetelmälle puolestaan on tunnusomaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksen 8 tunnusmerkkiosassa.

Keksinnön avulla saavutetaan huomattavia etuja.

Entiseen yhdistelmämateriaalitekniikkaan nähden - kallista kuitumateriaalia säästyy ja matriisin halkeamisesta aiheutuvan jatkuvan murtuman riski pienenee oleellisesti, koska kuidut on keskitetty komposiittikennoihin, - saavutetaan sitkeä vetonauhakomposiittimateriaa-li hauraiden kuitujen avulla ja näin myös sitkeä yhdistelmämateriaali, - perusmateriaali on halvempaa, jolloin kallista komposiittimateriaalia säästyy ja materiaalikustannukset jäävät alhaiseksi.

3 80634 - saavutetaan hyvä lujuuden ja sitkeyden säädeltä-vyys, - saavutetaan helposti 2- ja 3-ulotteinen mekaaninen toimivuus ja - perusmateriaalin avulla on tarvittaessa aikaansaatavissa hyvä palonkestävyys ja ääneneristys.

Keksintöä ryhdytään seuraavassa lähemmin tarkastelemaan oheisten piirustusten mukaisten sovellusesimerkkien avulla.

Kuvio 1 esittää perspektiivikuvantona yhtä keksinnön mukaista yhdistelmärakennetta.

Kuvio 2 esittää perspektiivikuvantona toista keksinnön mukaista yhdistelmärakennetta.

Kuvio 3 esittää perspektiivikuvantona kolmatta keksinnön mukaista yhdistelmärakennetta.

Kuvio 4 esittää perspektiivikuvantona kuvion 1 mukaisten rakenteiden yhdistämistä toisiinsa.

Kuvion 1 mukaisesti kolmea erilaista materiaalia uudella tavalla yhdistämällä saavutetaan uudentyyppinen yhdistelmära-kenne l. Perusmateriaaleja ovat kuidut, kimmoinen matriisi ja tavallinen hauras perusmatriisi. Kuiduista ja kiimnoisesta matriisista muodostetaan jatkuva nauhamainen tai levymäinen kennosto 2, jossa komposiittinauhat tai -levyt risteävät toisiaan säännöllisesti. Kuvion ratkaisussa kennosto 2 on kolmiulotteinen, mutta hyvin ohuiden rakenteiden yhteydessä kennosto 2 on likimain kaksiulotteinen. Nauhojen tai levyjen välit täytetään perusmateriaalilla 3. Kuvion ratkaisussa pe-rusmateriaalikappaleet 3 eivät ole kosketuksissa toisiinsa, vaan kennosto 2 ympäröi niitä joka puolelta koko perusmate- 4 80634 riaalikappaleiden paksuudelta. Perusmateriaalikappaleet 3 ovat esitetyssä ratkaisussa 6-kulmioita. Myös yhdistelmära-kenteen 1 reunaa ympäröi kennorakenne. Kun yhdistelmäraken-teeseen synnytetään esimerkiksi 1-, 2- tai kolmiulotteinen vetojännitystila, syntyy nauha- tai levykomposiittiin pääasiassa vetojännitys. Vetojännitykset kehittyvät kennokompo-siitin 2 jäykkiin kuituihin. Nauhojen kimmoiseen matriisiin syntyy likimäärin kuitujen venymää vastaava muodonmuutos. Vetonauhakomposiitti on siten sitkeä, vaikka sen kuidut olisivatkin hauraita. Risteävät vetonauhat synyttävät perusmateriaaliin 3 pääasiassa puristusjännityksiä. Tällöin perusmateriaalin 3 vetovenymät jäävät pieniksi. Näin hauraaseen perusmateriaaliin 3 joko ei synny lainkaan halkeamia tai mahdolliset halkeamat ovat pieniä.

Kuvion 2 mukaisessa ratkaisussa perusmateriaalikappaleiden 3 yhdistelmärakenteen 1 tason suuntainen leikkaus on suorakaide ja vastaavasti kennosto 2 muodostaa säännöllisen ruudukon.

Kuvion 3 mukaisessa ratkaisussa perusmateriaalikappaleet 3 ovat poikkileikkaukseltaan kolmiomaisia. Sekä kuvion 2 että 3 ratkaisuissa kennosto 2 on koostettavissa yhdistämällä suoria pitkittäisiä kennoelementtejä.

Kuvion 4 mukaisessa ratkaisussa kaksi kuvion 1 mukaista rakennetta 1 ja 1' on yhdistetty toisiinsa muita paksummilla perusmateriaalia olevilla liitososilla 4. Liitososia 4 käytetään aina tarpeen mukaan, esitetyssä ratkaisussa joka neljäs perusmateriaaliosa on liitoskappale 4. Kuvion ratkaisussa liitoskappale 4 ulottuu kennoston 2 sisään korvaten pe-rusmateriaalikappaleen. Liitoskappaleet 4 voivat olla myös erillisiä, perusmateriaalikappaleisiin kiinniliimattuja osia.

Kuvioissa esitetyistä ratkaisuista poiketen voidaan perusma-teriaalikappaleita 3 yhdistää toisiinsa jäykin liitoksin 5 80634 myös vaakasuunnassa aina lujuusvaatimusten edellyttämällä tavalla. Kennoston 2 ei myöskään aina tarvitse täyttää pe-rusmateriaalikappaleiden välistä rajapintaa kokonaisuudessaan, vaan kennosto voi olla perusmateriaalikappaleita 3 huomattavastikin ohuempi. Käytännössä kennostorakenteen 2 tilavuus rakenteen 1 koko tilavuudesta voi vaihdella välillä 1 % - 10 %.

Keksinnön mukaiseen ratkaisuun sopivat materiaalit voidaan määritellä esimerkiksi seuraavasti: - Kennokomposiitin 2 kuidut ovat lasi-, keraami-, teräs-, kevlar-, wisker- tai hiilikuituja. Kuitujen pituus voi vaihdella aina muutaman millimetrin pituudesta jatkuviin, usean metrin pituisiin kuituihin saakka, ja pituus optimoidaan tapauskohtaisesti.

- Kennokomposiitin 2 runkomateriaali on kimmoista muovia, esimerkiksi epoksia tai polyakryyliä, tai polymeeriä.

- Perusmateriaali 3 on puristuslujaa vetohaurasta materiaalia, esimerkiksi keräämiä, lasia tai betonia.

Yhdistelmärakenne voidaan muodostaa eri tavoilla. Yksi mahdollisuus on muodostaa ensin kuitukomposiittikennosto 2 ja valaa siihen perusmateriaali. Toinen mahdollisuus on esivalmistaa lopullisen muotoiset perusmateriaaliosat 3 ja sen jälkeen koota niistä lopullinen yhdistelmämateriaali muodostaen samalla perusmateriaalikappaleiden 3 väliset kennot 2. Yhdistelmämateriaaleista voidaan koota haluttu rakenne myös yhdistämällä edellä mainitut valmistustavat. Tällöin valmistetaan perusmateriaalin 3 valutekniikalla halutun kokoisia esivalmisteisia osia, joista lopullinen rakenne kootaan kom-posiittikennoilla yhdistämällä.

6 80634

Yhdistelmärakenteen lujuutta voidaan vaihdella rakenteissa tai rakenteen eri osissa jännitystilan mukaisesti valitsemalla sopiva perusmatriisin materiaali ja vaihtelemalla ve-tonauhakomposiitin mittoja ja välejä. Rakenne voidaan halutessa pinnoittaa joko komposiittilaminaatilla, perusmateri-aalipinnoituksella tai muulla halutulla pintamateriaalilla.

Keksinnön mukainen ratkaisu soveltuu hyvin esimerkiksi rakenneosien automatisoituun tuotantoon. Tällöin valmistetaan koneellisesti joko ensin kuitukomposiitti 2, jonka sisään perusmateriaali 3 valetaan, tai ensin erilliset perusmateri-aalikappaleet 3, jotka ladotaan vierekkäin, minkä jälkeen komposiittikennosto joko valetaan tai punotaan valmiina nauhana saumoihin.

Yhdistelmärakenteen sopivia käyttökohteita ovat esimerkiksi rakennusten tasomaiset tai kaarevat levyrakenteet, joita voidaan käyttää seininä, kupoli- ja holvirakenteina ja laattoina.

\

Claims (7)

7 80634

1. Oleellisen levymäinen yhdistelmärakenne (1), joka käsittää puristuslujan, vetohauraan perusmateriaalin (3), joka muodostaa pääosan yhdistelmärakenteen (1) kokonaistilavuudesta, jossa rakenteessa - perusmateriaali on jaettu yhdistelmärakenteen (1) tasoa vastaan kohtisuorassa suunnassa perusma-teriaalipaloihin (3), jotka ainakin suurimmalta osaltaan ovat toisitaan erotetut, - perusmateriaalipalojen (3) väliin näitä ympäröi-västi on sovitettu kimmoisaa, vetolujilla kuiduilla vahvistettua materiaalia oleva yhtenäinen ken-norakenne (2), joka on kiinteästi kytkeytynyt pe-rusmateriaalipaloihin. tunnettu siitä, että - osa perusmateriaalipaloista on muodostettu selvästi muita paksummiksi liitoskappaleiksi (4), joilla yhdistelmäräkenne (1) on kytkettävissä viereiseen samantapaiseen yhdistelmärakenteeseen (!')·

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen yhdistelmärakenne, jossa perusmateriaali (3) on esimerkiksi keräämiä, betonia tai lasia, tunnettu siitä, että kennorakenteen (2) materiaali on esimerkiksi lasi-, keraami-, teräs-, kevlar-, wisker- tai hiilikuituvahvisteista kimmoisaa muovia, esimerkiksi epoksia tai polyakryyliä, tai polymeeriä.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen yhdistelmärakenne, tunnettu siitä, että perusmateriaalipalat (3) ovat toisistaan täysin erotetut ja kennorakenne (2) täyttää pe- β 80634 rusmateriaalipalojen (3) välit koko yhdistelmärakenteen (l) paksuudelta.

4. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen 1-3 mukainen yh-distelmärakenne, tunnettu siitä, että perusmateriaa-lipalat (3) ovat yhdistelmärakenteen (1) tason suuntaiselta leikkaukseltaan kuusikulmioita.

5. Patenttivaatimuksen 1, 2 tai 3 mukainen yhdistelmäraken-ne, tunnettu siitä, että perusmateriaalipalat (3) ovat yhdistelmärakenteen (1) tason suuntaiselta leikkaukseltaan kolmioita.

6. Patenttivaatimuksen 1, 2 tai 3 mukainen yhdistelmäraken-ne, tunnettu siitä, että perusmateriaalipalat (3) ovat yhdistelmärakenteen (1) tason suuntaiselta leikkaukseltaan suorakulmioita.

7. Menetelmä pääasiassa puristuslujasta, vetohauraasta materiaalista koostuvan yhdistelmärakenteen (1) valmistamiseksi, jossa menetelmässä - valmistetaan vetolujista kuiduista ja kimmoisasta materiaalista, kuten kimmoisasta muovista tasomainen kennosto (2), - valmistetaan puristuslujasta, vetohauraasta materiaalista perusmateriaalipaloja (3), ja - yhdistetään kennosto (2) ja perusmateriaalipalat (3) toisiinsa, t-unnettu siitä, että - ensin esivalmistetaan perusmateriaalipalat (3), jotka asetellaan toisiinsa nähden haluttuihin ase- 9 80634 miin ja kennosto (2) valetaan tai punotaan perus-materiaalipalojen väliin. 10 80634