WO2023170029A1 - Method for producing an at least two-layered sandwich component - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a method for producing an at least two-layer sandwich component in the form of a tube or in the form of a plate, the sandwich component being exposed to a cold side and a hot side.
- the sandwich component according to the invention can be used as a hot gas line, as an exhaust line, as a silencer or as a fire protection wall in an aircraft, for example in an airplane, a land vehicle, a water vehicle or a space vehicle.
- DE 10 2016 000 915 A1 relates to a foundation structure of a building.
- the structure includes load-bearing insulation, with the insulation being provided as foam glass gravel as a base for a strip foundation.
- the strip foundation is completely surrounded by a foam glass gravel layer, except where there are load-bearing walls or supports. This avoids thermal bridges in the parts of the floor slab facing the outer wall, which prevents mold and moisture in the outer corners of a building.
- Foam glass can contain natural glass, whereby the foam glass contains more than 5% aluminum oxide, based on the weight of the foam glass, and has a coefficient of thermal expansion Range between 4Dx 10' 6 ppm/°C and 6 x 10' 6 ppm/°C.
- a composition for producing the foam glass may include natural glass containing at least 5% aluminum oxide by weight of the composition, sodium carbonate containing less than 10% by weight of the composition, and boric acid containing at least 5% based on the weight of the composition.
- a method of making foam glass may include mixing natural glass with boron to form a mixture, grinding and melting the mixture at a temperature of at least 900 °C, and allowing the molten mixture to cool so that the foam glass contains at least 5% alumina , based on the weight of the foam glass, and at least 5% boron oxide, based on the weight of the foam glass.
- AT 521 214 B1 refers to the shaping of glass foam into semi-finished products with fiber composites.
- a fiber composite semi-finished product is proposed, having a lower and an upper cover layer with fibers, the lower cover layer being arranged parallel to the upper cover layer.
- ellipsoidal glass foam elements are arranged in at least two parallel planes, with the glass foam elements being arranged in a Cartesian grid in each plane and the grid points of two adjacent parallel planes being offset from one another in the direction of the planes in such a way that the Cartesian grid points in the one of the two adjacent levels, are arranged between the Cartesian grid points in the other of the two adjacent levels, with fibers and binding material being arranged between the ellipsoidal glass foam elements.
- the ellipsoid-shaped elements are manufactured separately as finished glass foam elements and glued to cover layers using a different material.
- the glass foam elements have ribs on their surfaces, the ribs of the glass foam elements interlocking with ribs of glass foam elements arranged in adjacent levels.
- DE 103 41 158 A1 relates to a component containing glass foam for sound dampening and sound insulation.
- the component containing glass foam for sound dampening and/or sound insulation is connected to a protective material at least on parts of the component.
- the glass foam component preferably has a first side, a second side and an edge connecting the first and second sides.
- the protective material preferably closes at least on parts of the edge and on an area near the edge of the first and second sides of the Glass foam component.
- stand walls, silencer backdrops and gas-carrying channels are disclosed, which are equipped with glass foam components for sound insulation and/or sound insulation.
- Previous concepts for insulated hot gas pipes are generally constructed in such a way that there is a gas-tight metal pipe on the hot inside, which is usually surrounded by insulating material, whereby the insulating material is generally not airtight and usually not dimensionally stable, such as insulating wool.
- insulating material is generally not airtight and usually not dimensionally stable, such as insulating wool.
- pipe half-shells made of foam glass which are applied to the outside of an airtight metal pipe as external insulation, whereby the joint between the two half-shells is glued, does not need to be airtight and does not absorb any internal pressure, as this only comes from the Inner tube is worn.
- such inner tubes for hot gas are currently often made of titanium in order to meet the weight, temperature and corrosion requirements and are therefore relatively expensive.
- such tubes are made of steel alloys, which, however, entails significant weight disadvantages in aircraft construction.
- the invention is based on the object, particularly in aviation applications, of providing a line or plate arrangement which is very economical in terms of weight and creates an airtight insulating layer, while at the same time ensuring resistance to high temperatures.
- a method for producing an at least two-layer sandwich component is proposed, which is manufactured in the form of a tube or in the form of a plate, the sandwich component having a cold side and is exposed to a hot side, and at least the following process steps are carried out: a) production of an insulation layer facing the hot side, which contains a gas-tight, high-temperature-resistant glass foam material and b) production of an outer layer of the sandwich component facing the cold side, which comprises a fiber composite material.
- the method proposed according to the invention makes it possible to produce sandwich components that can withstand high and extremely high temperatures, while at the same time, by using a fiber composite material, inexpensive materials can be used that also have an extremely low weight, which is very advantageous for aviation applications.
- the insulation layer facing the hot side can be provided with a layer which contains a fiber composite material with a ceramic, glass ceramic or glass matrix material.
- This optional additional layer on the insulation layer facing the hot side makes it possible to achieve a further increase in temperature resistance as well as an improved mechanical resistance of the surface on the hot gas side.
- the insulation layer facing the hot side according to method step a), which consists of a gas-tight, high-temperature-resistant glass foam material, is manufactured from a block material or with the aid of a preform which comprises at least one glass granulate and a foaming agent.
- the insulation layer facing the hot side is smoothed by locally generating high temperatures.
- This allows, for example, broken glass pores to be smoothed at locally high temperatures, resulting in an extremely smooth, fluidically favorable inside of the insulation layer.
- the resulting closure of the glass foam surface also prevents water from penetrating into pores and thus preventing damage in the event of frost.
- the sandwich component is held in a closed mold during the implementation of method steps a) and b), in which the glass granules are melted and then foamed under the action of the foaming agent.
- the fiber material from which the cover layer or the cover layers are formed is impregnated with the melt of the glass granules as a preform in the form of a fiber molding or a porous fiber-ceramic material in the closed mold.
- the gas-tight, high-temperature-resistant glass foam material is mixed with fiber material, in particular carbon, metal, basalt or ceramic fiber material or particularly high-temperature-resistant glass fiber material during its production, the fiber material being present both as a short fiber and as a long fiber can.
- the fiber material - present as a short or long fiber or as a continuous fiber - is introduced into or around the glass granulate before it is melted or foamed or as a wound preform for later cover layers or as a semi-finished textile product, in particular as a braided fabric cover layer on a or several surfaces, or introduced as a spacer fabric, which are soaked by the glass granules during the melting and foaming process.
- a glass material that achieves a particularly low viscosity at the process temperature for example a glass solder, is used to impregnate the fiber gaps with the glass matrix.
- this glass material with a particularly low viscosity is only used in the areas of the particularly densely packed fiber cover layers (hot and / or cold side) and in the area of the glass foam another glass material, which may also have a higher melting temperature.
- the fibers (e.g. rovings) used for depositing the cover layers are already in production of the preform, for example wound, is pre-impregnated with a glass material or a glass solder, for example in the form of a prepreg tape, which was impregnated in a previous process.
- air channels are introduced on an outside of the insulation layer, which contains the gas-tight, high-temperature-resistant glass foam material, which remain air-permeable after the outer layer has been laminated on and, in the event of a leak in the insulation layer, guide air escaping through this to discrete air outlet openings assigned to the temperature sensors.
- Preparatory measures for a leak detection system can be taken during the production of the sandwich component.
- fiber-optic temperature sensors are laminated into the outer layer made of fiber material covering the insulation layer. This also means that, in an alternative approach, precautions can be taken for a later leak detection device.
- the heat treatment is also carried out on the end faces of the sandwich component, in the event that this is manufactured as a tube, in order to obtain smooth surfaces for sealing a joint of two sandwich components proposed according to the invention to be connected to one another, designed as tubes.
- the fiber composite material with a ceramic matrix is laminated onto the insulation layer facing the hot side, and then a temperature treatment of the laminate and the insulation layer is carried out for joint curing or pyrolysis of the ceramic matrix.
- a temperature treatment of the laminate and the insulation layer is carried out for joint curing or pyrolysis of the ceramic matrix.
- a prefabricated layer of the fiber material with a ceramic, glass-ceramic or glass-like inorganic matrix can be applied to the hot side facing the hot side by means of a soldering process, for example using a glass solder (i.e. a glass with a lower melting temperature than that of the foam glass).
- a glass solder i.e. a glass with a lower melting temperature than that of the foam glass
- gas-tight, high-temperature-resistant insulation layer can be soldered on.
- this soldering process can also be carried out on both sides, i.e. H. be applied on the hot side and on the cold side, for example if both can take place at the same time in a temperature treatment process.
- a prefabricated layer of the fiber composite material with a ceramic matrix can be glued to the gas-tight, high-temperature-resistant insulation layer facing the hot side by means of an adhesive process using a high-temperature-resistant adhesive. With this procedure, the high-temperature treatment between the fiber composite material with a ceramic matrix on the one hand and the insulation layer can be saved.
- the fiber composite material is applied to the cold side as an outer layer using thermoset prepreg-based processes, resin infusion processes, RTM processes or thermoplastic prepreg-based processes, in particular TP-AFP processes.
- the invention relates to a sandwich component in the form of a tube or a plate, which is exposed to a cold side and a hot side, the sandwich component being designed in at least two layers and comprising an insulation layer facing the hot side, which comprises a gas-tight, high-temperature-resistant glass foam material and a outer layer facing the cold side, which contains a fiber composite material.
- the sandwich component proposed according to the invention has, on the one hand, a very low weight, which is extremely advantageous for aviation applications, and, on the other hand, is characterized by the fact that there is an airtight insulation layer, namely the insulation layer made of the glass foam material, which at the same time can withstand high temperatures.
- the sandwich component can be designed both in the form of a tube and in the form of a plate, for example as a panel.
- a further advantageous embodiment variant of the sandwich component proposed according to the invention provides that the insulation layer facing the hot side, which comprises a gas-tight, high-temperature-resistant glass foam material, is provided with a layer which contains a fiber composite material with a ceramic, glass ceramic or glass matrix material. This makes it possible to provide a three-layer sandwich component that goes beyond a two-layer sandwich component and is further improved in terms of its temperature resistance and mechanical strength and its tightness requirements.
- the invention relates to the use of the sandwich component in an aircraft, in particular in an airplane, as a hot gas line, bleed air or exhaust line or as an engine or APU silencer.
- Another use of the sandwich component proposed according to the invention is its use as an enclosure for units that either become hot during operation and/or can potentially become hot in the event of an error/failure or in the event of fire, in particular a solid oxide fuel cell or batteries or low-temperature energy converters or other waste heat.
- the sandwich component can be used as a fire protection barrier or the like in a land vehicle, water vehicle or even in a space vehicle.
- a sandwich component in particular manufactured according to the method proposed according to the invention, this comprises a jacket made of high-strength fiber composite material and a Insulating layer made of a gas-tight, high-temperature-resistant glass foam material.
- the invention provides functionality for a sandwich component in that, on the one hand, it comprises an airtight insulation layer, which, on the other hand, withstands high temperatures.
- the solution proposed according to the invention enables the use of foams also for high temperatures, but now with glass instead of polymer materials as the foam material.
- the solution proposed according to the invention can be used to achieve constructions with a high thermal insulation effect, which, in contrast to often used soft mineral or glass wool mats, have increased dimensional stability and can therefore be structurally connected to structural components in an easier way.
- the solution proposed according to the invention can further improve the roughness of mechanically processed surfaces of the glass foam material, since the number of open glass foam material pores on the surface, in particular on the inside of the insulation layer, is significantly reduced and thus the durability of this surface is improved. Furthermore, by smoothing the inside of the insulation layer, the flow resistance for media is reduced and at the same time the probability of detachment of surface particles of the insulation layer is reduced.
- the solution proposed according to the invention makes it possible to provide a sandwich component, which in particular represents a hot gas line, for example a bleed air or exhaust line or an engine or APU silencer in an aircraft, in particular in an airplane, the proposed sandwich component comprising an outer jacket a fiber composite material and comprises an internal insulation layer made of a gas-tight, high-temperature-resistant glass foam material, such as foam glass.
- the inside of the insulation layer can be coated with another high-temperature-resistant material, in particular a fiber composite material with ceramic, glass-ceramic or glass-like, inorganic Matrix must be covered.
- the sandwich component proposed according to the invention can be in the form of a tube or, when opened, as a flat panel, which serves, for example, as a heat or fire protection wall.
- a previously necessary additional outer shell for leak detection in bleed air lines can either be reduced to a thin film shell without further insulation or can be eliminated entirely by introducing air channels on the outer layer of the insulation layer, which lead to discrete, defined air outlet points of the pipe-shaped manufactured sandwich component, which in turn has temperature sensors on it.
- these temperature sensors can also be laminated into the sandwich component in the form of films, fibers or wires.
- the outer layer made of fiber composite material can absorb the tensile load that can arise, for example, from internal pressure in the tube and not the inner tube as in previous applications.
- the gas-tight, high-temperature-resistant foam glass material takes on, in addition to the insulation function, the task of ensuring the tightness of the tubular sandwich component, so that the outer layer made of fiber composite material does not have to take on this task.
- This can advantageously be achieved for the outer shell, i.e. H. the outer layer can be used materials that have a lower temperature resistance than would be the case for an inner shell in contact with the hot gas.
- the foam glass material used as an insulation layer has the advantage that it hardly emits gases and therefore the hot medium is not contaminated with vapors.
- fiber material in the form of carbon, metal (for example steel or nickel-based superalloy), basalt, ceramic fibers or particularly high-temperature-resistant glass fibers can be introduced during the production of the glass granules and / or the glass foam material in order to increase the strength and Damage tolerance of this material increase.
- the fiber material available as short, long or so-called continuous fibers, serves as a stiffener and crack stopper in the glass foam material.
- the fiber material can be mixed into the glass granulate before it is melted or foamed or can be inserted as a wound preform (for later cover layers) or semi-finished textile product, in particular as a braid or fabric cover layer or spacer fabric.
- a glass material can optionally be used that achieves a particularly low viscosity at the process temperature, for example a glass solder. Furthermore, this glass material with a particularly low viscosity can only be used in the areas of the fiber cover layers (hot and / or cold side) and in the area of the glass foam another glass material, which may also have a higher melting temperature.
- a leak detection device By introducing air channels on the outside of the insulation layer, preparatory work for a leak detection device can be carried out. If the further manufacturing steps ensure that the air channels remain permeable to air even after the outer layer made of fiber composite material has been laminated on, in the event of a leak in the inner layer, ie the insulation layer, they direct air escaping to discrete air outlet points located in the outer layer, in front of which temperature sensors are placed . This means that an additional, non-structural air ducting envelope can be saved.
- a leak detection device can be provided by laminating fiber optic sensors into the outer layer made of fiber composite material. If, in the event of a leak in the insulation layer and air flowing out as a result, this causes a local increase in temperature in the outer layer, the leak can be detected.
- a leak detection device Another possibility for a leak detection device is that the solid, load-bearing outer layer is covered with a simple air-conducting cover made of film material, which, in the event of a fault, directs air flowing out to certain openings with temperature sensors. Since this outer shell made of foil material does not perform any insulating function, it is significantly easier to manufacture and assemble.
- a film reserve in the form of folds or embossing can be used to ensure that in the event of air escaping, there is enough space between the outer cover and the film or is formed by the differential pressure so that this air can flow to discrete openings in the film with leak detection sensors.
- the inside of the insulation layer is designed as a smooth surface, which can be achieved by heat treatment, whereby webs of broken glass bubbles melt and the surface of the molten glass contracts to form a smooth surface.
- the volume of the glass foam material decreases locally, so that an optionally mechanically processed blank must be produced with a corresponding oversize on the sides to be treated.
- the surface heat treatment must be dosed in such a way that the target geometry results after treatment and melting.
- the desired layer thickness of the glass foam material which is no longer porous on the surface but is monolithic, can be influenced by this and by the size of the excess dimension provided.
- the heat treatment can be carried out, for example, using a laser or with a gas combustion or arc-based device, similar to welding or glassblowing work.
- the heat treatment can advantageously be carried out on the end faces of pipe ends in order to achieve a smooth surface for sealing the joint.
- a hot stamp tool or similar can also be used to carry out the heat treatment.
- Around In order to avoid harmful tensile stresses in the workpiece, it can also make sense to either heat the blank as a whole to a higher temperature level during its surface processing and/or to carry out a heat treatment following the surface processing, similar to glass tempering processes.
- the sandwich component proposed according to the invention can be used to enclose hot units, such as an APU (Auxiliary Power Unit) of an aircraft, for supply air or exhaust gases, or can be used to enclose associated silencers, which also become hot.
- hot units such as an APU (Auxiliary Power Unit) of an aircraft
- APU Advanced Power Unit
- silencers which also become hot.
- the airtightness here is rather negligible, so that the sandwich components proposed according to the invention can also be produced in parts.
- insulating wool these have a solid structure, and as a result there is a solid connection layer on both sides, which offers advantages for fastening elements inside or for connecting to the structure outside. For example, fewer structural elements have to be passed through the insulation layer, which reduces thermal bridges.
- a sandwich component proposed according to the invention with fiber ceramic on one side, an insulation layer made of glass foam material in the middle and fiber composite material as the outer layer can be used to house further hot units, such as a solid oxide fuel cell, or to increase the safety of potentially hot units, such as batteries, low-temperature fuel cells and other energy converters.
- the sandwich components proposed according to the invention can also be used as structural elements, for example serving as heat shields from the outside, for example in spacecraft for atmospheric re-entry or in supersonic aircraft.
- the fiber-ceramic cover layer is on the outside and the outer layer made of fiber composite material is on the inside of the missile.
- FIG. 1 shows a sandwich component according to the invention, designed as a tube with an insulating layer made of glass foam material and an outer layer made of fiber composite material,
- FIG. 2 shows an embodiment variant of the sandwich component according to the invention with an additional layer of a fiber composite material with a ceramic or glass-like, inorganic matrix on the inside of the insulation layer,
- Figure 3 shows a schematically indicated device for local temperature increase to smooth the inside of the insulation layer
- Figure 5 shows a cross section through a tubular sandwich component according to the invention with attachments or internals on the cold side and hot side,
- Figures 6a - 6d show a manufacturing process of a sandwich component designed in the form of a tube
- Figure 7 shows a sandwich component, designed as a tube
- Figure 8 shows a sandwich component, also designed as a tube, enclosed by an air-guiding sleeve and
- Figures 9 and 9.1 show a sandwich component, also designed as a tube, with fiber-optic sensors laminated into the outer layer.
- Figure 1 shows a sandwich component 50 designed as a tube 24 and proposed according to the invention.
- the illustration according to Figure 1 shows that the sandwich component 50 proposed according to the invention is designed in the form of a tube 24.
- the sandwich component 50 is exposed to a cold side 20 and a hot side 22.
- the cold side 20 can, for example, be the environment where ambient temperature prevails, while on the hot side 22 the flow cross section of the tube 24, for example, has hot air or another hot gas flowing through it. Higher temperatures therefore prevail in the flow cross section of the pipe 24 than on its outside, the cold side 20.
- the sandwich component 50 in the form of the tube 24 contains a surrounding insulation layer 54, which comprises a gas-tight, high-temperature-resistant glass foam material 10. Furthermore, the sandwich component 50 designed as a tube 24 according to FIG. 1 comprises an outer layer 52, which is designed as a fiber composite material. 1, a glass layer 14 is formed on the inside of the insulation layer 54 facing the hot side 22, which forms the surface of the gas-tight, high-temperature-resistant glass foam material 10, which determines the flow cross section of the tube 24, i.e. H. whose cavity is limited.
- FIG. 2 shows an alternative embodiment variant of the sandwich component 50 proposed according to the invention, which is also designed as a tube 24 according to Figure 2.
- the sandwich component 50 includes an outer layer 52 which comprises a fiber composite material 12.
- the outer layer 52 encloses said insulation layer 54, which comprises a gas-tight, high-temperature-resistant glass foam material 10.
- the sandwich component 50 designed as a tube 24 has a glass layer 14 as the surface of the insulation layer 54 on its inside, which limits the flow cross section and is exposed to the hot side 22,
- a sandwich component 50 is shown, which can be exposed to higher temperatures and/or mechanical loads.
- the hot side 22 of the sandwich component 50 can be fiber-reinforced.
- a layer of fiber composite material 16 with a ceramic matrix or with a glass-like, inorganic matrix is applied to the hot side 22 of the insulation layer 54, ie on the glass layer 14. This can be done, for example, by laminating directly onto the insulation layer 54, which comprises a gas-tight, high-temperature-resistant glass foam material 10.
- the laminated layer and the glass foam material 10 are then heat treated together for consolidation or curing or for pyrolysis of the fiber composite material 16 with a ceramic matrix or with a glass-like, inorganic matrix, if the temperature resistance of the foam glass material 10 is high enough for the process necessary for the curing.
- the glass layer 14 is omitted, and the layer of fiber composite material 16 with a ceramic matrix or with a glass-like, inorganic matrix is applied directly to the surface of the glass foam material 10 on the hot side 22 of the insulation layer 54.
- FIG. 3 shows a heat treatment of the glass layer 14 of the glass foam material 10 facing the hot side 22, which forms the insulation layer 54.
- a device 18 for locally generating high temperatures for surface melting of the glass foam material 10 is used.
- the device 18 can be, for example, a laser or a device based on gas combustion or arc, similar to welding and glassblowing work.
- 3 shows that the device 18 is moved in a feed direction 92 along the glass layer 14 of the glass foam material 10.
- the outer area of the glass foam material 10 which is exposed to the heat treatment, melts together, any remaining open glass pores close and, due to the surface tension, the insulation layer 54, ie the glass foam material 10, shrinks from an oversize 96 to a target size 98.
- the glass layer 14 becomes very smooth because the open glass pores are closed and, due to the surface tension, a very smooth inside of the glass foam material 10 forming the insulation layer 54 is formed , which assigns the hot side 22 of the insulation layer 54.
- the sandwich component 90 includes the insulation layer 54, which includes the gas-tight, high-temperature-resistant glass foam material 10.
- the insulation layer 54 of the sandwich component 90 is provided with the fiber composite material 16 with a ceramic matrix or with a glass-like, inorganic matrix, while on the cold side 20 the fiber composite material 12 is arranged as an outer layer 52, which is made of a very light and Fiber composite material 12 is thus manufactured with favorable weight properties for aircraft construction.
- the sandwich component 90 can also serve as a heat or fire protection wall.
- Figure 5 shows an embodiment variant of the sandwich component 50 proposed according to the invention, which is designed with a variable cross section.
- the sandwich component 50 shown in section in Figure 5 and also designed in the form of a tube 24 has a variable cross section.
- the hot side 22 is formed, for example, by the flow cross section of the tube 24, which is designed with a variable cross section and through which a hot air flow flows, for example.
- the sandwich component 50 in the form of the tube 24 includes the insulation layer 54, formed from the gas-tight, high-temperature-resistant glass foam material 10, furthermore the fiber composite material 12 forming the outer layer 52 and, facing the hot side 22, the fiber composite material 16 with a ceramic matrix or with a glass-like, inorganic matrix, ie that Sandwich component 50 is designed in three layers in this exemplary embodiment.
- FIG. 5 shows that the sandwich component 50 in this embodiment variant can be connected, for example, via attachments 30, for example made of fiber composite material, on the cold side 20 under normal environmental conditions, for example with structural elements of an aircraft, in particular an airplane. Furthermore, Figure 5 shows that on the hot side 22 of the sandwich component 50, i.e. H. Attachments 28 are also arranged in the flow cross section of the pipe 24, which consist, for example, of a fiber composite material 12 with a CMC matrix and can therefore withstand high temperatures, such as those that can occur on the hot side 22 of the sandwich component 50.
- the tube 24 of the sandwich component 50 lies one behind the other in the axial direction, has several attachment parts 28 made of a fiber composite material 16 with a ceramic matrix or glass-like, inorganic matrix protruding from the inside of the fiber composite material 16 with a ceramic matrix or with a glass-like, inorganic matrix into the flow cross section .
- the diameter of the sandwich component 50 designed as a tube 24 is indicated by dashed lines.
- the insulation layer 54 includes the glass foam material 10, which is made from glass granules 62 with the addition of a foaming agent.
- fiber material in short form 58 or in long form 60 is added to the glass granulate 62, the fiber material being carbon, metal (for example steel or nickel-based superalloys), basalt or Ceramic fibers or high temperature resistant glass fibers can act.
- Such a manufacturing process can be seen, for example, in the sequence of figures in FIGS. 6a to 6d.
- the inner molded part 34 can, for example, be divisible, have a demolding slope or the like, or enable demolding due to a difference in thermal expansion. In the latter case, this can be achieved, for example, by selecting a material for the material of the inner molded part 34 that has a higher thermal expansion than the material of the workpiece solidified after the shaping process, so that the inner molded part 34 contracts more strongly during the cooling process the workpiece.
- Figure 6b shows how dry reinforcing fibers assigned to the outer tube surface are wound around a preform 36, which represents a hollow component, after or independently of the previously described process.
- the hollow preform 36 comprises a mixture of glass granules 62 with foaming agent and a binding material. Furthermore, the granules 62 can contain short fibers 58 or long fibers 60 if these are needed as crack stoppers in the glass foam material 10 to be foamed.
- the fibers applied according to Figure 6b are not the same as those in Figure 6a, but are new fibers which later form an outer cover layer.
- the hollow preform made of glass granules, foaming agent and binding material is needed as a support for winding in order to hold the fibers on the circumference of the outer diameter, since a cavity is still needed in the mold for space to foam the foam glass.
- the inner fiber layer remains wound on the inner mold after the foaming process until the finished component is removed from the mold.
- the preform 36 prepared according to Figure 6b is either produced around the preform 36 prepared according to Figure 6a or the preforms 36 produced according to Figures 6a and 6b are manufactured separately and then joined together, for example by pushing them into one another.
- the combination of both preforms 36 is, as described below, in transferred to a closed mold 100, whereby the inner molded part 34 described in FIG. 6a can represent a part of this closed mold.
- Figure 6c shows that the closed mold 100 is designed to be divisible and includes a first mold half 102 and a second mold half 104.
- the inner mold 34 prepared according to Figure 6a is enclosed by the closed mold 100 or its mold halves 102 and 104 and both preforms 36 are joined together into a closed mold 100.
- a heating process takes place to approximately 800 ° C, in which it becomes a melting and foaming of the glass granules 62 occurs, so that the fiber layers of the dry reinforcing fibers 32 are saturated.
- reference number 40 denotes an expansion during the foaming process.
- the space for foaming is limited by the annular area between the dry reinforcing fibers 32 on the circumference of the inner mold 34 and on the other hand by the inside of the glass foam material 10 to be foamed.
- a blank of a sandwich component 90 made of fiber ceramic or fiber-reinforced glass, foam glass and fiber composite material 12 is obtained.
- the sandwich component 90 shown in Figure 6d therefore comprises an outer layer 52 made of fiber composite material 12, which covers the insulation layer 54 made of foamed glass foam material 10, which in turn is covered on its side facing the hot side 22 with the fiber composite material 16 with a ceramic matrix or glass-like, inorganic Matrix is covered.
- the resulting blank shown in Figure 6d is cooled and removed from the mold and has a near-net-shape foam glass sandwich structure with fiber-reinforced outside and inside.
- the reinforcing fibers 32 can also have already been completely or partially impregnated with a glass-shaped matrix in advance, so that they are in the form of flat prepreg tapes and in this form in the processes described on the inner mold 34 or the preform 36 can be wrapped.
- the glass from the glass granules has not penetrated into the fiber cover layers during the foaming process, or has not penetrated so deeply, which may have advantages with high-viscosity glasses.
- the sandwich component 50, 90 described above with reference to Figures 1 to 6d or its manufacturing process enables the use of the glass foam material 10 as an insulation layer 54 on the hot side 22 and the use of a fiber composite material 12 as an outer layer 52 on the cold side 20.
- the outer layer 52 made of fiber composite material takes over 12 the tensile load that can arise, for example, due to internal pressure in the tube 24, and not the inner tube as usual.
- the gas-tight, high-temperature-resistant glass foam material 10 takes on the task of sealing the pipe 24 in addition to the insulating function, so that this function cannot be ensured by the fiber composite material 12.
- the described sandwich component 50 which is designed as a tube 24, has the advantage that materials can be used for the outer layer 52 that have a lower temperature resistance than would be the case for an inner shell in contact with a hot gas stream on the hot side 22. Since a significantly larger selection of fiber composite materials is available, materials with better mechanical properties and/or lower prices or lower processing costs can also be used.
- the glass foam material 10 in turn has the advantage that it hardly outgases and therefore the hot medium is not contaminated with vapors.
- the sandwich component 50 proposed according to the invention can be expanded in such a way that it can be provided with a leak detection device 66.
- air channels 76 can be introduced on the outside of the insulation layer 54, which contains a gas-tight, high-temperature-resistant glass foam material 10, which can be done, for example, by milling or molding. These remain air-permeable even after the outer layer 52 has been laminated in the form of the fiber composite material 12 and, in the event of a leak in the insulation layer 54, direct air escaping there to the discrete air outlet points 68 located in a fiber composite shell 78.
- the sandwich component 50 therefore takes over In addition, the task of a non-structural air duct envelope that would otherwise be located further out, which can be saved in this case.
- the discrete air outlet points 68 are dimensioned such that the ability of the outer shell to absorb the circumferential forces through the Taking up internal pressure is still guaranteed.
- the cell walls of the foam glass and any fibers embedded in it are dimensioned so that the cells do not collapse despite the local pressure difference.
- Another possibility for integrating a leak detection device 66 is to laminate fiber-optic sensors 82 into the outer structural fiber composite shell 78. Since in the event of a leak in the insulation layer 54, the hot air that then flows out causes a local temperature increase in the outer layer 52, the leak can be detected in this way , provided that the distance between the fiber optic sensors 82 is small enough so that the temperature influence area of a critical leak is not smaller than the grid of the arrangement of the temperature sensors 72.
- the solid, load-bearing outer layer 52 is covered with a simple air-guiding cover made of film 84, which directs potentially escaping hot air to certain openings with temperature sensors 72. Since this outer shell no longer has an insulating function, it is significantly easier to manufacture and easier to install.
- a film reserve 88 in the form of folds or an embossing can be used to ensure that in the event of air escaping, there is enough distance between the outer cover and the film or is formed by the differential pressure so that this air can flow to discrete openings in the film with leak detection sensors 66 .
- the surface of the insulation layer 54 which faces the hot side 22, is very rough.
- the surface of the glass foam layer 54 (insulation layer) consists of a number of webs of broken glass bubble cells. On the outside, where the outer layer 52 is laminated, this is advantageous in terms of the adhesion of the fiber composite material 12.
- a smooth surface on the inside of the insulation layer 54 is advantageous. It is also advantageous if there are no open glass pores 94 into which liquid could potentially penetrate. To achieve this, a heat treatment is carried out on the surface of the insulation layer 54 that faces the hot side 22.
- the surface treatment can be carried out, for example, using the device 18 in the form of a laser or with a device based on gas combustion or arc.
- the heat treatment described can also be carried out on the end faces of the tube ends of the sandwich components 50 manufactured as tubes 24 in order to achieve a smooth surface for sealing the connecting joints between two tubes 24 to be connected to one another.
- a hot stamp tool or similar can also be considered.
- the insulation layer 54 which comprises a gas-tight, high-temperature-resistant glass foam material 10
- fiber reinforcement can be carried out on the hot side 22 become.
- a fiber composite material 16 with a ceramic matrix or with a glass-like, inorganic matrix is used on the unprocessed surface of the insulation layer 54 on the side of the insulation layer 54 facing the hot side 22.
- Its construction can be done, for example, by direct laminating and subsequent temperature treatment of the laminated layer and the insulation layer 54 together for the consolidation and hardening or pyrolysis of the fiber composite material 16 with a ceramic matrix or with a glass-like, inorganic matrix, if the temperature resistance of the glass foam material 10 is high enough for that
- the above-mentioned fiber composite material 16 is a necessary process (e.g. glass soldering process).
- the sandwich component proposed according to the invention can be used in hot gas lines, for air or exhaust gas routing or as an enclosure for hot units, such as an APU (Auxiliary Power Unit) of an aircraft; it can also be used as an enclosure for associated silencers.
- hot units such as an APU (Auxiliary Power Unit) of an aircraft
- APU Advanced Power Unit
- the sandwich component 50 in contrast to insulating wool, has a solid structure and therefore there is a solid connecting layer on both sides, which is used for fastening add-on elements (see positions 28, 30) or for connecting to external ones structures are suitable.
- the sandwich component 50 proposed according to the invention can be made with a fiber composite material 16 with a ceramic matrix or with a glass-like, inorganic matrix of an insulation layer 54, which has a gas-tight, high-temperature-resistant glass foam material 10 and a fiber composite material 12 as an outer layer 52, for housing further hot aggregates, such as For example, a solid oxide fuel cell or for safety-enhancing housing of potentially hot units (e.g. in the event of a fault), such as batteries, low-temperature fuel cells or other energy converters.
- a fiber composite material 16 with a ceramic matrix or with a glass-like, inorganic matrix of an insulation layer 54 which has a gas-tight, high-temperature-resistant glass foam material 10 and a fiber composite material 12 as an outer layer 52, for housing further hot aggregates, such as For example, a solid oxide fuel cell or for safety-enhancing housing of potentially hot units (e.g. in the event of a fault), such as batteries, low-temperature fuel cells or other energy converters.
- Another application for the described sandwich component 50, 90 proposed according to the invention can be structural elements that serve as heat protection shields from the outside, for example in spacecraft, where they serve as heat protection during atmospheric re-entry or in supersonic aircraft.
- the side provided with the fiber composite material 16 with a ceramic matrix or glass-like, inorganic matrix is on the outside and the outer layer 52 made from the fiber composite material 12 is on arranged on the inside of the aircraft.
- an adaptation of the principle of laminating fiber-optic sensors 82 described above, in this case possibly also in the fiber-ceramic cover layer or in the inner fiber composite material layer in this case or in both, can serve to detect leaks or damage.
- AFP process Thermoplastic Automated Fiber Placement
- mechanical and thermal loads for example due to autoclave pressure, laying head contact pressure or due to temperature gradients, are not higher than the load limit of the glass foam material 10 used as the insulation layer 54.
- the sandwich component 50 designed as a tube 24, can be seen in FIGS. 7 and 7.1.
- the hot side is designated by reference number 22, while the cold side is designated by reference number 20.
- a leak point 48 extends through which hot medium flows from the hot side 22 in the direction of the cold side 20 through the glass foam material 10, which forms the insulation layer 54, via air channels 76 in the direction of an outlet 68 in the area of the outer layer 22.
- a temperature sensor 72 Opposite the outlet 68 on the outer layer 52 is a temperature sensor 72. This senses the temperature increase that occurs due to the emerging hot medium.
- Figure 7.1 shows air channels 76 which cross one another and are embedded in the outer layer 52 of the sandwich component 50, which is also designed as a tube 24.
- the tube 24 has end faces 86 on which the tube 24 can be integrated into a line at corresponding joints or connected to other tubes.
- Figure 8 shows that the sandwich component 50, which is also designed here as a tube 24, is enclosed by an air-guiding cover 84, for example made of a film material.
- the air-conducting sleeve 84 has film reserves 88 at, for example, opposite locations, so that if the medium escapes via a leak in the foam glass layer and the fiber composite layers, it is caught by the air-conducting sleeve 84 and, thanks to the existing reserve 88, there is a gap between outer fiber composite layer and the air guide cover 84 can form, so that the air flows through this gap to one of the outlets 68 and only there exits to the outside.
- the sandwich component 50 designed as a tube 24, is flowed through by a medium on the hot side 22. Analogous to the illustration according to FIG. 7, a temperature sensor 72 is also assigned to the outlet 68.
- the sandwich component 50 includes, in addition to the glass foam material 10, the fiber composite material 12 as an outer layer 52 on its inside, the fiber composite material 16 with a ceramic matrix or with a glass-like, inorganic matrix.
- the sandwich component 50 here also designed as a tube 24, can include fiber-optic sensors 82 laminated into its outer layer 52. These are on the outside of the tube 24, i.e. H. arranged on the outer layer 52, analogous to the course of air channels 76 (see illustration according to Figure 7.1).
- the sandwich component 50 shown in Figure 9 in the form of the tube 24 is one which is constructed analogously to the sandwich component 50 according to Figure 7, namely the glass foam material 10 as an insulating layer 54 and the fiber composite material 12 as the outer layer 52. In the outer layer The fiber optic sensors 82 are laminated into 52.
- the course of the arrangement of the fiber-optic sensors 82 can correspond to the course of the air channels 76, but this is not absolutely necessary. With the air ducts 76, for example, it makes sense if they cross each other regularly; In the case of fiber-optic sensors 82, a close-meshed, spiral-shaped winding in only one direction can also be considered without crossing over.
- the air channels 76 according to FIG. 7 are located in the foam glass layer, while the fiber-optic sensor genes 82 according to FIG. 9 can be assigned to the outer fiber composite layer.
- the invention is not limited to the exemplary embodiments described here and the aspects highlighted therein. Rather, within the range specified by the claims, a large number of modifications are possible, which are within the scope of professional action.
- Air guide cover made of foil
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Abstract
The invention relates to a method for producing an at least two-layered sandwich component (50) in the form of a tube (24) or in the form of a panel (26), wherein the sandwich component (50) is exposed to a cold side (20) and to a hot side (22), comprising at least the following method steps: producing an insulation layer (54) which is made of a gas-tight, high-temperature-resistant glass foam material (10) and faces the hot side (22), and producing an outer layer (52) of the sandwich component (50), which outer layer comprises a fiber-reinforced composite material (12) and faces the cold side (20). The invention also relates to a sandwich component (50) of this type and to the use thereof in an aircraft.
Description
Verfahren zur Herstellung eines mindestens zweischichtigen Sandwichbau- elements Method for producing an at least two-layer sandwich component
Technisches Gebiet Technical area
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines mindestens zweischichtigen Sandwichbauelements in Form eines Rohrs oder in Form einer Platte, wobei das Sandwichbauelement einer Kaltseite und einer Heißseite ausgesetzt ist. Das erfindungsgemäße Sandwichbauelement kann als Heißgasleitung, als Auspuffleitung, als Schalldämpfer oder als Brandschutzwand in einem Luftfahrzeug, beispielsweise in einem Flugzeug, einem Land-, Wasser- oder Raumfahrzeug eingesetzt werden. The invention relates to a method for producing an at least two-layer sandwich component in the form of a tube or in the form of a plate, the sandwich component being exposed to a cold side and a hot side. The sandwich component according to the invention can be used as a hot gas line, as an exhaust line, as a silencer or as a fire protection wall in an aircraft, for example in an airplane, a land vehicle, a water vehicle or a space vehicle.
Stand der Technik State of the art
DE 10 2016 000 915 A1 bezieht sich auf einen Gründungsaufbau eines Bauwerks. Das Bauwerk umfasst eine lastabtragende Dämmung, wobei die Dämmung als Schaumglasschotter als Untergrund für ein Streifenfundament vorgesehen ist. Das Streifenfundament ist außer an der Stelle, an der lastabtragende Wände oder Stützen vorhanden sind, vollumfänglich von einer Schaumglasschotterschicht umgeben. Dadurch werden Wärmebrücken im Bereich der zur Außenwand gewandten Teile der Bodenplatte vermieden, wodurch Schimmelbefall und Feuchtigkeit in den Außenecken eines Bauwerks verhindert werden. DE 10 2016 000 915 A1 relates to a foundation structure of a building. The structure includes load-bearing insulation, with the insulation being provided as foam glass gravel as a base for a strip foundation. The strip foundation is completely surrounded by a foam glass gravel layer, except where there are load-bearing walls or supports. This avoids thermal bridges in the parts of the floor slab facing the outer wall, which prevents mold and moisture in the outer corners of a building.
DE 11 2011 102 404 T5 bezieht sich auf Schaumglas mit niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten und zugehörige Verfahren. Schaumglas kann natürliches Glas enthalten, wobei das Schaumglas mehr als 5 % Aluminiumoxid, bezogen auf das Gewicht des Schaumglases enthält und einen Wärmeausdehnungskoeffizienten im
Bereich zwischen 4Dx 10’6 ppm/°C und 6 x 10’6 ppm/°C aufweist. Eine Zusammensetzung zur Herstellung des Schaumglases kann natürliches Glas, das mindestens 5 % Aluminiumoxid, bezogen auf das Gewicht der Zusammensetzung, enthält, Natriumcarbonat, das weniger als 10 %, bezogen auf das Gewicht der Zusammensetzung, ausmacht und Borsäure, die mindestens 5 %, bezogen auf das Gewicht der Zusammensetzung, ausmacht, enthalten. Ein Verfahren zur Herstellung von Schaumglas kann das Mischen von natürlichem Glas mit Bor zur Bildung eines Gemischs, das Mahlen und das Schmelzen des Gemischs bei einer Temperatur von mindestens 900 °C und das Abkühlenlassen des geschmolzenen Gemischs umfassen, so dass das Schaumglas mindestens 5 % Aluminiumoxid, bezogen auf das Gewicht des Schaumglases, und mindestens 5 % Boroxid, bezogen auf das Gewicht des Schaumglases, enthält. DE 11 2011 102 404 T5 relates to foam glass with low coefficients of thermal expansion and associated processes. Foam glass can contain natural glass, whereby the foam glass contains more than 5% aluminum oxide, based on the weight of the foam glass, and has a coefficient of thermal expansion Range between 4Dx 10' 6 ppm/°C and 6 x 10' 6 ppm/°C. A composition for producing the foam glass may include natural glass containing at least 5% aluminum oxide by weight of the composition, sodium carbonate containing less than 10% by weight of the composition, and boric acid containing at least 5% based on the weight of the composition. A method of making foam glass may include mixing natural glass with boron to form a mixture, grinding and melting the mixture at a temperature of at least 900 °C, and allowing the molten mixture to cool so that the foam glass contains at least 5% alumina , based on the weight of the foam glass, and at least 5% boron oxide, based on the weight of the foam glass.
AT 521 214 B1 bezieht sich auf die Formung von Glasschaum zu Halbzeugen mit Faserverbund. Es wird ein Faserverbundhalbzeug vorgeschlagen, aufweisend eine untere und eine obere Deckschicht mit Fasern, wobei die untere Deckschicht parallel zur oberen Deckschicht angeordnet ist. Zwischen der unteren und der oberen Deckschicht sind elipsoidförmige Glasschaumelemente in zumindest zwei parallelen Ebenen angeordnet, wobei in jeder Ebene die Glasschaumelemente in einem kartesischen Gitter angeordnet sind und die Gitterpunkte zweier benachbarter Parallelebenen in Richtung der Ebenen derart zueinander versetzt sind, dass die kartesischen Gitterpunkte in der einen der beiden benachbarten Ebenen, zwischen den kartesischen Gitterpunkten in der anderen der beiden benachbarten Ebenen angeordnet sind, wobei zwischen den elipsoidförmigen Glasschaumelementen Fasern und Bindematerial angeordnet sind. Die elipsoidförmigen Elemente werden separat als fertige Glasschaumelemente hergestellt und mittels eines anderen Werkstoffs mit Deckschichten verklebt. Die Glasschaumelemente weisen an deren Oberflächen Rippen auf, wobei die Rippen der Glasschaumelemente mit Rippen von in benachbarten Ebenen angeordneten Glasschaumelementen ineinandergreifen. AT 521 214 B1 refers to the shaping of glass foam into semi-finished products with fiber composites. A fiber composite semi-finished product is proposed, having a lower and an upper cover layer with fibers, the lower cover layer being arranged parallel to the upper cover layer. Between the lower and upper cover layers, ellipsoidal glass foam elements are arranged in at least two parallel planes, with the glass foam elements being arranged in a Cartesian grid in each plane and the grid points of two adjacent parallel planes being offset from one another in the direction of the planes in such a way that the Cartesian grid points in the one of the two adjacent levels, are arranged between the Cartesian grid points in the other of the two adjacent levels, with fibers and binding material being arranged between the ellipsoidal glass foam elements. The ellipsoid-shaped elements are manufactured separately as finished glass foam elements and glued to cover layers using a different material. The glass foam elements have ribs on their surfaces, the ribs of the glass foam elements interlocking with ribs of glass foam elements arranged in adjacent levels.
DE 103 41 158 A1 bezieht sich auf ein Glasschaum enthaltendes Bauelement zur Schalldämpfung und Schalldämmung. Das Glasschaum enthaltende Bauteil zur Schalldämpfung und/oder Schalldämmung schließt zumindest an Teilen des Bauteils ein Schutzmaterial an. Bevorzugt weist das Glasschaumbauteil eine erste Seite, eine zweite Seite und eine die erste und die zweite Seite verbindende Berandung auf. Das Schutzmaterial schließt bevorzugt zumindest an Teilen der Berandung und an einen berandungsnahen Bereich der ersten und der zweiten Seite des
Glasschaumbauteils an. Des Weiteren werden Ständerwände, Schalldämpferkulissen und gasführende Kanäle offenbart, die mit Glasschaumbauteilen zur Schalldämpfung und/oder Schalldämmung ausgestattet sind. DE 103 41 158 A1 relates to a component containing glass foam for sound dampening and sound insulation. The component containing glass foam for sound dampening and/or sound insulation is connected to a protective material at least on parts of the component. The glass foam component preferably has a first side, a second side and an edge connecting the first and second sides. The protective material preferably closes at least on parts of the edge and on an area near the edge of the first and second sides of the Glass foam component. Furthermore, stand walls, silencer backdrops and gas-carrying channels are disclosed, which are equipped with glass foam components for sound insulation and/or sound insulation.
Bisherige Konzepte für isolierte Heißgasleitungen sind im Allgemeinen derart aufgebaut, dass sich auf der heißen Innenseite ein gasdichtes Metallrohr befindet, welches meist von Dämmmaterial umgeben ist, wobei das Dämmmaterial im Allgemeinen nicht luftdicht und meist auch nicht dimensionsstabil ist, so zum Beispiel Dämmwolle. Im Anlagenbau, jedoch nicht im Flugzeugbau, existieren Rohrhalbschalen aus Schaumglas, die außen auf ein luftdichtes Metallrohr als Außendämmung aufgebracht werden, wobei die Fügestelle der beiden Halbschalen geklebt ist, nicht luftdicht zu sein braucht und auch keinen Innendruck aufnimmt, da dieser einzig und allein vom Innenrohr getragen wird. Previous concepts for insulated hot gas pipes are generally constructed in such a way that there is a gas-tight metal pipe on the hot inside, which is usually surrounded by insulating material, whereby the insulating material is generally not airtight and usually not dimensionally stable, such as insulating wool. In plant construction, but not in aircraft construction, there are pipe half-shells made of foam glass, which are applied to the outside of an airtight metal pipe as external insulation, whereby the joint between the two half-shells is glued, does not need to be airtight and does not absorb any internal pressure, as this only comes from the Inner tube is worn.
Im Flugzeugbau sind derartige Innenrohre für Heißgas derzeit oft aus Titan gefertigt, um die Gewichts-, Temperatur- und Korrosionsanforderungen einzuhalten und daher relativ kostspielig. Alternativ sind derartige Rohre aus Stahllegierungen gefertigt, was jedoch im Flugzeugbau entscheidende Gewichtsnachteile mit sich bringt. In aircraft construction, such inner tubes for hot gas are currently often made of titanium in order to meet the weight, temperature and corrosion requirements and are therefore relatively expensive. Alternatively, such tubes are made of steel alloys, which, however, entails significant weight disadvantages in aircraft construction.
Eine Alternative, um Kosten und Gewicht einzusparen, ist, derartige Heißgasleitungen aus Faserverbundwerkstoffen herzustellen, wobei aber die hohen Temperaturen und die Erzeugung einer luftdichten Hülle eine Herausforderung darstellen. Weiterhin sind Sandwichkonstruktionen bekannt, bei denen ein Schaumwerkstoff von Deckschichten aus Metall oder Faserverbundwerkstoff eingerahmt ist. An alternative to save costs and weight is to manufacture such hot gas pipes from fiber composite materials, although the high temperatures and the creation of an airtight envelope represent a challenge. Sandwich constructions are also known in which a foam material is framed by cover layers made of metal or fiber composite material.
Darstellung der Erfindung Presentation of the invention
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, insbesondere bei Luftfahrtanwendungen, eine Leitungs- beziehungsweise Plattenanordnung bereitzustellen, die hinsichtlich des Gewichts sehr günstig ist und eine luftundurchlässige Dämmschicht verwirklicht, wobei gleichzeitig Beständigkeit gegen hohe Temperaturen gewährleistet ist. The invention is based on the object, particularly in aviation applications, of providing a line or plate arrangement which is very economical in terms of weight and creates an airtight insulating layer, while at the same time ensuring resistance to high temperatures.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Herstellung eines mindestens zweischichtigen Sandwichbauelements vorgeschlagen, welches in Form eines Rohrs oder in Form einer Platte gefertigt wird, wobei das Sandwichbauelement einer Kaltseite und
einer Heißseite ausgesetzt ist, und wobei zumindest die nachfolgenden Verfahrensschritte durchlaufen werden: a) Herstellung einer der Heißseite zugewandten Isolationsschicht, die einen gasdichten, hochtemperaturbeständigen Glasschaumwerkstoff enthält und b) Herstellung einer der Kaltseite zugewandten Außenschicht des Sandwich- bauelements, welche einen Faserverbundwerkstoff umfasst. According to the invention, a method for producing an at least two-layer sandwich component is proposed, which is manufactured in the form of a tube or in the form of a plate, the sandwich component having a cold side and is exposed to a hot side, and at least the following process steps are carried out: a) production of an insulation layer facing the hot side, which contains a gas-tight, high-temperature-resistant glass foam material and b) production of an outer layer of the sandwich component facing the cold side, which comprises a fiber composite material.
Durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren lassen sich Sandwichbau- elemente herstellen, die hohen und höchsten Temperaturen widerstehen, wobei gleichzeitig durch Einsatz eines Faserverbundwerkstoffs günstige Materialien eingesetzt werden können, die zudem ein äußerst geringes Gewicht aufweisen, was für Luftfahrtanwendungen sehr vorteilhaft ist. The method proposed according to the invention makes it possible to produce sandwich components that can withstand high and extremely high temperatures, while at the same time, by using a fiber composite material, inexpensive materials can be used that also have an extremely low weight, which is very advantageous for aviation applications.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens kann die der Heißseite zugewandte Isolationsschicht mit einer Schicht versehen werden, die einen Faserverbundwerkstoff mit einem Keramik-, Glaskeramikoder Glasmatrixmaterial enthält. Durch diese optional vorsehbare weitere Schicht auf der der Heißseite zugewandten Isolationsschicht lässt sich eine weitere Erhöhung der Temperaturbeständigkeit erreichen sowie eine verbesserte mechanische Widerstandsfähigkeit der Oberfläche auf der Heißgasseite. In an advantageous embodiment of the method proposed according to the invention, the insulation layer facing the hot side can be provided with a layer which contains a fiber composite material with a ceramic, glass ceramic or glass matrix material. This optional additional layer on the insulation layer facing the hot side makes it possible to achieve a further increase in temperature resistance as well as an improved mechanical resistance of the surface on the hot gas side.
In vorteilhafter Weise wird die gemäß Verfahrensschritt a) der Heißseite zugewandte Isolationsschicht, die aus einem gasdichten, hochtemperaturbeständigen Glasschaumwerkstoff besteht, aus einem Blockmaterial oder mithilfe eines Vorformlings, der zumindest ein Glasgranulat und ein Aufschäummittel umfasst, gefertigt. Advantageously, the insulation layer facing the hot side according to method step a), which consists of a gas-tight, high-temperature-resistant glass foam material, is manufactured from a block material or with the aid of a preform which comprises at least one glass granulate and a foaming agent.
Beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren wird die der Heißseite zugewandte Isolationsschicht durch lokale Erzeugung hoher Temperaturen geglättet. Dadurch können beispielsweise aufgebrochene Glasporen bei lokal einwirkenden hohen Temperaturen geglättet werden, so dass sich eine äußerst glatte, strömungstechnisch günstige Innenseite der Isolationsschicht ergibt. Durch das damit erfolgte Schließen der Glasschaumoberfläche wird zudem ein Eindringen von Wasser in Poren und damit eine Schädigung bei Frost verhindert.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens wird das Sandwichbauelement während der Durchführung der Verfahrensschritte a) und b) in einer geschlossenen Form gehalten, in der das Glasgranulat geschmolzen und anschließend unter Wirkung des Aufschäummittels aufgeschäumt wird. In the method proposed according to the invention, the insulation layer facing the hot side is smoothed by locally generating high temperatures. This allows, for example, broken glass pores to be smoothed at locally high temperatures, resulting in an extremely smooth, fluidically favorable inside of the insulation layer. The resulting closure of the glass foam surface also prevents water from penetrating into pores and thus preventing damage in the event of frost. In a further advantageous embodiment of the method proposed according to the invention, the sandwich component is held in a closed mold during the implementation of method steps a) and b), in which the glass granules are melted and then foamed under the action of the foaming agent.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens wird in der geschlossenen Form das Fasermaterial, aus dem die Deckschicht oder die Deckschichten geformt werden, als Vorformling in Form eines Faserformlings oder eines porösen faserkeramischen Materials mit der Schmelze des Glasgranulats durchtränkt. In a further advantageous embodiment of the method proposed according to the invention, the fiber material from which the cover layer or the cover layers are formed is impregnated with the melt of the glass granules as a preform in the form of a fiber molding or a porous fiber-ceramic material in the closed mold.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens wird der gasdichte, hochtemperaturbeständige Glasschaumwerkstoff bei dessen Herstellung mit Fasermaterial, insbesondere Karbon-, Metall-, Basalt- oder Keramikfasermaterial oder auch besonders hochtemperaturbeständigem Glasfasermaterial versetzt, wobei das Fasermaterial sowohl als Kurzfaser als auch als Langfaser vorliegen kann. In a further advantageous embodiment of the method proposed according to the invention, the gas-tight, high-temperature-resistant glass foam material is mixed with fiber material, in particular carbon, metal, basalt or ceramic fiber material or particularly high-temperature-resistant glass fiber material during its production, the fiber material being present both as a short fiber and as a long fiber can.
In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens wird das Fasermaterial - als Kurz- oder Langfaser oder als Endlosfaser vorliegend - in oder um das Glasgranulat vor dessen Aufschmelzen oder Aufschäumen eingebracht oder als gewickelter Vorformling für spätere Deckschichten oder als Textilhalbzeug, insbesondere als Geflecht-ZGewebedeckschicht auf eine oder mehrere Oberflächen, oder als Abstandsgewirk eingebracht, die während des Schmelz- und Aufschäum prozesses des Glasgranulats von diesem durchtränkt werden. In weiterer Ausgestaltung wird zum Durchtränken der Faserzwischenräume mit Glasmatrix ein Glaswerkstoff verwendet, der bei der Prozesstemperatur eine besonders niedrige Viskosität erreicht, beispielsweise ein Glaslot. Insbesondere wird dieser Glaswerkstoff mit besonders niedriger Viskosität nur in den Bereichen der besonders dicht gepackten Faserdeckschichten (Heiß- und/oder Kaltseite) eingesetzt und im Bereich des Glasschaums ein anderer Glaswerkstoff, der gegebenenfalls auch eine höhere Schmelztemperatur aufweist. In a further embodiment of the method proposed according to the invention, the fiber material - present as a short or long fiber or as a continuous fiber - is introduced into or around the glass granulate before it is melted or foamed or as a wound preform for later cover layers or as a semi-finished textile product, in particular as a braided fabric cover layer on a or several surfaces, or introduced as a spacer fabric, which are soaked by the glass granules during the melting and foaming process. In a further embodiment, a glass material that achieves a particularly low viscosity at the process temperature, for example a glass solder, is used to impregnate the fiber gaps with the glass matrix. In particular, this glass material with a particularly low viscosity is only used in the areas of the particularly densely packed fiber cover layers (hot and / or cold side) and in the area of the glass foam another glass material, which may also have a higher melting temperature.
In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind die für die Ablage der Deckschichten verwendeten Fasern (z. B. Rovings) bereits beim Herstellen
des beispielsweise gewickelten Vorformlings mit einem Glaswerkstoff beziehungsweise einem Glaslot vorimprägniert, so zum Beispiel in Form eines Prepreg Tapes, die in einem vorangegangenen Prozess imprägniert wurden. In a further embodiment of the method according to the invention, the fibers (e.g. rovings) used for depositing the cover layers are already in production of the preform, for example wound, is pre-impregnated with a glass material or a glass solder, for example in the form of a prepreg tape, which was impregnated in a previous process.
In vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens werden auf einer Außenseite der Isolationsschicht, die den gasdichten, hochtemperaturbeständigen Glasschaumwerkstoff enthält, Luftkanäle eingebracht, die nach Auflaminieren der Außenschicht luftdurchlässig bleiben und im Fall eines Lecks in der Isolationsschicht durch diese austretende Luft zu diskreten Luftauslassöffnungen leiten, die den Temperatursensoren zugeordnet werden. Dabei können bereits bei der Herstellung des Sandwichbauelements für ein Leckagedetektionssystem vorbereitende Maßnahmen getroffen werden. In an advantageous embodiment of the method proposed according to the invention, air channels are introduced on an outside of the insulation layer, which contains the gas-tight, high-temperature-resistant glass foam material, which remain air-permeable after the outer layer has been laminated on and, in the event of a leak in the insulation layer, guide air escaping through this to discrete air outlet openings assigned to the temperature sensors. Preparatory measures for a leak detection system can be taken during the production of the sandwich component.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens werden in die die Isolationsschicht überdeckende Außenschicht aus Faserwerkstoff faseroptische Temperatursensoren einlaminiert. Auch dadurch können in alternativer Vorgehensweise bereits Vorkehrungen für eine spätere Leckagedetektionsvorrichtung getroffen werden. In a further advantageous embodiment of the method proposed according to the invention, fiber-optic temperature sensors are laminated into the outer layer made of fiber material covering the insulation layer. This also means that, in an alternative approach, precautions can be taken for a later leak detection device.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens werden bei der Wärmebehandlung der der Heißseite zugewandten Isolationsschicht Stege aufgebrochener Glasblasen des Glasgranulats aufgeschmolzen, die sich durch Oberflächenspannung zu einer glatten Oberfläche zusammenziehen, so dass die der beispielsweise heißen Luftströmung zugewandte Innenseite der Isolationsschicht wirkungsvoll geglättet werden kann und sich eine reibungsarme Strömung einstellt. In a further advantageous embodiment of the method proposed according to the invention, during the heat treatment of the insulation layer facing the hot side, webs of broken glass bubbles of the glass granules are melted, which contract due to surface tension to form a smooth surface, so that the inside of the insulation layer facing the hot air flow, for example, can be effectively smoothed and a low-friction flow occurs.
Beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren wird die Wärmebehandlung auch an Stirnseiten des Sandwichbauelements durchgeführt, für den Fall, dass dieses als Rohr gefertigt wird, um glatte Oberflächen zur Abdichtung eines Verbindungsstoßes zweier miteinander zu verbindender erfindungsgemäß vorgeschlagener Sandwichbauelemente, ausgeführt als Rohre, zu erhalten. In the method proposed according to the invention, the heat treatment is also carried out on the end faces of the sandwich component, in the event that this is manufactured as a tube, in order to obtain smooth surfaces for sealing a joint of two sandwich components proposed according to the invention to be connected to one another, designed as tubes.
In vorteilhafter Weise wird der Faserverbundwerkstoff mit keramischer Matrix auf die der Heißseite zugewandte Isolationsschicht auflaminiert, anschließend eine Temperaturbehandlung des Laminats und der Isolationsschicht zur gemeinsamen Aushärtung oder Pyrolyse der keramischen Matrix durchgeführt. Dadurch lässt sich
ein gemeinsamer Fertigungsschritt erreichen. Des Weiteren ist der Verbund aus Faserverbundwerkstoff mit keramischer Matrix und der Isolationsschicht äußerst wirkungsvoll. Advantageously, the fiber composite material with a ceramic matrix is laminated onto the insulation layer facing the hot side, and then a temperature treatment of the laminate and the insulation layer is carried out for joint curing or pyrolysis of the ceramic matrix. This allows achieve a common production step. Furthermore, the combination of fiber composite material with a ceramic matrix and the insulation layer is extremely effective.
In einerweiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens kann eine vorgefertigte Schicht des Fasermaterials mit keramischer, glaskeramischer oder glasartiger anorganischer Matrix mittels eines Lötprozesses, so zum Beispiel unter Verwendung eines Glaslots (d. h. eines Glases mit einer niedrigeren Schmelztemperatur als der des Schaumglases) auf die der Heißseite zugewandte, gasdichte, hochtemperaturbeständige Isolationsschicht aufgelötet werden. Gegebenenfalls kann dieser Lötprozess auch auf beiden Seiten, d. h. auf der Heißseite und auf der Kaltseite angewendet werden, zum Beispiel wenn beides gleichzeitig in einem Temperaturbehandlungsprozess ablaufen kann. In a further embodiment of the method proposed according to the invention, a prefabricated layer of the fiber material with a ceramic, glass-ceramic or glass-like inorganic matrix can be applied to the hot side facing the hot side by means of a soldering process, for example using a glass solder (i.e. a glass with a lower melting temperature than that of the foam glass). , gas-tight, high-temperature-resistant insulation layer can be soldered on. If necessary, this soldering process can also be carried out on both sides, i.e. H. be applied on the hot side and on the cold side, for example if both can take place at the same time in a temperature treatment process.
In einerweiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens kann eine vorgefertigte Schicht des Faserverbundwerkstoffs mit keramischer Matrix mittels eines Klebeprozesses unter Verwendung eines hochtemperaturbeständigen Klebstoffs auf die der Heißseite zugewandte, gasdichte, hochtemperaturbeständige Isolationsschicht aufgeklebt werden. Bei dieser Vorgehensweise kann die Hochtemperaturbehandlung zwischen dem Faserverbundwerkstoff mit keramischer Matrix einerseits und der Isolationsschicht eingespart werden. In a further embodiment of the method proposed according to the invention, a prefabricated layer of the fiber composite material with a ceramic matrix can be glued to the gas-tight, high-temperature-resistant insulation layer facing the hot side by means of an adhesive process using a high-temperature-resistant adhesive. With this procedure, the high-temperature treatment between the fiber composite material with a ceramic matrix on the one hand and the insulation layer can be saved.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens wird der Faserverbundwerkstoff auf der Kaltseite als Außenschicht mittels Duroplast-Prepreg-basierter Verfahren, Harzinfusionsverfahren, RTM-Verfahren oder Thermoplast-Prepreg-basierter Verfahren, insbesondere TP-AFP-Verfahren aufgebracht. In an advantageous embodiment of the method proposed according to the invention, the fiber composite material is applied to the cold side as an outer layer using thermoset prepreg-based processes, resin infusion processes, RTM processes or thermoplastic prepreg-based processes, in particular TP-AFP processes.
Darüber hinaus bezieht sich die Erfindung auf ein Sandwichbauelement in Form eines Rohrs oder einer Platte, welches einer Kaltseite und einer Heißseite ausgesetzt ist, wobei das Sandwichbauelement zumindest zweischichtig ausgebildet ist und eine der Heißseite zugewandte Isolationsschicht umfasst, die einen gasdichten, hochtemperaturbeständigen Glasschaumwerkstoff umfasst sowie eine der Kaltseite zugewandte Außenschicht, die einen Faserverbundwerkstoff enthält.
Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Sandwichbauelement hat einerseits ein sehr geringes Gewicht, was für Luftfahrtanwendungen äußerst vorteilhaft ist, und zeichnet sich andererseits dadurch aus, dass eine luftundurchlässige Dämmschicht, nämlich die Isolationsschicht aus dem Glasschaumwerkstoff vorliegt, die gleichzeitig hohen Temperaturen standhält. In addition, the invention relates to a sandwich component in the form of a tube or a plate, which is exposed to a cold side and a hot side, the sandwich component being designed in at least two layers and comprising an insulation layer facing the hot side, which comprises a gas-tight, high-temperature-resistant glass foam material and a outer layer facing the cold side, which contains a fiber composite material. The sandwich component proposed according to the invention has, on the one hand, a very low weight, which is extremely advantageous for aviation applications, and, on the other hand, is characterized by the fact that there is an airtight insulation layer, namely the insulation layer made of the glass foam material, which at the same time can withstand high temperatures.
Das Sandwichbauelement kann sowohl in Form eines Rohrs als auch in Form einer Platte, beispielsweise als Paneel ausgeführt werden. The sandwich component can be designed both in the form of a tube and in the form of a plate, for example as a panel.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsvariante des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Sandwichbauelements sieht vor, dass die der Heißseite zugewandte Isolationsschicht, die einen gasdichten, hochtemperaturbeständigen Glasschaumwerkstoff umfasst, mit einer Schicht versehen ist, die einen Faserverbundwerkstoff mit einem Keramik-, Glaskeramik- oder Glasmatrixmaterial enthält. Dadurch kann ein über ein zweischichtig aufgebautes Sandwichbauelement hinausgehendes dreischichtiges Sandwichbauelement bereitgestellt werden, welches hinsichtlich seiner Temperaturbeständigkeit und mechanischer Festigkeit und seiner Dichtheitsanforderungen nochmals verbessert ist. A further advantageous embodiment variant of the sandwich component proposed according to the invention provides that the insulation layer facing the hot side, which comprises a gas-tight, high-temperature-resistant glass foam material, is provided with a layer which contains a fiber composite material with a ceramic, glass ceramic or glass matrix material. This makes it possible to provide a three-layer sandwich component that goes beyond a two-layer sandwich component and is further improved in terms of its temperature resistance and mechanical strength and its tightness requirements.
Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung des Sandwichbauelements in einem Luftfahrzeug, insbesondere in einem Flugzeug, als Heißgasleitung, Zapfluft- oder Auspuffleitung oder als Triebwerks- oder APU-Schalldämpfer. Eine weitere Verwendung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Sandwichbauelements ist dessen Verwendung als Einhausung von Aggregaten, die entweder im Betrieb regulär heiß werden und/oder im Fall eines Fehlers/Versagens oder bei Feuer potenziell heiß werden können, insbesondere einer Festoxidbrennstoffzelle oder Batterien oder Niedertemperaturenergiewandlern oder weiterer Abwärme-pro- duzierender Komponenten eines Luftfahrzeugs, insbesondere eines Flugzeugs. Des Weiteren kann das Sandwichbauelement als Brandschutzbarriere oder dergleichen in einem Land-, Wasser oder auch in einem Raumfahrzeug verwendet werden. Furthermore, the invention relates to the use of the sandwich component in an aircraft, in particular in an airplane, as a hot gas line, bleed air or exhaust line or as an engine or APU silencer. Another use of the sandwich component proposed according to the invention is its use as an enclosure for units that either become hot during operation and/or can potentially become hot in the event of an error/failure or in the event of fire, in particular a solid oxide fuel cell or batteries or low-temperature energy converters or other waste heat. producing components of an aircraft, in particular an aircraft. Furthermore, the sandwich component can be used as a fire protection barrier or the like in a land vehicle, water vehicle or even in a space vehicle.
Vorteile der Erfindung Advantages of the invention
Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung eines Sandwichbauelements, insbesondere gefertigt gemäß dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren, umfasst dieses einen Mantel aus hochfestem Faserverbundwerkstoff sowie eine
Isolierschicht aus einem gasdichten, hochtemperaturbeständigen Glasschaumwerkstoff. Die Erfindung stellt eine Funktionalität für ein Sandwichbauelement dar, indem dieses einerseits eine luftundurchlässig ausgebildete Dämmschicht umfasst, die andererseits gleichzeitig hohen Temperaturen standhält. Bisher war es erforderlich, beispielsweise bei Bleed-Air-Rohren bei Luftfahrzeugen, die Luftdichtheit durch andere Schichten beziehungsweise Komponenten sicherzustellen, da die verfügbaren, hochtemperaturbeständigen Isolationsmatenalien unzureichend luftdicht sind. Due to the solution proposed according to the invention of a sandwich component, in particular manufactured according to the method proposed according to the invention, this comprises a jacket made of high-strength fiber composite material and a Insulating layer made of a gas-tight, high-temperature-resistant glass foam material. The invention provides functionality for a sandwich component in that, on the one hand, it comprises an airtight insulation layer, which, on the other hand, withstands high temperatures. Previously, it was necessary, for example in the case of bleed air pipes in aircraft, to ensure airtightness through other layers or components, since the available, high-temperature-resistant insulation materials are insufficiently airtight.
Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung wird die Verwendung von Schäumen auch für hohe Temperaturen verwirklicht, nun jedoch mit Glas statt Polymerwerkstoffen als Schaumwerkstoff. Gleichzeitig können durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung Konstruktionen mit hoher thermischer Dämmwirkung erreicht werden, die dabei, im Gegensatz zu oft verwendeten weichen Mineraloder Glaswollmatten, eine erhöhte Formstabilität aufweisen und damit auf leichtere Art und Weise konstruktiv an Strukturbauteile angebunden werden können. The solution proposed according to the invention enables the use of foams also for high temperatures, but now with glass instead of polymer materials as the foam material. At the same time, the solution proposed according to the invention can be used to achieve constructions with a high thermal insulation effect, which, in contrast to often used soft mineral or glass wool mats, have increased dimensional stability and can therefore be structurally connected to structural components in an easier way.
Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung kann des Weiteren die Rauigkeit mechanisch bearbeiteter Oberflächen des Glasschaumwerkstoffs verbessert werden, da die Anzahl offener Glasschaumwerkstoffporen an der Oberfläche, insbesondere an der Innenseite der Isolationsschicht erheblich verringert und somit die Beständigkeit dieser Oberfläche verbessert wird. Des Weiteren wird durch die Glättung der Innenseite der Isolationsschicht der Durchflusswiderstand für Medien reduziert und gleichzeitig die Wahrscheinlichkeit für das Ablösen von Oberflächenpartikeln der Isolationsschicht verringert. The solution proposed according to the invention can further improve the roughness of mechanically processed surfaces of the glass foam material, since the number of open glass foam material pores on the surface, in particular on the inside of the insulation layer, is significantly reduced and thus the durability of this surface is improved. Furthermore, by smoothing the inside of the insulation layer, the flow resistance for media is reduced and at the same time the probability of detachment of surface particles of the insulation layer is reduced.
Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung lässt sich ein Sandwichbauelement bereitstellen, welches insbesondere eine Heißgasleitung, zum Beispiel eine Zapfluft- oder Auspuffleitung oder einen Triebwerks- oder APU-Schalldämpfer in einem Luftfahrzeug, insbesondere in einem Flugzeug, darstellt, wobei das vorgeschlagene Sandwichbauelement einen äußeren Mantel aus einem Faserverbundmatenal umfasst und eine innenliegende Isolationsschicht aus einem gasdichten, hochtemperaturbeständigen Glasschaumwerkstoff, wie beispielsweise Schaumglas, umfasst. Optional kann dabei die Innenseite der Isolationsschicht mit einem weiteren hochtemperaturbeständigen Werkstoff, insbesondere einem Faserverbundwerkstoff mit keramischer, glaskeramischer oder glasartiger, anorganischer
Matrix überdeckt sein. Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Sandwichbauele- ment kann sowohl in Form eines Rohrs als auch aufgeklappt als flaches Paneel vorliegen, welches zum Beispiel als Hitze- oder als Feuerschutzwand dient. The solution proposed according to the invention makes it possible to provide a sandwich component, which in particular represents a hot gas line, for example a bleed air or exhaust line or an engine or APU silencer in an aircraft, in particular in an airplane, the proposed sandwich component comprising an outer jacket a fiber composite material and comprises an internal insulation layer made of a gas-tight, high-temperature-resistant glass foam material, such as foam glass. Optionally, the inside of the insulation layer can be coated with another high-temperature-resistant material, in particular a fiber composite material with ceramic, glass-ceramic or glass-like, inorganic Matrix must be covered. The sandwich component proposed according to the invention can be in the form of a tube or, when opened, as a flat panel, which serves, for example, as a heat or fire protection wall.
Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung kann eine bisher notwendige, weitere äußere Hülle zur Leckdetektion bei Zapfluftleitungen entweder auf eine dünne Folienhülle ohne weitere Isolierung reduziert oder ganz eingespart werden, indem auf der Außenschicht der Isolationsschicht Luftkanäle eingebracht werden, die zu diskreten, definierten Luftauslasspunkten des in Rohrform gefertigten Sand- wichbauelements führen, an denen sich wiederum Temperatursensoren befinden. Diese Temperatursensoren können alternativ auch in das Sandwichbauelement in Form von Folien, Fasern oder Drähten einlaminiert werden. With the solution proposed according to the invention, a previously necessary additional outer shell for leak detection in bleed air lines can either be reduced to a thin film shell without further insulation or can be eliminated entirely by introducing air channels on the outer layer of the insulation layer, which lead to discrete, defined air outlet points of the pipe-shaped manufactured sandwich component, which in turn has temperature sensors on it. Alternatively, these temperature sensors can also be laminated into the sandwich component in the form of films, fibers or wires.
Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung kann beispielsweise bei einem in Rohrform vorliegenden erfindungsgemäßen Sandwichbauelement die Außenschicht aus Faserverbundwerkstoff die Zugbelastung aufnehmen, die zum Beispiel durch Innendruck im Rohr entstehen kann und nicht wie bei bisherigen Anwendungen das Innenrohr. Der gasdichte, hochtemperaturbeständige Schaumglaswerkstoff hingegen übernimmt außer der Dämmungsfunktion die Aufgabe, die Dichtheit des rohrförmig ausgebildeten Sandwichbauelements sicherzustellen, so dass die Außenschicht aus Faserverbundwerkstoff diese Aufgabe nicht übernehmen muss. Dadurch kann in vorteilhafter Weise erreicht werden, dass für die Außenhülle, d. h. die Außenschicht Materialien verwendet werden können, die eine geringere Temperaturbeständigkeit aufweisen als dies für eine Innenhülle im Kontakt mit dem Heißgas der Fall wäre. Da somit eine wesentlich größere Auswahl an Faserverbundwerkstoffen zur Verfügung steht, können dafür auch Werkstoffe mit besseren mechanischen Eigenschaften und/oder geringerem Preis beziehungsweise Verarbeitungskosten verwendet werden. Der als Isolationsschicht eingesetzte Schaumglaswerkstoff hingegen hat den Vorteil, dass dieser kaum ausgast und damit das heiße Medium nicht mit Dämpfen verunreinigt wird. As a result of the solution proposed according to the invention, for example, in the case of a sandwich component according to the invention in the form of a tube, the outer layer made of fiber composite material can absorb the tensile load that can arise, for example, from internal pressure in the tube and not the inner tube as in previous applications. The gas-tight, high-temperature-resistant foam glass material, on the other hand, takes on, in addition to the insulation function, the task of ensuring the tightness of the tubular sandwich component, so that the outer layer made of fiber composite material does not have to take on this task. This can advantageously be achieved for the outer shell, i.e. H. the outer layer can be used materials that have a lower temperature resistance than would be the case for an inner shell in contact with the hot gas. Since a significantly larger selection of fiber composite materials is available, materials with better mechanical properties and/or lower prices or processing costs can also be used. The foam glass material used as an insulation layer, on the other hand, has the advantage that it hardly emits gases and therefore the hot medium is not contaminated with vapors.
Zur Erhöhung der Festigkeit der Isolationsschicht kann bereits bei der Herstellung des Glasgranulats und/oder des Glasschaumwerkstoffs Fasermaterial in Gestalt von Karbon-, Metall- (beispielsweise Stahl oder Nickelbasissuperlegierung), Basalt-, Keramikfasern oder auch besonders hochtemperaturbeständigen Glasfasern eingebracht werden, um die Festigkeit und Schadenstoleranz dieses Werkstoffs zu
erhöhen. Das Fasermaterial, als Kurz-, Lang- oder sogenannte Endlosfaser vorliegend, dient als Versteifung und Rissstopper im Glasschaumwerkstoff. Das Fasermaterial kann in das Glasgranulat vor dessen Aufschmelzen beziehungsweise Aufschäumen eingemischt werden oder als gewickelter Vorformling (für spätere Deckschichten) oder Textilhalbzeug, insbesondere als Geflecht- oder Gewebedeckschicht oder Abstandsgewirk, mit eingelegt werden. Diese Fasermaterialien können dann während des Schmelz- und Aufschäum prozesses des Glasgranulats von diesem angebunden und durchtränkt werden. Um das Durchtränken der Faserzwischenräume mit Glasmatrix zu erleichtern, kann gegebenenfalls ein Glaswerkstoff verwendet werden, der bei der Prozesstemperatur eine besonders niedrige Viskosität erreicht, beispielsweise ein Glaslot. Weiterhin kann dieser Glaswerkstoff mit besonders niedriger Viskosität auch nur in den Bereichen der Faserdeckschichten (Heiß- und/oder Kaltseite) eingesetzt werden und im Bereich des Glasschaums ein anderer Glaswerkstoff, der gegebenenfalls auch eine höhere Schmelztemperatur aufweist. To increase the strength of the insulation layer, fiber material in the form of carbon, metal (for example steel or nickel-based superalloy), basalt, ceramic fibers or particularly high-temperature-resistant glass fibers can be introduced during the production of the glass granules and / or the glass foam material in order to increase the strength and Damage tolerance of this material increase. The fiber material, available as short, long or so-called continuous fibers, serves as a stiffener and crack stopper in the glass foam material. The fiber material can be mixed into the glass granulate before it is melted or foamed or can be inserted as a wound preform (for later cover layers) or semi-finished textile product, in particular as a braid or fabric cover layer or spacer fabric. These fiber materials can then be bound and soaked in the glass granules during the melting and foaming process. In order to make it easier to impregnate the fiber gaps with the glass matrix, a glass material can optionally be used that achieves a particularly low viscosity at the process temperature, for example a glass solder. Furthermore, this glass material with a particularly low viscosity can only be used in the areas of the fiber cover layers (hot and / or cold side) and in the area of the glass foam another glass material, which may also have a higher melting temperature.
Im Fall einer Schlagbeanspruchung des erfindungsgemäßen Sandwichbauteilele- ments von außen, insbesondere auf die aus Faserverbundwerkstoff gefertigte Außenschicht ist diese hinsichtlich ihrer mechanischen Restfestigkeit auszulegen. Das Risiko, dass selbst bei geringer Beanspruchung des in Rohrform gefertigten erfindungsgemäßen Sandwichbauelements dieses undicht wird, ist jedoch gering, da sich unter diesem die aus Schaumwerkstoff gefertigte Isolationsschicht befindet. Da diese viele einzelne Zellen umfasst, wobei jede für sich genommen gasdicht ist, ist selbst dann noch mit einer Gasdichtheit zu rechnen, wenn einige der äußeren Zellen beschädigt wären. Dadurch entsteht ein zusätzlicher Sicherheitsgewinn, da kleine Schlagbeanspruchungen oft unterhalb des sichtbaren Bereichs liegen und daher nicht detektiert werden, die Konstruktion diesen kleinen Schäden gegenüber jedoch tolerant ist. In the event of impact stress on the sandwich component element according to the invention from the outside, in particular on the outer layer made of fiber composite material, this must be designed with regard to its residual mechanical strength. However, the risk that the sandwich component according to the invention, which is manufactured in the form of a tube, will become leaky even with low stress is low, since the insulation layer made of foam material is located underneath it. Since this comprises many individual cells, each of which is gas-tight, gas-tightness can still be expected even if some of the outer cells were damaged. This creates an additional safety gain, as small impact loads are often below the visible range and are therefore not detected, but the design is tolerant of these small damages.
Durch das Einbringen von Luftkanälen auf der Außenseite der Isolationsschicht können Vorarbeiten für eine Leckdetektionsvorrichtung getroffen werden. Wird bei den weiteren Fertigungsschritten sichergestellt, dass die Luftkanäle auch nach dem Auflaminieren der Außenschicht aus Faserverbundwerkstoff luftdurchlässig bleiben, leiten sie im Fall eines Lecks in der inneren, d. h. der Isolationsschicht austretende Luft zu in der Außenschicht befindlichen, diskreten Luftauslasspunkten, vor welchen Temperatursensoren platziert werden. Dadurch kann eine zusätzliche, nicht-strukturelle Luftführungshülle eingespart werden.
Alternativ dazu kann eine Leckdetektionseinrichtung durch das Einlaminieren faseroptischer Sensoren in die Außenschicht aus Faserverbundwerkstoff dargestellt werden. Wenn im Fall eines Lecks in der Isolationsschicht und daraufhin ausströmende Luft diese eine lokale Temperaturerhöhung in der Außenschicht verursacht, kann das Leck detektiert werden. By introducing air channels on the outside of the insulation layer, preparatory work for a leak detection device can be carried out. If the further manufacturing steps ensure that the air channels remain permeable to air even after the outer layer made of fiber composite material has been laminated on, in the event of a leak in the inner layer, ie the insulation layer, they direct air escaping to discrete air outlet points located in the outer layer, in front of which temperature sensors are placed . This means that an additional, non-structural air ducting envelope can be saved. Alternatively, a leak detection device can be provided by laminating fiber optic sensors into the outer layer made of fiber composite material. If, in the event of a leak in the insulation layer and air flowing out as a result, this causes a local increase in temperature in the outer layer, the leak can be detected.
Eine weitere Möglichkeit einer Leckdetektionsvorrichtung ist dadurch gegeben, dass die feste lasttragende Außenschicht mit einer einfachen Luftleithülle aus Folienmaterial umhüllt wird, die im Fehlerfall ausströmende Luft zu bestimmten Öffnungen mit Temperatursensoren leitet. Da diese aus Folienmaterial gebildete Außenhülle nun keine Dämmfunktion übernimmt, ist sie deutlich einfacher herzustellen sowie zu montieren. Über eine Folienreserve in Form von Falten oder einer Prägung kann sichergestellt werden, dass im Fall von ausströmender Luft zwischen Außenhülle und Folie genügend Abstand vorhanden ist oder sich durch den Differenzdruck bildet, damit diese Luft zu diskreten Öffnungen in der Folie mit Leckdetektionssensoren strömen kann. Another possibility for a leak detection device is that the solid, load-bearing outer layer is covered with a simple air-conducting cover made of film material, which, in the event of a fault, directs air flowing out to certain openings with temperature sensors. Since this outer shell made of foil material does not perform any insulating function, it is significantly easier to manufacture and assemble. A film reserve in the form of folds or embossing can be used to ensure that in the event of air escaping, there is enough space between the outer cover and the film or is formed by the differential pressure so that this air can flow to discrete openings in the film with leak detection sensors.
In vorteilhafter Weise ist die Innenseite der Isolationsschicht als glatte Oberfläche ausgeführt, was durch eine Wärmebehandlung erreicht werden kann, wobei Stege aufgebrochener Glasblasen aufschmelzen und sich die Oberfläche des geschmolzenen Glases zu einer glatten Fläche zusammenzieht. Hierbei nimmt das Volumen des Glasschaumwerkstoffs lokal ab, so dass ein gegebenenfalls mechanisch bearbeiteter Rohling an den zu behandelnden Seiten mit entsprechendem Übermaß herzustellen ist. Ferner ist die Oberflächenhitzebehandlung so zu dosieren, dass sich nach der Behandlung und dem Zusammenschmelzen die Sollgeometrie ergibt. Die gewünschte Schichtstärke des oberflächlich dann nicht mehr porösen, sondern monolithischen Glasschaumwerkstoffs kann dadurch und durch die Größe des vorgehaltenen Übermaßes beeinflusst werden. Die Hitzebehandlung kann beispielsweise mittels eines Lasers oder mit einem auf Gasverbrennung oder Lichtbogen basierenden Gerät, ähnlich wie bei Schweiß- oder Glasbläserarbeiten, durchgeführt werden. In vorteilhafter Weise kann die Hitzebehandlung an Stirnseiten von Rohrenden durchgeführt werden, um eine glatte Oberfläche zum Abdichten des Verbindungsstoßes zu erreichen. Um an den Stirnseiten der Rohrenden nicht nur eine glatte, sondern auch ebene beziehungsweise geometrisch genau zu einer Dichtung passende Oberfläche zu erzeugen, kann auch die Verwendung eines heißen Stempelwerkzeugs oder ähnlichem zur Durchführung der Hitzebehandlung dienen. Um
schädliche Zugspannungen im Werkstück zu vermeiden, kann es auch sinnvoll sein, entweder den Rohling insgesamt bei dessen Oberflächenbearbeitung auf ein höheres Temperaturniveau aufzuheizen und/oder im Anschluss an die Oberflächenbearbeitung einer Wärmebehandlung, ähnlich wie bei Glas-Temperprozessen durchzuführen. Advantageously, the inside of the insulation layer is designed as a smooth surface, which can be achieved by heat treatment, whereby webs of broken glass bubbles melt and the surface of the molten glass contracts to form a smooth surface. Here, the volume of the glass foam material decreases locally, so that an optionally mechanically processed blank must be produced with a corresponding oversize on the sides to be treated. Furthermore, the surface heat treatment must be dosed in such a way that the target geometry results after treatment and melting. The desired layer thickness of the glass foam material, which is no longer porous on the surface but is monolithic, can be influenced by this and by the size of the excess dimension provided. The heat treatment can be carried out, for example, using a laser or with a gas combustion or arc-based device, similar to welding or glassblowing work. The heat treatment can advantageously be carried out on the end faces of pipe ends in order to achieve a smooth surface for sealing the joint. In order to create not only a smooth surface on the end faces of the pipe ends, but also a flat one or one that fits geometrically exactly to a seal, the use of a hot stamp tool or similar can also be used to carry out the heat treatment. Around In order to avoid harmful tensile stresses in the workpiece, it can also make sense to either heat the blank as a whole to a higher temperature level during its surface processing and/or to carry out a heat treatment following the surface processing, similar to glass tempering processes.
Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Sandwichbauelement kann zur Einhausung heißer Aggregate, wie zum Beispiel eine APU (Auxiliary Power Unit) eines Flugzeugs, zur Zuluft- oder Abgasführung genutzt werden oder zur Einhausung zugehöriger Schalldämpfer, die auch heiß werden, eingesetzt werden. Die Luftdichtheit ist hier eher vernachlässigbar, so dass die erfindungsgemäß vorgeschlagenen Sandwichbauelemente auch geteilt hergestellt werden können. Diese weisen, im Gegensatz zu Dämmwolle, eine feste Struktur auf, und es liegt infolgedessen auf beiden Seiten eine feste Anschlussschicht vor, die für die Befestigung von Elementen innen oder für die Anbindung an die Struktur außen Vorteile bietet. So müssen beispielsweise weniger Strukturelemente durch die Dämmschicht hindurchgeführt werden, was Wärmebrücken reduziert. The sandwich component proposed according to the invention can be used to enclose hot units, such as an APU (Auxiliary Power Unit) of an aircraft, for supply air or exhaust gases, or can be used to enclose associated silencers, which also become hot. The airtightness here is rather negligible, so that the sandwich components proposed according to the invention can also be produced in parts. In contrast to insulating wool, these have a solid structure, and as a result there is a solid connection layer on both sides, which offers advantages for fastening elements inside or for connecting to the structure outside. For example, fewer structural elements have to be passed through the insulation layer, which reduces thermal bridges.
Ein erfindungsgemäß vorgeschlagenes Sandwichbauelement mit Faserkeramik auf einer Seite, einer Isolationsschicht aus Glasschaumwerkstoff in der Mitte und Faserverbundwerkstoff als Außenschicht kann zur Einhausung weiterer heißer Aggregate, wie zum Beispiel einer Festoxidbrennstoffzelle, oder zur sicherheitserhöhenden Einhausung von potentiell heiß werdenden Aggregaten, wie zum Beispiel Batterien, Niedertemperaturbrennstoffzellen und anderen Energiewandlern, eingesetzt werden. Die erfindungsgemäß vorgeschlagenen Sandwichbauteile können auch als Strukturelemente eingesetzt werden, zum Beispiel als Hitzeschutzschilde von außen dienen, so zum Beispiel bei Raumfahrzeugen für den atmosphärischen Wiedereintritt oder bei Überschallflugzeugen. In diesem Fall liegt die faserkeramische Deckschicht an der Außenseite und die aus Faserverbundwerkstoff ausgebildete Außenschicht auf der Innenseite des Flugkörpers. A sandwich component proposed according to the invention with fiber ceramic on one side, an insulation layer made of glass foam material in the middle and fiber composite material as the outer layer can be used to house further hot units, such as a solid oxide fuel cell, or to increase the safety of potentially hot units, such as batteries, low-temperature fuel cells and other energy converters. The sandwich components proposed according to the invention can also be used as structural elements, for example serving as heat shields from the outside, for example in spacecraft for atmospheric re-entry or in supersonic aircraft. In this case, the fiber-ceramic cover layer is on the outside and the outer layer made of fiber composite material is on the inside of the missile.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings
Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
Es zeigen The invention is described in more detail below with reference to the drawings. Show it
Figur 1 ein erfindungsgemäßes Sandwichbauelement, ausgeführt als Rohr mit einer Isolationsschicht aus Glasschaumwerkstoff und einer Außenschicht aus Faserverbundwerkstoff, 1 shows a sandwich component according to the invention, designed as a tube with an insulating layer made of glass foam material and an outer layer made of fiber composite material,
Figur 2 eine Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Sandwichbauele- ments mit einer zusätzlichen Schicht eines Faserverbundwerkstoffs mit keramischer oder glasartiger, anorganischer Matrix auf der Innenseite der Isolationsschicht, 2 shows an embodiment variant of the sandwich component according to the invention with an additional layer of a fiber composite material with a ceramic or glass-like, inorganic matrix on the inside of the insulation layer,
Figur 3 eine schematisch angedeutete Vorrichtung zur lokalen Temperaturerhöhung zur Glättung der Innenseite der Isolationsschicht, Figure 3 shows a schematically indicated device for local temperature increase to smooth the inside of the insulation layer,
Figur 4 ein als Platte oder Paneel ausgebildetes, erfindungsgemäß vorgeschlagenes Sandwichbauelement, 4 shows a sandwich component designed as a plate or panel and proposed according to the invention,
Figur 5 einen Querschnitt durch ein rohrförmig gestaltetes, erfindungsgemäßes Sandwichbauelement mit An- beziehungsweise Einbauten auf Kaltseite und Heißseite, Figure 5 shows a cross section through a tubular sandwich component according to the invention with attachments or internals on the cold side and hot side,
Figuren 6a - 6d einen Herstellungsprozess eines in Rohrform ausgebildeten Sandwichbauelements, Figures 6a - 6d show a manufacturing process of a sandwich component designed in the form of a tube,
Figur 7 ein Sandwichbauelement, ausgebildet als Rohr, Figure 7 shows a sandwich component, designed as a tube,
Figur 8 ein Sandwichbauelement, ebenfalls ausgebildet als Rohr, von einer Luftleithülle umschlossen und Figure 8 shows a sandwich component, also designed as a tube, enclosed by an air-guiding sleeve and
Figuren 9 und 9.1 ein Sandwichbauelement, ebenfalls ausgebildet als Rohr, mit in die Außenschicht einlaminierten, faseroptischen Sensoren. Figures 9 and 9.1 show a sandwich component, also designed as a tube, with fiber-optic sensors laminated into the outer layer.
Ausführungsvananten der Erfindung Implementation variants of the invention
In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
Figur 1 zeigt ein als Rohr 24 ausgebildetes, erfindungsgemäß vorgeschlagenes Sandwichbauelement 50. In the following description of the embodiments of the invention, the same or similar elements are referred to with the same reference numerals, with a repeated description of these elements being omitted in individual cases. The figures represent the subject matter of the invention only schematically. Figure 1 shows a sandwich component 50 designed as a tube 24 and proposed according to the invention.
Der Darstellung gemäß Figur 1 ist zu entnehmen, dass das erfindungsgemäß vorgeschlagene Sandwichbauelement 50 in Form eines Rohrs 24 ausgeführt ist. Gemäß der Darstellung in Figur 1 ist das Sandwichbauelement 50 einer Kaltseite 20 und einer Heißseite 22 ausgesetzt. Bei der Kaltseite 20 kann es sich beispielsweise um die Umgebung handeln, wo Umgebungstemperatur herrscht, während auf der Heißseite 22 der Strömungsquerschnitt des Rohrs 24 beispielsweise von Heißluft oder einem anderen Heißgas durchströmt ist. Mithin herrschen im Strömungsquerschnitt des Rohrs 24 höhere Temperaturen als auf dessen Außenseite, der Kaltseite 20. The illustration according to Figure 1 shows that the sandwich component 50 proposed according to the invention is designed in the form of a tube 24. As shown in Figure 1, the sandwich component 50 is exposed to a cold side 20 and a hot side 22. The cold side 20 can, for example, be the environment where ambient temperature prevails, while on the hot side 22 the flow cross section of the tube 24, for example, has hot air or another hot gas flowing through it. Higher temperatures therefore prevail in the flow cross section of the pipe 24 than on its outside, the cold side 20.
Das Sandwichbauelement 50 in Form des Rohrs 24 enthält eine umliegende Isolationsschicht 54, die einen gasdichten, hochtemperaturbeständigen Glasschaumwerkstoff 10 umfasst. Des Weiteren umfasst das als Rohr 24 ausgeführte Sandwichbauelement 50 gemäß Figur 1 eine Außenschicht 52, die als Faserverbundmatenal ausgeführt ist. In der Ausführungsvariante gemäß Figur 1 ist an der der Heißseite 22 zuweisenden Innenseite der Isolationsschicht 54 eine Glasschicht 14 ausgebildet, welche die Oberfläche des gasdichten, hochtemperaturbeständigen Glasschaumwerkstoffs 10 bildet, der den Strömungsquerschnitt des Rohrs 24, d. h. dessen Hohlraum begrenzt. The sandwich component 50 in the form of the tube 24 contains a surrounding insulation layer 54, which comprises a gas-tight, high-temperature-resistant glass foam material 10. Furthermore, the sandwich component 50 designed as a tube 24 according to FIG. 1 comprises an outer layer 52, which is designed as a fiber composite material. 1, a glass layer 14 is formed on the inside of the insulation layer 54 facing the hot side 22, which forms the surface of the gas-tight, high-temperature-resistant glass foam material 10, which determines the flow cross section of the tube 24, i.e. H. whose cavity is limited.
Figur 2 zeigt eine alternative Ausführungsvariante des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Sandwichbauelements 50, welches gemäß Figur 2 ebenfalls als Rohr 24 ausgeführt ist. Das Sandwichbauelement 50 umfasst eine Außenschicht 52, die einen Faserverbundwerkstoff 12 umfasst. Die Außenschicht 52 umschließt besagte Isolationsschicht 54, die einen gasdichten, hochtemperaturbeständigen Glasschaumwerkstoff 10 umfasst. Auf dessen Glasschicht 14 ist eine weitere Schicht in Form eines Faserverbundmatenals 16 mit beispielsweise keramischer Matrix oder mit einer glasartigen, anorganischen Matrix aufgetragen, eingeklebt, aufgelötet oder auflaminiert. Figure 2 shows an alternative embodiment variant of the sandwich component 50 proposed according to the invention, which is also designed as a tube 24 according to Figure 2. The sandwich component 50 includes an outer layer 52 which comprises a fiber composite material 12. The outer layer 52 encloses said insulation layer 54, which comprises a gas-tight, high-temperature-resistant glass foam material 10. On its glass layer 14, a further layer in the form of a fiber composite material 16 with, for example, a ceramic matrix or with a glass-like, inorganic matrix is applied, glued, soldered or laminated on.
Während gemäß Figur 1 das als Rohr 24 ausgebildete Sandwichbauelement 50 an seiner Innenseite, die den Strömungsquerschnitt begrenzt, und der Heißseite 22 ausgesetzt ist, eine Glasschicht 14 als Oberfläche der Isolationsschicht 54 aufweist,
ist in der Darstellung des Ausführungsbeispiels gemäß Figur 2 ein Sandwichbau- element 50 dargestellt, welches höheren Temperaturen und/oder mechanischen Belastungen ausgesetzt werden kann. Für den Fall, dass die zu erwartenden Belastungen an der für hohe Temperaturen ausgelegten Seite des Sandwichbauele- ments 50 derart sind, dass sie nicht von der Isolationsschicht 54 alleine beziehungsweise einer nach Oberflächenbehandlung vorliegenden Glasschicht alleine aufgenommen werden können, kann mit dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 die Heißseite 22 des Sandwichbauelements 50 faserverstärkt werden. Um eine Sand- wichkonstruktion mit Glasschaumwerkstoff 10 und beidseitiger Faserverstärkung zu erhalten, wird auf der Heißseite 22 der Isolationsschicht 54, d. h. auf der Glasschicht 14 eine Schicht aus Faserverbundmatenal 16 mit keramischer Matrix oder mit glasartiger, anorganischer Matrix aufgebracht. Dies kann beispielsweise durch direktes Auflaminieren auf die Isolationsschicht 54, die einen gasdichten, hochtemperaturbeständigen Glasschaumwerkstoff 10 umfasst, erfolgen. Anschließend erfolgt eine Temperaturbehandlung der auflaminierten Schicht und des Glasschaumwerkstoffs 10 gemeinsam zur Konsolidierung oder Aushärtung beziehungsweise zur Pyrolyse des Faserverbundmatenals 16 mit keramischer Matrix oder mit glasartiger, anorganischer Matrix, falls die Temperaturbeständigkeit des Schaumglaswerkstoffs 10 hoch genug ist für den für die Aushärtung notwendigen Prozess. Alternativ besteht die Möglichkeit, eine bereits zuvor separat hergestellte Schicht aus Faserverbundmatenal 16 mit keramischer Matrix oder mit einer glasartigen, anorganischen Matrix mittels eines Klebeprozesses oder eines Glaslotprozesses auf die Glasschicht 14 der Isolationsschicht 54 aufzubringen, wobei dann ein ebenfalls hochtemperaturbeständiger Klebstoff oder ein Glaslot zum Einsatz kommen kann. While according to Figure 1, the sandwich component 50 designed as a tube 24 has a glass layer 14 as the surface of the insulation layer 54 on its inside, which limits the flow cross section and is exposed to the hot side 22, In the illustration of the exemplary embodiment according to FIG. 2, a sandwich component 50 is shown, which can be exposed to higher temperatures and/or mechanical loads. In the event that the expected loads on the side of the sandwich component 50 designed for high temperatures are such that they cannot be absorbed by the insulation layer 54 alone or by a glass layer present after surface treatment alone, with the exemplary embodiment according to FIG the hot side 22 of the sandwich component 50 can be fiber-reinforced. In order to obtain a sandwich construction with glass foam material 10 and fiber reinforcement on both sides, a layer of fiber composite material 16 with a ceramic matrix or with a glass-like, inorganic matrix is applied to the hot side 22 of the insulation layer 54, ie on the glass layer 14. This can be done, for example, by laminating directly onto the insulation layer 54, which comprises a gas-tight, high-temperature-resistant glass foam material 10. The laminated layer and the glass foam material 10 are then heat treated together for consolidation or curing or for pyrolysis of the fiber composite material 16 with a ceramic matrix or with a glass-like, inorganic matrix, if the temperature resistance of the foam glass material 10 is high enough for the process necessary for the curing. Alternatively, it is possible to apply a previously separately produced layer of fiber composite material 16 with a ceramic matrix or with a glass-like, inorganic matrix to the glass layer 14 of the insulation layer 54 by means of an adhesive process or a glass soldering process, in which case an adhesive or a glass solder that is also resistant to high temperatures is then used can come.
In einer nicht dargestellten Variation dieses Ausführungsbeispiels wird auf die Glasschicht 14 verzichtet, und auf der Heißseite 22 der Isolationsschicht 54 wird direkt auf die Oberfläche des Glasschaumwerkstoffs 10 die Schicht aus Faserverbundmatenal 16 mit keramischer Matrix oder mit glasartiger, anorganischer Matrix aufgebracht. In a variation of this exemplary embodiment, not shown, the glass layer 14 is omitted, and the layer of fiber composite material 16 with a ceramic matrix or with a glass-like, inorganic matrix is applied directly to the surface of the glass foam material 10 on the hot side 22 of the insulation layer 54.
Der Darstellung gemäß Figur 3 ist eine Wärmebehandlung der der Heißseite 22 zuweisenden Glasschicht 14 des Glasschaumwerkstoffs 10, welcher die Isolationsschicht 54 bildet, zu entnehmen.
Aus der Darstellung gemäß Figur 3 geht hervor, dass eine Vorrichtung 18 zur lokalen Erzeugung hoher Temperaturen zum oberflächlichen Aufschmelzen des Glasschaumwerkstoffs 10 zum Einsatz kommt. Bei der Vorrichtung 18 kann es sich beispielsweise um einen Laser oder um ein, auf Gasverbrennung oder Lichtbogen basierendes Gerät, ähnlich wie bei Schweiß- und Glasbläserarbeiten, handeln. Aus der Darstellung gemäß Figur 3 ergibt sich, dass die Vorrichtung 18 in eine Vorschubrichtung 92 entlang der Glasschicht 14 des Glasschaumwerkstoffs 10 bewegt wird. Dabei schmilzt der Außenbereich des Glasschaumwerkstoffs 10, welcher der Hitzebehandlung ausgesetzt ist, zusammen, eventuell verbliebene offene Glasporen schließen sich und aufgrund der Oberflächenspannung stellt sich ein Schwund der Isolationsschicht 54, d. h. des Glasschaumwerkstoffs 10 von einem Übermaß 96 auf ein Sollmaß 98 ein. Neben der Reduktion der Dicke der Isolationsschicht 54 vom Übermaß 96 auf das Sollmaß 98 stellt sich an der Glasschicht 14 ein sehr glatter Zustand ein, da die offenen Glasporen geschlossen werden und sich aufgrund der Oberflächenspannung eine sehr glatte Innenseite des die Isolationsschicht 54 darstellenden Glasschaumwerkstoffs 10 bildet, welche der Heißseite 22 der Isolationsschicht 54 zuweist. 3 shows a heat treatment of the glass layer 14 of the glass foam material 10 facing the hot side 22, which forms the insulation layer 54. From the illustration according to Figure 3 it can be seen that a device 18 for locally generating high temperatures for surface melting of the glass foam material 10 is used. The device 18 can be, for example, a laser or a device based on gas combustion or arc, similar to welding and glassblowing work. 3 shows that the device 18 is moved in a feed direction 92 along the glass layer 14 of the glass foam material 10. The outer area of the glass foam material 10, which is exposed to the heat treatment, melts together, any remaining open glass pores close and, due to the surface tension, the insulation layer 54, ie the glass foam material 10, shrinks from an oversize 96 to a target size 98. In addition to reducing the thickness of the insulation layer 54 from the oversize 96 to the target size 98, the glass layer 14 becomes very smooth because the open glass pores are closed and, due to the surface tension, a very smooth inside of the glass foam material 10 forming the insulation layer 54 is formed , which assigns the hot side 22 of the insulation layer 54.
Aus der Darstellung gemäß Figur 4 geht ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Sandwichbauelements 90 hervor, welches in diesem Fall als flache Platte oder Paneel ausgeführt ist. In der in Figur 4 dargestellten Ausführungsvariante umfasst das Sandwichbauelement 90 die Isolationsschicht 54, die den gasdichten, hochtemperaturbeständigen Glasschaumwerkstoff 10 umfasst. Auf der der Heißseite 22 zuweisenden Seite ist die Isolationsschicht 54 des Sandwichbauelements 90 mit dem Faserverbundmaterial 16 mit keramischer Matrix oder mit einer glasartigen, anorganischen Matrix versehen, während auf der Kaltseite 20 der Faserverbundwerkstoff 12 als Außenschicht 52 angeordnet ist, welche aus einem sehr leichten und somit für den Luftfahrzeugbau günstige Gewichtseigenschaften aufweisenden Faserverbundwerkstoff 12 gefertigt ist. 4 shows a further exemplary embodiment of the sandwich component 90 proposed according to the invention, which in this case is designed as a flat plate or panel. In the embodiment variant shown in Figure 4, the sandwich component 90 includes the insulation layer 54, which includes the gas-tight, high-temperature-resistant glass foam material 10. On the side facing the hot side 22, the insulation layer 54 of the sandwich component 90 is provided with the fiber composite material 16 with a ceramic matrix or with a glass-like, inorganic matrix, while on the cold side 20 the fiber composite material 12 is arranged as an outer layer 52, which is made of a very light and Fiber composite material 12 is thus manufactured with favorable weight properties for aircraft construction.
Gemäß der Ausführungsvariante in Figur 4 kann das Sandwichbauelement 90 auch als Hitze- oder Feuerschutzwand dienen. According to the embodiment variant in Figure 4, the sandwich component 90 can also serve as a heat or fire protection wall.
Figur 5 zeigt eine Ausführungsvariante des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Sandwichbauelements 50, welches in einem variablen Querschnitt ausgeführt ist. Das in Figur 5 im Schnitt dargestellte, ebenfalls in Form eines Rohrs 24 ausgebildete Sandwichbauelement 50 weist einen variablen Querschnitt auf. Die Heißseite
22 wird beispielsweise durch den Strömungsquerschnitt des mit variablem Querschnitt ausgebildeten Rohrs 24 gebildet, der beispielsweise von einem Heißluftstrom durchströmt wird. An das gestrichelt dargestellte Rohr 24 grenzen Resonatorkammern 25 an, die zur Schalldämpfung dienen. Das Sandwichbauelement 50 in Form des Rohrs 24 umfasst die Isolationsschicht 54, gebildet aus dem gasdichten, hochtemperaturbeständigen Glasschaumwerkstoff 10, ferner den die Außenschicht 52 bildenden Faserverbundwerkstoff 12 sowie der Heißseite 22 zugewandt das Faserverbundmatenal 16 mit keramischer Matrix oder mit glasartiger, anorganischer Matrix, d. h. das Sandwichbauelement ist 50 in diesem Ausführungsbeispiel dreischichtig ausgebildet. Figure 5 shows an embodiment variant of the sandwich component 50 proposed according to the invention, which is designed with a variable cross section. The sandwich component 50 shown in section in Figure 5 and also designed in the form of a tube 24 has a variable cross section. The hot side 22 is formed, for example, by the flow cross section of the tube 24, which is designed with a variable cross section and through which a hot air flow flows, for example. Resonator chambers 25, which serve to dampen sound, border the pipe 24 shown in dashed lines. The sandwich component 50 in the form of the tube 24 includes the insulation layer 54, formed from the gas-tight, high-temperature-resistant glass foam material 10, furthermore the fiber composite material 12 forming the outer layer 52 and, facing the hot side 22, the fiber composite material 16 with a ceramic matrix or with a glass-like, inorganic matrix, ie that Sandwich component 50 is designed in three layers in this exemplary embodiment.
Aus der Darstellung gemäß Figur 5 ergibt sich, dass das Sandwichbauelement 50 in dieser Ausführungsvariante beispielsweise über Anbauteile 30, beispielsweise aus Faserverbundwerkstoff, auf der Kaltseite 20 unter normalen Umgebungsbedingungen, beispielsweise mit Strukturelementen eines Luftfahrzeugs, insbesondere eines Flugzeugs, verbunden sein kann. Des Weiteren zeigt Figur 5, dass auf der Heißseite 22 des Sandwichbauelements 50, d. h. im Strömungsquerschnitt des Rohrs 24 ebenfalls Anbauteile 28 angeordnet sind, die beispielsweise aus einem Faserverbundwerkstoff 12 mit CMC-Matrix bestehen und demzufolge hohen Temperaturen widerstehen können, wie sie auf der Heißseite 22 des Sandwichbauelements 50 auftreten können. 5 shows that the sandwich component 50 in this embodiment variant can be connected, for example, via attachments 30, for example made of fiber composite material, on the cold side 20 under normal environmental conditions, for example with structural elements of an aircraft, in particular an airplane. Furthermore, Figure 5 shows that on the hot side 22 of the sandwich component 50, i.e. H. Attachments 28 are also arranged in the flow cross section of the pipe 24, which consist, for example, of a fiber composite material 12 with a CMC matrix and can therefore withstand high temperatures, such as those that can occur on the hot side 22 of the sandwich component 50.
Aus Figur 5 geht hervor, dass das Rohr 24 des Sandwichbauelements 50 in Axialrichtung hintereinanderliegend mehrere Anbauteile 28 aus einem Faserverbundmatenal 16 mit keramischer Matrix oder glasartiger, anorganischer Matrix von der Innenseite des Faserverbundmatenals 16 mit keramischer Matrix oder mit glasartiger, anorganischer Matrix in den Strömungsquerschnitt hervorstehen. Gestrichelt ist der Durchmesser des als Rohr 24 ausgebildeten Sandwichbauelements 50 angedeutet. Die Isolationsschicht 54 umfasst den Glasschaumwerkstoff 10, der aus einem Glasgranulat 62 unter Zugabe eines Aufschäummittels hergestellt wird. Zur Verbesserung der Festigkeit, der Rissfestigkeit beziehungsweise der mechanischen Festigkeit, wird dem Glasgranulat 62 Fasermaterial in Kurzform 58 oder auch in Langform 60 beigemischt, wobei es sich bei dem Fasermaterial um Kar bon-, Metall- (beispielsweise Stahl oder Nickelbasissuperlegierungen), Basalt- oder Keramikfasern oder hochtemperaturbeständigen Glasfasern handeln kann. Daneben besteht die Möglichkeit, bei der Herstellung des Glasschaumwerkstoffs 10 gewickelte Vorformlinge (für spätere Deckschichten) oder Textilhalbzeug in Form von
Geflecht- oder Gewebedeckschichten oder in Form von Abstandsgewirk mit einzulegen, die dann im Schmelz- und Schäumprozess des Glasgranulats 62, unterstützt durch das Aufschäummittel von diesem durchdrungen werden. Ein derartiger Herstellungsprozess ist beispielsweise der Figurensequenz der Figuren 6a bis 6d zu entnehmen. 5 shows that the tube 24 of the sandwich component 50, lying one behind the other in the axial direction, has several attachment parts 28 made of a fiber composite material 16 with a ceramic matrix or glass-like, inorganic matrix protruding from the inside of the fiber composite material 16 with a ceramic matrix or with a glass-like, inorganic matrix into the flow cross section . The diameter of the sandwich component 50 designed as a tube 24 is indicated by dashed lines. The insulation layer 54 includes the glass foam material 10, which is made from glass granules 62 with the addition of a foaming agent. To improve the strength, crack resistance or mechanical strength, fiber material in short form 58 or in long form 60 is added to the glass granulate 62, the fiber material being carbon, metal (for example steel or nickel-based superalloys), basalt or Ceramic fibers or high temperature resistant glass fibers can act. There is also the possibility of using 10 wound preforms (for later cover layers) or semi-finished textile products in the form of when producing the glass foam material Braid or fabric cover layers or in the form of spacer fabric are to be inserted, which are then penetrated by the glass granulate 62 in the melting and foaming process, supported by the foaming agent. Such a manufacturing process can be seen, for example, in the sequence of figures in FIGS. 6a to 6d.
Aus der Darstellung gemäß Figur 6a geht hervor, dass der inneren Rohroberflächezugeordnete trockene Verstärkungsfasern 32 um eine innere Form 34 gewickelt werden. Das innere Formteil 34 kann beispielsweise teilbar sein, eine Entform- schräge oder dergleichen aufweisen oder eine Entformung aufgrund einer Wärmeausdehnungsdifferenz zu ermöglichen. Im letztgenannten Fall kann dies beispielsweise dadurch realisiert werden, dass für das Material des inneren Formteils 34 ein Werkstoff gewählt wird, der eine höhere Wärmeausdehnung hat als das nach dem Formgebungsprozess verfestigte Material des Werkstücks, so dass sich das innere Formteil 34 beim Abkühlprozess stärker zusammenzieht als das Werkstück. From the illustration according to Figure 6a it can be seen that dry reinforcing fibers 32 assigned to the inner tube surface are wound around an inner shape 34. The inner molded part 34 can, for example, be divisible, have a demolding slope or the like, or enable demolding due to a difference in thermal expansion. In the latter case, this can be achieved, for example, by selecting a material for the material of the inner molded part 34 that has a higher thermal expansion than the material of the workpiece solidified after the shaping process, so that the inner molded part 34 contracts more strongly during the cooling process the workpiece.
Figur 6b zeigt, wie nach dem oder unabhängig zum zuvor beschriebenen Prozess der äußeren Rohroberfläche zugeordneten trockenen Verstärkungsfasern um einen Vorformling 36 gewickelt werden, der ein Hohlbauteil darstellt. Der hohle Vorformling 36 umfasst eine Mischung aus Glasgranulat 62 mit Aufschäummittel sowie ein Bindematerial. Des Weiteren können im Granulat 62 Kurzfasern 58 oder auch Langfasern 60 enthalten sein, falls diese als Rissstopper im aufzuschäumenden Glasschaumwerkstoff 10 benötigt werden. Bei den gemäß Figur 6b aufgebrachten Fasern handelt es sich nicht um dieselben wie in Figur 6a, sondern um neue Fasern, die später eine äußere Deckschicht ergeben. Der hohle Vorformling aus Glasgranulat, Aufschäummittel und Bindematerial wird als Stütze für das Wickeln benötigt, um die Fasern auf dem Umfang des äußeren Durchmessers zu halten, da in der Form ja noch ein Hohlraum für Platz zum Aufschäumen des Schaumglases gebraucht wird. Die innere Faserlage bleibt bis nach dem Aufschäumprozess auf der Innenform gewickelt liegen, bis das fertige Bauteil entformt wird. Figure 6b shows how dry reinforcing fibers assigned to the outer tube surface are wound around a preform 36, which represents a hollow component, after or independently of the previously described process. The hollow preform 36 comprises a mixture of glass granules 62 with foaming agent and a binding material. Furthermore, the granules 62 can contain short fibers 58 or long fibers 60 if these are needed as crack stoppers in the glass foam material 10 to be foamed. The fibers applied according to Figure 6b are not the same as those in Figure 6a, but are new fibers which later form an outer cover layer. The hollow preform made of glass granules, foaming agent and binding material is needed as a support for winding in order to hold the fibers on the circumference of the outer diameter, since a cavity is still needed in the mold for space to foam the foam glass. The inner fiber layer remains wound on the inner mold after the foaming process until the finished component is removed from the mold.
Der gemäß Figur 6b präparierte Vorformling 36 wird entweder um den gemäß Figur 6a präparierten Vorformling 36 herum hergestellt oder die gemäß den Figuren 6a und 6b hergestellten Vorformlinge 36 werden separat gefertigt und anschließend zusammengefügt, beispielsweise indem sie ineinandergeschoben werden. Die Kombination aus beiden Vorformlingen 36 wird, wie nachstehend beschrieben, in
eine geschlossene Form 100 überführt, wobei das in Figur 6a beschriebene innere Formteil 34 ein Teil dieser geschlossenen Form darstellen kann. The preform 36 prepared according to Figure 6b is either produced around the preform 36 prepared according to Figure 6a or the preforms 36 produced according to Figures 6a and 6b are manufactured separately and then joined together, for example by pushing them into one another. The combination of both preforms 36 is, as described below, in transferred to a closed mold 100, whereby the inner molded part 34 described in FIG. 6a can represent a part of this closed mold.
Figur 6c zeigt, dass die geschlossene Form 100 teilbar ausgebildet ist und eine erste Formhälfte 102 sowie eine zweite Formhälfte 104 umfasst. Figure 6c shows that the closed mold 100 is designed to be divisible and includes a first mold half 102 and a second mold half 104.
Die gemäß Figur 6a präparierte innere Form 34 wird von der geschlossenen Form 100 beziehungsweise deren Formhälften 102 und 104 umschlossen und es erfolgt ein Zusammenfügen beider Vorformlinge 36 in eine geschlossene Form 100. Dazu erfolgt ein Aufheizvorgang auf ca. 800 °C, bei dem es zu einem Schmelzen und Aufschäumen des Glasgranulats 62 kommt, so dass die Faserlagen der trockenen Verstärkungsfasern 32 durchtränkt werden. The inner mold 34 prepared according to Figure 6a is enclosed by the closed mold 100 or its mold halves 102 and 104 and both preforms 36 are joined together into a closed mold 100. For this purpose, a heating process takes place to approximately 800 ° C, in which it becomes a melting and foaming of the glass granules 62 occurs, so that the fiber layers of the dry reinforcing fibers 32 are saturated.
In der Darstellung gemäß Figur 6c ist mit Bezugszeichen 40 eine Ausdehnung während des Aufschäum prozesses bezeichnet. Der Raum zum Aufschäumen wird durch den ringförmigen Bereich zwischen den trockenen Verstärkungsfasern 32 auf dem Umfang der inneren Form 34 und andererseits durch die Innenseite des aufzuschäumenden Glasschaumwerkstoffs 10 begrenzt. In the illustration according to Figure 6c, reference number 40 denotes an expansion during the foaming process. The space for foaming is limited by the annular area between the dry reinforcing fibers 32 on the circumference of the inner mold 34 and on the other hand by the inside of the glass foam material 10 to be foamed.
Nach Beendigung des Aufschäum prozesses wird ein Rohling eines Sandwichbau- elements 90 aus Faserkeramik beziehungsweise faserverstärktem Glas, Schaumglas und Faserverbundwerkstoff 12 erhalten. Das in Figur 6d dargestellte Sandwich- bauelement 90 umfasst mithin eine Außenschicht 52 aus Faserverbundwerkstoff 12, die die Isolationsschicht 54 aus aufgeschäumtem Glasschaumwerkstoff 10 überdeckt, die wiederum an ihrer, der Heißseite 22 zuweisenden Seite, mit dem Faserverbundmatenal 16 mit keramischer Matrix oder glasartiger, anorganischer Matrix bedeckt ist. Der in Figur 6d dargestellte, erhaltene Rohling wird abgekühlt und entformt und weist eine endkonturnahe Schaumglassandwichstruktur mit faserverstärkter Außen- und Innenseite auf. After the foaming process has ended, a blank of a sandwich component 90 made of fiber ceramic or fiber-reinforced glass, foam glass and fiber composite material 12 is obtained. The sandwich component 90 shown in Figure 6d therefore comprises an outer layer 52 made of fiber composite material 12, which covers the insulation layer 54 made of foamed glass foam material 10, which in turn is covered on its side facing the hot side 22 with the fiber composite material 16 with a ceramic matrix or glass-like, inorganic Matrix is covered. The resulting blank shown in Figure 6d is cooled and removed from the mold and has a near-net-shape foam glass sandwich structure with fiber-reinforced outside and inside.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform des in den Figuren 6 a bis 6 d beschriebenen Prozesses können die Verstärkungsfasern 32 auch schon bereits im Vorfeld ganz oder teilweise mit einer glasförmigen Matrix getränkt worden sein, so dass sie in Form von flachen Prepreg-Bändern vorliegen und in dieser Form in den beschriebenen Prozessen auf die Innenform 34 beziehungsweise den Vorformling 36 auf-
gewickelt werden können. In diesem Fall ist das Glas aus dem Glasgranulat im Aufschäumprozess nicht oder nicht so tief in die Faserdeckschichten eingedrungen, was gegebenenfalls Vorteile bei hochviskosen Gläsern mit sich bringen kann. According to an alternative embodiment of the process described in Figures 6 a to 6 d, the reinforcing fibers 32 can also have already been completely or partially impregnated with a glass-shaped matrix in advance, so that they are in the form of flat prepreg tapes and in this form in the processes described on the inner mold 34 or the preform 36 can be wrapped. In this case, the glass from the glass granules has not penetrated into the fiber cover layers during the foaming process, or has not penetrated so deeply, which may have advantages with high-viscosity glasses.
Das vorstehend anhand der Figuren 1 bis 6d beschriebene Sandwichbauelement 50, 90 beziehungsweise dessen Herstellungsverfahren ermöglicht die Verwendung des Glasschaumwerkstoffs 10 als Isolationsschicht 54 auf der Heißseite 22 sowie die Verwendung eines Faserverbundwerkstoffs 12 als Außenschicht 52 auf der Kaltseite 20. Dabei übernimmt die Außenschicht 52 aus Faserverbundwerkstoff 12 die Zugbelastung, die zum Beispiel durch Innendruck im Rohr 24 entstehen kann, und nicht wie sonst das Innenrohr. Der gasdichte, hochtemperaturbeständige Glasschaumwerkstoff 10 hingegen übernimmt außer der Dämmfunktion die Aufgabe, das Rohr 24 abzudichten, so dass diese Funktion nicht durch den Faserverbundwerkstoff 12 sicherzustellen ist. Das beschriebene, als Rohr 24 beschaffene Sandwichbauelement 50 hat den Vorteil, dass für die Außenschicht 52 Materialien verwendet werden können, die eine geringere Temperaturbeständigkeit aufweisen als dies für eine Innenhülle in Kontakt mit einem Heißgasstrom auf der Heißseite 22 der Fall wäre. Da somit eine wesentlich größere Auswahl an Faserverbundwerkstoffen zur Verfügung steht, können dafür auch Werkstoffe mit besseren mechanischen Eigenschaften und/oder geringerem Preis beziehungsweise geringeren Verarbeitungskosten eingesetzt werden. Der Glasschaumwerkstoff 10 wiederum weist den Vorteil auf, dass dieser kaum ausgast und damit das heiße Medium nicht mit Dämpfen verunreinigt wird. The sandwich component 50, 90 described above with reference to Figures 1 to 6d or its manufacturing process enables the use of the glass foam material 10 as an insulation layer 54 on the hot side 22 and the use of a fiber composite material 12 as an outer layer 52 on the cold side 20. The outer layer 52 made of fiber composite material takes over 12 the tensile load that can arise, for example, due to internal pressure in the tube 24, and not the inner tube as usual. The gas-tight, high-temperature-resistant glass foam material 10, on the other hand, takes on the task of sealing the pipe 24 in addition to the insulating function, so that this function cannot be ensured by the fiber composite material 12. The described sandwich component 50, which is designed as a tube 24, has the advantage that materials can be used for the outer layer 52 that have a lower temperature resistance than would be the case for an inner shell in contact with a hot gas stream on the hot side 22. Since a significantly larger selection of fiber composite materials is available, materials with better mechanical properties and/or lower prices or lower processing costs can also be used. The glass foam material 10 in turn has the advantage that it hardly outgases and therefore the hot medium is not contaminated with vapors.
Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Sandwichbauelement 50 kann dahingehend erweitert werden, dass dieses mit einer Leckagedetektionsvorrichtung 66 versehen werden kann. Dazu können auf der Außenseite der Isolationsschicht 54, die einen gasdichten, hochtemperaturbeständigen Glasschaumwerkstoff 10 enthält, Luftkanäle 76 eingebracht werden, was beispielsweise durch Fräsen oder Abformen geschehen kann. Diese bleiben auch nach Auflaminieren der Außenschicht 52 in Form des Faserverbundwerkstoffs 12 luftdurchlässig und leiten im Fall eines Lecks in der Isolationsschicht 54 dort austretende Luft zu den in einer Faserverbundhülle 78 befindlichen diskreten Luftauslasspunkten 68. Vor diesen befinden sich Temperatursensoren 72. Somit übernimmt das Sandwichbauelement 50 zusätzlich die Aufgabe einer sonst weiter außen befindlichen, nicht-strukturellen Luftführungshülle, die in diesem Fall eingespart werden kann. Die diskreten Luftauslasspunkte 68 sind dabei so dimensioniert, dass die Fähigkeit der Außenhülle, die Umfangskräfte durch den
Innendruck aufzunehmen, noch immer gewährleistet ist. Die Zellwände des Schaumglases und der gegebenenfalls darin eingebetteten Fasern sind dabei so bemessen, dass die Zellen trotz der lokalen Druckdifferenz nicht kollabieren. The sandwich component 50 proposed according to the invention can be expanded in such a way that it can be provided with a leak detection device 66. For this purpose, air channels 76 can be introduced on the outside of the insulation layer 54, which contains a gas-tight, high-temperature-resistant glass foam material 10, which can be done, for example, by milling or molding. These remain air-permeable even after the outer layer 52 has been laminated in the form of the fiber composite material 12 and, in the event of a leak in the insulation layer 54, direct air escaping there to the discrete air outlet points 68 located in a fiber composite shell 78. There are temperature sensors 72 in front of these. The sandwich component 50 therefore takes over In addition, the task of a non-structural air duct envelope that would otherwise be located further out, which can be saved in this case. The discrete air outlet points 68 are dimensioned such that the ability of the outer shell to absorb the circumferential forces through the Taking up internal pressure is still guaranteed. The cell walls of the foam glass and any fibers embedded in it are dimensioned so that the cells do not collapse despite the local pressure difference.
Eine weitere Möglichkeit zur Integration einer Leckagedetektionsvorrichtung 66 ist das Einlaminieren von faseroptischen Sensoren 82 in die äußere strukturelle Faserverbundhülle 78. Da im Fall eines Lecks in der Isolationsschicht 54 die daraufhin ausströmende Heißluft eine lokale Temperaturerhöhung in der Außenschicht 52 verursacht, kann das Leck dadurch detektiert werden, unter der Voraussetzung, dass der Abstand zwischen den faseroptischen Sensoren 82 gering genug ist, so dass der Temperatureinflussbereich eines kritischen Lecks nicht kleiner als das Raster der Anordnung der Temperatursensoren 72 ist. Another possibility for integrating a leak detection device 66 is to laminate fiber-optic sensors 82 into the outer structural fiber composite shell 78. Since in the event of a leak in the insulation layer 54, the hot air that then flows out causes a local temperature increase in the outer layer 52, the leak can be detected in this way , provided that the distance between the fiber optic sensors 82 is small enough so that the temperature influence area of a critical leak is not smaller than the grid of the arrangement of the temperature sensors 72.
Eine weitere Möglichkeit zur Integration der Leckagedetektionsvorrichtung 66 ist darin zu sehen, dass die feste, lasttragende Außenschicht 52 mit einer einfachen Luftleithülle aus Folie 84 umhüllt wird, die potentiell ausströmende Heißluft zu bestimmten Öffnungen mit Temperatursensoren 72 leitet. Da diese Außenhülle nun keine Dämmfunktion mehr übernimmt, ist diese deutlich einfacher herzustellen und leichter zu montieren. Über eine Folienreserve 88 in Form von Falten oder einer Prägung kann sichergestellt werden, dass im Fall von ausströmender Luft zwischen Außenhülle und Folie genügend Abstand vorhanden ist oder sich durch den Differenzdruck bildet, damit diese Luft zu diskreten Öffnungen in der Folie mit Leckagedetektionssensoren 66 strömen kann. Another possibility for integrating the leak detection device 66 can be seen in that the solid, load-bearing outer layer 52 is covered with a simple air-guiding cover made of film 84, which directs potentially escaping hot air to certain openings with temperature sensors 72. Since this outer shell no longer has an insulating function, it is significantly easier to manufacture and easier to install. A film reserve 88 in the form of folds or an embossing can be used to ensure that in the event of air escaping, there is enough distance between the outer cover and the film or is formed by the differential pressure so that this air can flow to discrete openings in the film with leak detection sensors 66 .
Für den Fall, dass die Isolationsschicht 54 durch mechanische Bearbeitung aus einem Blockmaterial hergestellt wird, so ist die Oberfläche der Isolationsschicht 54, die der Heißseite 22 zuweist, sehr rau. Die Oberfläche der Glasschaumschicht 54 (Isolationsschicht) besteht aus eine Anzahl von Stegen aufgebrochener Glasblasenzellen. Auf der Außenseite, wo die Außenschicht 52 auflaminiert wird, ist dies im Sinne der Anhaftung des Faserverbundwerkstoffs 12 von Vorteil. Auf der Innenseite der Isolationsschicht 54 ist jedoch eine glatte Oberfläche von Vorteil. Zudem ist es von Vorteil, wenn dort keine offenen Glasporen 94 vorhanden sind, in die potentiell Flüssigkeit eindringen könnte. Um dies zu erreichen, wird eine Wärmebehandlung der Oberfläche der Isolationsschicht 54, die der Heißseite 22 zuweist, vorgenommen. Dabei werden Stege aufgebrochener Glasporen 94 des Glasschaumwerkstoffs 10 aufgeschmolzen, die sich durch die Oberflächenspannung des geschmolzenen Glasschaumwerkstoffs 10 zu einer glatteren Oberfläche zusammenziehen.
Da hierbei das Volumen des Glasschaumwerkstoffs 10 lokal abnimmt, muss dafür der mechanisch bearbeitete Rohling an den zu behandelnden Seiten mit entsprechendem Übermaß 96 hergestellt werden und die oberflächenwirksame Wärmebehandlung ist so zu dosieren, dass sich nach der Wärmebehandlung und dem Zusammenziehen das gewünschte Sollmaß 98 ergibt. Auch die gewünschte Schichtstärke des an der Oberfläche dann nicht mehr porösen, sondern monolithischen Glasschaumwerkstoffs 10 kann durch die Größe des vorgehaltenen Übermaßes 96 beeinflusst werden. In the event that the insulation layer 54 is manufactured from a block material by mechanical processing, the surface of the insulation layer 54, which faces the hot side 22, is very rough. The surface of the glass foam layer 54 (insulation layer) consists of a number of webs of broken glass bubble cells. On the outside, where the outer layer 52 is laminated, this is advantageous in terms of the adhesion of the fiber composite material 12. However, a smooth surface on the inside of the insulation layer 54 is advantageous. It is also advantageous if there are no open glass pores 94 into which liquid could potentially penetrate. To achieve this, a heat treatment is carried out on the surface of the insulation layer 54 that faces the hot side 22. In the process, webs of broken glass pores 94 of the glass foam material 10 are melted, which contract to form a smoother surface due to the surface tension of the melted glass foam material 10. Since the volume of the glass foam material 10 decreases locally, the mechanically processed blank must be produced with a corresponding oversize 96 on the sides to be treated and the surface-effective heat treatment must be dosed in such a way that the desired target size 98 results after the heat treatment and contraction. The desired layer thickness of the glass foam material 10, which is no longer porous on the surface but rather monolithic, can also be influenced by the size of the excess 96 provided.
Die Oberflächenbehandlung kann beispielsweise mithilfe der Vorrichtung 18 in Gestalt eines Lasers oder mit einem auf Gasverbrennung oder Lichtbogen basierenden Gerät durchgeführt werden. The surface treatment can be carried out, for example, using the device 18 in the form of a laser or with a device based on gas combustion or arc.
Insbesondere kann die beschriebene Wärmebehandlung auch an Stirnseiten der Rohrenden der als Rohre 24 gefertigten Sandwichbauelemente 50 durchgeführt werden, um eine glatte Oberfläche zum Abdichten der Verbindungsstöße zwischen zwei miteinander zu verbindenden Rohren 24 zu erreichen. Um hier nicht nur eine glatte, sondern auch eine ebene beziehungsweise geometrisch genau zu einer Dichtung passende Oberfläche zu erzeugen, kann auch die Verwendung eines heißen Stempelwerkzeugs oder ähnliches in Erwägung gezogen werden. In particular, the heat treatment described can also be carried out on the end faces of the tube ends of the sandwich components 50 manufactured as tubes 24 in order to achieve a smooth surface for sealing the connecting joints between two tubes 24 to be connected to one another. In order to create not only a smooth surface, but also a flat one or one that fits geometrically exactly to a seal, the use of a hot stamp tool or similar can also be considered.
Um Oberflächenzugspannungen oder andere schädliche Zugspannungen in der Isolationsschicht 54, die einen gasdichten, hochtemperaturbeständigen Glasschaumwerkstoff 10 umfasst, zu verhindern, kann es sinnvoll sein, entweder den Rohling insgesamt bei der Oberflächenbehandlung auf ein erhöhtes Temperaturniveau aufzuheizen und/oder im Anschluss an die Oberflächenbearbeitung einer Wärmebehandlung, ähnlich wie bei Glastemperprozessen, durchzuführen. In order to prevent surface tensile stresses or other harmful tensile stresses in the insulation layer 54, which comprises a gas-tight, high-temperature-resistant glass foam material 10, it may make sense either to heat the blank as a whole to an increased temperature level during the surface treatment and/or to carry out a heat treatment following the surface treatment , similar to glass tempering processes.
Bei besonders temperaturintensiven Anwendungen und für den Fall, dass zu erwartende Belastungen auf der Heißseite 22 eines Sandwichbauelements 50 derart sind, dass sie nicht von der Isolationsschicht 54 beziehungsweise einer nach Oberflächenbehandlung geglätteten Glasschicht 14 alleine aufgenommen werden können, kann auf der Heißseite 22 eine Faserverstärkung vorgenommen werden. Dazu wird auf die unbearbeitete Oberfläche der Isolationsschicht 54 an der der Heißseite 22 zuweisenden Seite der Isolationsschicht 54 ein Faserverbundmatenal 16 mit keramischer Matrix oder mit glasartiger, anorganischer Matrix eingesetzt. Dessen Auf-
bringen kann beispielsweise durch direktes Auflaminieren und anschließende Temperaturbehandlung der laminierten Schicht und der Isolationsschicht 54 gemeinsam zur Konsolidierung und Aushärtung beziehungsweise Pyrolyse des Faserverbundmatenals 16 mit keramischer Matrix oder mit einer glasartigen, anorganischen Matrix geschehen, falls die Temperaturbeständigkeit des Glasschaumwerkstoffs 10 hoch genug für den für das oben genannte Faserverbundmatenal 16 notwendigen Prozess (z. B. Glaslötprozess) ist. In particularly temperature-intensive applications and in the event that expected loads on the hot side 22 of a sandwich component 50 are such that they cannot be absorbed by the insulation layer 54 or a glass layer 14 smoothed after surface treatment alone, fiber reinforcement can be carried out on the hot side 22 become. For this purpose, a fiber composite material 16 with a ceramic matrix or with a glass-like, inorganic matrix is used on the unprocessed surface of the insulation layer 54 on the side of the insulation layer 54 facing the hot side 22. Its construction can be done, for example, by direct laminating and subsequent temperature treatment of the laminated layer and the insulation layer 54 together for the consolidation and hardening or pyrolysis of the fiber composite material 16 with a ceramic matrix or with a glass-like, inorganic matrix, if the temperature resistance of the glass foam material 10 is high enough for that The above-mentioned fiber composite material 16 is a necessary process (e.g. glass soldering process).
Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Sandwichbauelement kann in Heißgasleitungen, zur Luft- beziehungsweise Abgasführung oder als Einhausung heißer Aggregate, wie zum Beispiel einer APU (Auxiliary Power Unit) eines Flugzeugs eingesetzt werden, ferner kommt ein Einsatz als Einhausung zugehöriger Schalldämpfer in Frage. Bei den Anwendungen als Einhausung spielt die Luftdichtheit eine geringere Rolle, so dass die Sandwichbauelemente 50 in diesem Fall auch geteilt hergestellt werden können. Ein Vorteil ist jedoch darin zu sehen, dass das Sandwichbauelement 50 im Gegensatz zu Dämmwolle eine feste Struktur hat und daher auf beiden Seiten eine feste Anschlussschicht vorliegt, die für die Befestigung von Anbauelementen (vgl. Position 28, 30) oder für die Anbindung an äußere Strukturen geeignet sind. The sandwich component proposed according to the invention can be used in hot gas lines, for air or exhaust gas routing or as an enclosure for hot units, such as an APU (Auxiliary Power Unit) of an aircraft; it can also be used as an enclosure for associated silencers. When used as an enclosure, airtightness plays a less important role, so that the sandwich components 50 can also be manufactured in parts in this case. However, one advantage can be seen in the fact that the sandwich component 50, in contrast to insulating wool, has a solid structure and therefore there is a solid connecting layer on both sides, which is used for fastening add-on elements (see positions 28, 30) or for connecting to external ones structures are suitable.
In ähnlicher Weise kann das erfindungsgemäß vorgeschlagene Sandwichbauelement 50 mit einem Faserverbundmatenal 16 mit keramischer Matrix oder mit einer glasartigen, anorganischen Matrix einer Isolationsschicht 54, die einen gasdichten, hochtemperaturbeständigen Glasschaumwerkstoff 10 sowie einen Faserverbundwerkstoff 12 als Außenschicht 52 aufweist, zur Einhausung weiterer heißer Aggregate, wie zum Beispiel einer Festoxidbrennstoffzelle oder zur sicherheitserhöhenden Einhausung potentiell heiß werdender Aggregate (z. B. im Fehlerfall), wie zum Beispiel Batterien, Niedertemperaturbrennstoffzellen oder anderen Energiewandlern, eingesetzt werden. In a similar way, the sandwich component 50 proposed according to the invention can be made with a fiber composite material 16 with a ceramic matrix or with a glass-like, inorganic matrix of an insulation layer 54, which has a gas-tight, high-temperature-resistant glass foam material 10 and a fiber composite material 12 as an outer layer 52, for housing further hot aggregates, such as For example, a solid oxide fuel cell or for safety-enhancing housing of potentially hot units (e.g. in the event of a fault), such as batteries, low-temperature fuel cells or other energy converters.
Ein weiterer Anwendungsfall für das beschriebene, erfindungsgemäß vorgeschlagene Sandwichbauelement 50, 90 können Strukturelemente sein, die als Hitzeschutzschilde von außen dienen, so zum Beispiel bei Raumfahrzeugen, wo sie dem Hitzeschutz bei einem atmosphärischen Wiedereintritt dienen oder bei Überschallflugzeugen. In diesem Fall ist die mit dem Faserverbundmatenal 16 mit keramischer Matrix oder glasartiger, anorganischer Matrix vorgesehene Seite auf der Außenseite liegend und die aus dem Faserverbundwerkstoff 12 gefertigte Außenschicht 52 auf
der Innenseite des Fluggeräts angeordnet. Auch in diesem Anwendungsfall kann eine Adaption des weiter oben beschriebenen Prinzips des Einlaminierens faseroptischer Sensoren 82, in diesem Fall gegebenenfalls auch in die faserkeramische Deckschicht oder in die in diesem Fall innere Faserverbundwerkstoffschicht oder in beide zur Detektion von Lecks oder Beschädigungen dienen. Another application for the described sandwich component 50, 90 proposed according to the invention can be structural elements that serve as heat protection shields from the outside, for example in spacecraft, where they serve as heat protection during atmospheric re-entry or in supersonic aircraft. In this case, the side provided with the fiber composite material 16 with a ceramic matrix or glass-like, inorganic matrix is on the outside and the outer layer 52 made from the fiber composite material 12 is on arranged on the inside of the aircraft. In this application too, an adaptation of the principle of laminating fiber-optic sensors 82 described above, in this case possibly also in the fiber-ceramic cover layer or in the inner fiber composite material layer in this case or in both, can serve to detect leaks or damage.
Die Außenschicht 52 auf der Kaltseite 20, die aus Duro- oder Thermoplast-Faserverbundwerkstoff 12 gefertigt ist, kann erst dann aufgebracht beziehungsweise auflaminiert werden, wenn danach keine Prozesse mit extrem hohen Temperaturen durchgeführt werden, wie sie für die Bearbeitung von Glas oder keramischem Material notwendig sind, sondern nur noch Prozesse mit Temperaturen im normalen Verarbeitungsbereich des Kunststofffaserverbunds ablaufen. Für das Aufbringen des als Außenschicht 52 dienenden Faserverbundwerkstoffs 12 kommen nahezu alle gängigen Prozesse, wie zum Beispiel Duroplast-Prepreg-basierte Verfahren, Harzinfusionsverfahren, RTM-Verfahren (Resin Transfer Molding Spritzpressen), Thermoplast-Prepreg-basierte Verfahren, wie zum Beispiel TP-AFP-Verfahren (Thermoplastic Automated Fiber Placement), in Frage, solange die mechanischen und thermischen Belastungen, zum Beispiel durch Autoklavdruck, Legekopf-An- pressdruck oder durch Temperaturgradienten nicht höher sind als die Belastungsgrenze des als Isolationsschicht 54 eingesetzten Glasschaumwerkstoffs 10. The outer layer 52 on the cold side 20, which is made of thermoset or thermoplastic fiber composite material 12, can only be applied or laminated on if processes with extremely high temperatures are not carried out afterwards, as are necessary for processing glass or ceramic material but only processes with temperatures within the normal processing range of the plastic fiber composite take place. Almost all common processes are used to apply the fiber composite material 12, which serves as the outer layer 52, such as thermoset prepreg-based processes, resin infusion processes, RTM processes (resin transfer molding transfer molding), thermoplastic prepreg-based processes, such as TP-based processes. AFP process (Thermoplastic Automated Fiber Placement), in question, as long as the mechanical and thermal loads, for example due to autoclave pressure, laying head contact pressure or due to temperature gradients, are not higher than the load limit of the glass foam material 10 used as the insulation layer 54.
Den Figuren 7 und 7.1 ist das Sandwichbauelement 50, ausgebildet als Rohr 24, zu entnehmen. Die Heißseite ist mit Bezugszeichen 22 bezeichnet, während die Kaltseite durch Bezugszeichen 20 gekennzeichnet, ist. Ausgehend von der Heißseite 22 erstreckt sich eine Leckagestelle 48, durch welche heißes Medium von der Heißseite 22 in Richtung Kaltseite 20 durch den Glasschaumwerkstoff 10, der die Isolationsschicht 54 bildet, über Luftkanäle 76 in Richtung eines Auslasses 68 im Bereich der Außenschicht 22 strömt. Dem Auslass 68 an der Außenschicht 52 gegenüberliegend befindet sich ein Temperatursensor 72. Dieser sensiert die durch das austretende heiße Medium sich einstellende Temperaturerhöhung. Figur 7.1 sind Luftkanäle 76 zu entnehmen, die einander kreuzen und in die Außenschicht 52 des ebenfalls als Rohr 24 ausgebildeten Sandwichbauelements 50 eingelassen sind. Das Rohr 24 weist Stirnseiten 86 auf, an denen das Rohr 24 an entsprechenden Stoßstellen in eine Leitung integriert beziehungsweise mit weiteren Rohren verbunden werden kann.
Figur 8 ist zu entnehmen, dass das hier ebenfalls als Rohr 24 ausgebildete Sand- wichbauelement 50 von einer Luftleithülle 84, beispielsweise aus einem Folienmaterial umschlossen ist. Wie aus Figur 8 hervorgeht, weist die Luftleithülle 84 an beispielsweise einander gegenüberliegenden Stellen Folienreserven 88 auf, so dass bei über eine Leckage in der Schaumglasschicht und den Faserverbundschichten austretendem Medium dieses von der Luftleithülle 84 aufgefangen wird und dank der vorliegenden Reserve 88 sich ein Zwischenraum zwischen äußerer Faserverbundschicht und der Luftleithülle 84 bilden kann, so dass die Luft durch diesen Zwischenraum zu einem der Auslässe 68 abströmt und erst dort nach außen austritt. Auch in Figur 8 ist das als Rohr 24 ausgebildete Sandwichbauelement 50 auf der Heißseite 22 von einem Medium durchströmt. Dem Auslass 68 ist analog zur Darstellung gemäß Figur 7 ebenfalls ein Temperatursensor 72 zugeordnet. Das Sandwichbauelement 50 umfasst neben dem Glasschaumwerkstoff 10, dem Faserverbundwerkstoff 12 als Außenschicht 52 an seiner Innenseite das Faserverbundmaterial 16 mit keramischer Matrix oder mit einer glasartigen, anorganischen Matrix. The sandwich component 50, designed as a tube 24, can be seen in FIGS. 7 and 7.1. The hot side is designated by reference number 22, while the cold side is designated by reference number 20. Starting from the hot side 22, a leak point 48 extends through which hot medium flows from the hot side 22 in the direction of the cold side 20 through the glass foam material 10, which forms the insulation layer 54, via air channels 76 in the direction of an outlet 68 in the area of the outer layer 22. Opposite the outlet 68 on the outer layer 52 is a temperature sensor 72. This senses the temperature increase that occurs due to the emerging hot medium. Figure 7.1 shows air channels 76 which cross one another and are embedded in the outer layer 52 of the sandwich component 50, which is also designed as a tube 24. The tube 24 has end faces 86 on which the tube 24 can be integrated into a line at corresponding joints or connected to other tubes. Figure 8 shows that the sandwich component 50, which is also designed here as a tube 24, is enclosed by an air-guiding cover 84, for example made of a film material. As can be seen from Figure 8, the air-conducting sleeve 84 has film reserves 88 at, for example, opposite locations, so that if the medium escapes via a leak in the foam glass layer and the fiber composite layers, it is caught by the air-conducting sleeve 84 and, thanks to the existing reserve 88, there is a gap between outer fiber composite layer and the air guide cover 84 can form, so that the air flows through this gap to one of the outlets 68 and only there exits to the outside. Also in Figure 8, the sandwich component 50, designed as a tube 24, is flowed through by a medium on the hot side 22. Analogous to the illustration according to FIG. 7, a temperature sensor 72 is also assigned to the outlet 68. The sandwich component 50 includes, in addition to the glass foam material 10, the fiber composite material 12 as an outer layer 52 on its inside, the fiber composite material 16 with a ceramic matrix or with a glass-like, inorganic matrix.
Den Figuren 9 und 9.1 ist zu entnehmen, dass das Sandwichbauelement 50, hier ebenfalls ausgeführt als Rohr 24, in seine Außenschicht 52 einlaminierte, faseroptische Sensoren 82 umfassen kann. Diese sind auf der Außenseite des Rohrs 24, d. h. auf der Außenschicht 52, analog zum Verlauf von Luftkanälen 76 (vgl. Darstellung gemäß Figur 7.1 ) angeordnet. Bei dem in Figur 9 dargestellten Sandwichbauelement 50 in Form des Rohrs 24 handelt es sich um ein solches, welches analog zum Sandwichbauelement 50 gemäß Figur 7 aufgebaut ist, nämlich den Glasschaumwerkstoff 10 als Isolationsschicht 54 enthält sowie als Außenschicht 52 den Faserverbundwerkstoff 12. In die Außenschicht 52 sind die faseroptischen Sensoren 82 einlaminiert. 9 and 9.1 it can be seen that the sandwich component 50, here also designed as a tube 24, can include fiber-optic sensors 82 laminated into its outer layer 52. These are on the outside of the tube 24, i.e. H. arranged on the outer layer 52, analogous to the course of air channels 76 (see illustration according to Figure 7.1). The sandwich component 50 shown in Figure 9 in the form of the tube 24 is one which is constructed analogously to the sandwich component 50 according to Figure 7, namely the glass foam material 10 as an insulating layer 54 and the fiber composite material 12 as the outer layer 52. In the outer layer The fiber optic sensors 82 are laminated into 52.
Der Verlauf der Anordnung der faseroptischen Sensoren 82 kann dem Verlauf der Luftkanäle 76 entsprechen, was jedoch nicht zwingend erforderlich ist. Bei den Luftkanälen 76 ist es beispielsweise sinnvoll, wenn sie sich regelmäßig überkreuzen; bei faseroptischen Sensoren 82 kann auch eine engmaschige, spiralförmige Wicklung in nur eine Richtung in Frage kommen, ohne dass Überkreuzungen ausgebildet sind. Die Luftkanäle 76 gemäß Figur 7 befinden sich in der Schaumglasschicht, während die faseroptischen Sensorgen 82 gemäß Figur 9 der äußeren Faserverbundschicht zugeordnet werden können.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
The course of the arrangement of the fiber-optic sensors 82 can correspond to the course of the air channels 76, but this is not absolutely necessary. With the air ducts 76, for example, it makes sense if they cross each other regularly; In the case of fiber-optic sensors 82, a close-meshed, spiral-shaped winding in only one direction can also be considered without crossing over. The air channels 76 according to FIG. 7 are located in the foam glass layer, while the fiber-optic sensor genes 82 according to FIG. 9 can be assigned to the outer fiber composite layer. The invention is not limited to the exemplary embodiments described here and the aspects highlighted therein. Rather, within the range specified by the claims, a large number of modifications are possible, which are within the scope of professional action.
Bezugszeichenliste Reference symbol list
10 Glasschaumwerkstoff 10 glass foam material
12 Faserverbundwerkstoff 12 fiber composite material
14 Glasschicht an der Oberfläche des Glasschaumwerkstoffs 14 glass layer on the surface of the glass foam material
16 Faserverbundmatenal mit keramischer oder glasartiger, anorganischer16 fiber composite material with ceramic or glass-like, inorganic
Matrix matrix
18 Vorrichtung zur lokalen Erzeugung hoher Temperaturen 18 Device for locally generating high temperatures
20 Kaltseite 20 cold side
22 Heißseite 22 hot side
24 Rohr 24 pipe
25 Resonatorkammern 25 resonator chambers
26 Platte, Paneel 26 plate, panel
28 Anbauteile Baustruktur oder System auf Heißseite 28 attachments building structure or system on hot side
30 Anbauteile aus Faserverbundwerkstoff auf Kaltseite 30 attachments made of fiber composite material on the cold side
32 Trockene Verstärkungsfasern 32 Dry reinforcing fibers
34 Innere Form 34 Inner shape
36 Vorformling 36 preform
38 Außenform 38 external shape
40 Ausdehnung während des Aufschäum prozesses 40 expansion during the foaming process
48 Leckagestelle 48 leak point
50 Sandwichbauelement 50 sandwich component
52 Außenschicht beziehungsweise Schicht auf Kaltseite 52 outer layer or layer on the cold side
54 Isolationsschicht 54 insulation layer
56 Fasermaterial (Metall-, Basalt-, Glas-, Karbon- und Keramikfasern)56 fiber material (metal, basalt, glass, carbon and ceramic fibers)
58 Kurzfasern 58 short fibers
60 Langfasern 60 long fibers
62 Glasgranulat 62 glass granules
64 Textilhalbzeug 64 Textile semi-finished products
66 Leckagedetektionsvorrichtung 66 leak detection device
68 Auslass 68 outlet
70 70
72 Temperatursensor 72 temperature sensor
74 74
76 Luftkanäle in Außenseite Isolationsschicht 76 air channels in outside insulation layer
78 Faserverbundhülle
Einlaminierte faseroptische Sensoren 78 fiber composite cover Laminated fiber optic sensors
Luftleithülle aus Folie Air guide cover made of foil
Stirnseite front side
Folienreserve Foil reserve
Sandwichbauelement aus Faserverbundwerkstoff mit anorganischerSandwich component made of fiber composite material with inorganic
Matrix, Schaumglas und allgemeinem VerbundwerkstoffMatrix, foam glass and general composite material
Vorschubrichtung feed direction
Offene Glasporen Open glass pores
Übermaß excess
Sollmaß Target size
Geschlossene Form Closed form
Erste Formhälfte First half of the mold
Zweite Formhälfte
Second half of the mold
Claims
Patentansprüche Patent claims
1. Verfahren zur Herstellung eines mindestens zweischichtigen Sandwichbau- elements (50) in Form eines Rohres (24) oder in Form einer Platte (26), wobei das Sandwichbauelement (50) einer Kaltseite (20) und einer Heißseite (22) ausgesetzt ist, mit zumindest nachfolgenden Verfahrensschritten: a) Herstellung einer der Heißseite (22) zugewandten Isolationsschicht (54) aus einem gasdichten, hochtemperaturbeständigen Glasschaumwerkstoff (10) und b) Herstellung einer der Kaltseite (20) zugewandten Außenschicht (52) des Sandwichbauelements (50), einen Faserbundwerkstoff (12) enthaltend. 1. A method for producing an at least two-layer sandwich component (50) in the form of a tube (24) or in the form of a plate (26), the sandwich component (50) being exposed to a cold side (20) and a hot side (22), with at least the following method steps: a) producing an insulation layer (54) facing the hot side (22) from a gas-tight, high-temperature-resistant glass foam material (10) and b) producing an outer layer (52) of the sandwich component (50) facing the cold side (20), a Fiber composite material (12) containing.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die der Heißseite (22) zugewandte Isolationsschicht (54) mit einer Schicht versehen wird, die ein Faserverbundmatenal (16) mit einem Keramik-, Glaskeramikoder Glasmatrixmaterial enthält. 2. The method according to claim 1, characterized in that the insulation layer (54) facing the hot side (22) is provided with a layer which contains a fiber composite material (16) with a ceramic, glass ceramic or glass matrix material.
3. Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die gemäß Verfahrensschritt a) der Heißgasseite (22) zugewandte Isolationsschicht (54), die einen gasdichten, hochtemperaturbeständigen Glasschaumwerkstoff (10) umfasst, aus einem Schaumblockmatenal oder aus einem Vorformling (36) gefertigt wird, wobei letzterer zumindest ein Glasgranulat (62) und ein Aufschäummittel umfasst. 3. The method according to claims 1 or 2, characterized in that the insulation layer (54) facing the hot gas side (22) according to method step a), which comprises a gas-tight, high-temperature-resistant glass foam material (10), consists of a foam block material or a preform (36 ), the latter comprising at least one glass granulate (62) and a foaming agent.
4. Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die der Heißseite (22) zugewandte Isolationsschicht (54) durch lokale Erzeugung hoher Temperaturen geglättet wird, derart, dass nach der Glättung eine Offenporenfreie Glasschicht (14) erhalten wird. 4. Method according to claims 1 to 3, characterized in that the insulation layer (54) facing the hot side (22) is smoothed by locally generating high temperatures, such that after smoothing an open-pore-free glass layer (14) is obtained.
5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Sandwichbauelement (50) während der Durchführung zumindest des Verfahrensschritts a) in einer geschlossenen Form (100) gehalten wird, in welcher das Glasgranulat (62) geschmolzen und aufgeschäumt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der geschlossenen Form (100) eine aus einem Faservorformling (36) oder einem temperaturbeständigen, porösen Faserverbundwerkstoff (12) gefertigte faserhaltige Schicht (32) mit der Schmelze des Glasgranulats (62) vollständig oder teilweise durchtränkt wird. Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der gasdichte, hochtemperaturbeständige Schaumwerkstoff (10) bei dessen Herstellung mit Fasermaterial, insbesondere Karbon-, Metall- (beispielsweise Stahl oder Nickelbasissuperlegierung), Basalt-, Keramikfasern oder temperaturbeständigen Glasfasern versehen wird, wobei das Fasermaterial als Kurzfasern (58), Langfasern (60) oder als Endlosfasern vorliegt. Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Fasermaterial als Kurzfasern (58) oder als Langfasern (60) in das Glasgranulat (62) vor dessen Aufschmelzen oder Aufschäumen eingebracht wird oder als gewickelter Vorformling (36) für Deckschichten oder als Textilhalbzeug, insbesondere als Geflecht oder Gewebedeckschicht oder Abstandsgewirk eingebracht wird, die beziehungsweise das während des Schmelz- und Aufschäum prozesses des Glasgranulats (62) von diesem durchtränkt werden. Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vorformling (36) aus einem Gemisch umfassend Glasgranulat (62), Aufschäummittel und Binder erzeugt wird, derart, dass der Vorformling (36) als Stütze für das Aufbringen weiterer Vorformlinge (36) für eine der Faserdeckschichten dient und somit mittels des/der Vorform lings/e (36) die Position der Kavität steuerbar ist, in die sich das Schaummaterial bei der Expansion ausdehnt und wo sich das auszuhärtende Material und die Fasern befinden. Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer Außenseite der Isolationsschicht (54), die einen gasdichten, hochtemperaturbeständigen Glasschaumwerkstoff (10) enthält, Luftkanäle (76) eingebettet werden, die nach Auflaminieren der Außenschicht (52) luftdurchlässig bleiben und im Fall eines Lecks in der Isolationsschicht (54) austretende Luft zu diskreten Auslässen (68) leiten, welchen Temperatursensoren (72) zugeordnet sind.
11 . Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in die die Isolationsschicht (54) überdeckende Außenschicht (52) des Faserverbundwerkstoffs (12) faseroptische Temperatursensoren (82) einlaminiert werden. 5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the sandwich component (50) is held in a closed mold (100) during the implementation of at least method step a), in which the glass granules (62) are melted and foamed. Method according to claim 5, characterized in that in the closed mold (100) a fiber-containing layer (32) made from a fiber preform (36) or a temperature-resistant, porous fiber composite material (12) is completely or partially saturated with the melt of the glass granules (62). becomes. Method according to claims 1 to 6, characterized in that the gas-tight, high-temperature-resistant foam material (10) is provided during its production with fiber material, in particular carbon, metal (for example steel or nickel-based superalloy), basalt, ceramic fibers or temperature-resistant glass fibers, whereby the fiber material is present as short fibers (58), long fibers (60) or as continuous fibers. Method according to claim 7, characterized in that the fiber material is introduced as short fibers (58) or as long fibers (60) into the glass granulate (62) before it is melted or foamed or as a wound preform (36) for cover layers or as a semi-finished textile product, in particular as Braid or fabric cover layer or spacer fabric is introduced, which is soaked by the glass granules (62) during the melting and foaming process. Method according to claims 1 to 8, characterized in that a preform (36) is produced from a mixture comprising glass granules (62), foaming agent and binder, such that the preform (36) serves as a support for the application of further preforms (36). serves for one of the fiber cover layers and thus the position of the cavity into which the foam material expands during expansion and where the material to be cured and the fibers are located can be controlled by means of the preform(s) (36). Method according to claims 1 to 9, characterized in that air channels (76) are embedded on an outside of the insulation layer (54), which contains a gas-tight, high-temperature-resistant glass foam material (10), which remain air-permeable after the outer layer (52) has been laminated on and In the event of a leak in the insulation layer (54), air escaping is directed to discrete outlets (68) to which temperature sensors (72) are assigned. 11. Method according to claims 1 to 9, characterized in that fiber-optic temperature sensors (82) are laminated into the outer layer (52) of the fiber composite material (12) covering the insulation layer (54).
12. Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Wärmebehandlung der der Heißseite (22) zugewandten Isolationsschicht (54) Stege aufgebrochener Glasblasen (94) aufschmelzen und sich durch Oberflächenspannung zu einer glatten Fläche zusammenziehen oder durch Anpressen eines heißen Formwerkzeugs eine vorgegebene Oberflächengeometrie erzeugt wird. 12. The method according to claim 4, characterized in that during the heat treatment of the insulation layer (54) facing the hot side (22), webs of broken glass bubbles (94) melt and contract to form a smooth surface due to surface tension or a predetermined surface geometry by pressing on a hot mold is produced.
13. Verfahren gemäß Anspruch 4 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung an Stirnseiten (86) des Sandwichbauelements (50) als Rohr (24) durchgeführt wird, um glatte Oberflächen zur Abdichtung eines Verbindungsstoßes zwischen zwei Rohren (24) zu erhalten. 13. The method according to claim 4 or 11, characterized in that the heat treatment is carried out on end faces (86) of the sandwich component (50) as a tube (24) in order to obtain smooth surfaces for sealing a joint between two tubes (24).
14. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Faserverbundmatenal (16) mit keramischer Matrix oder glasartiger, anorganischer Matrix auf die der Heißseite (22) zugewandte Isolationsschicht (54) auflaminiert wird und eine Temperaturbehandlung des Laminats und der Isolationsschicht (54) gemeinsam zur Konsolidierung/Aushärtung/Pyrolyse dieses Faserverbundmatenals (16) erfolgt. 14. The method according to claim 2, characterized in that the fiber composite material (16) with a ceramic matrix or glass-like, inorganic matrix is laminated onto the insulation layer (54) facing the hot side (22) and a temperature treatment of the laminate and the insulation layer (54) together for the consolidation/curing/pyrolysis of this fiber composite material (16).
15. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine vorgefertigte Schicht des Faserverbundmatenals (16) mit keramischer Matrix oder mit glasartiger, anorganischer Matrix mittels eines Klebeprozesses mit einem hochtemperaturbeständigen Klebstoff oder mittels eines Glaslotprozesses mit einem Glaslot auf die der Heißseite (22) zugewandte gasdichte, hochtemperaturbeständige Isolationsschicht (54) aufgebracht wird. 15. The method according to claim 2, characterized in that a prefabricated layer of the fiber composite material (16) with a ceramic matrix or with a glass-like, inorganic matrix by means of an adhesive process with a high-temperature-resistant adhesive or by means of a glass soldering process with a glass solder on the hot side (22) facing gas-tight, high-temperature-resistant insulation layer (54) is applied.
16. Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserverbundwerkstoff (12) auf der Kaltseite (20) als Außenschicht (52) mittels Duroplast-Prepreg-basierter Verfahren oder Harzinfusionsverfahren, RTM-Verfahren (Resin Transfer Molding Spritzpressen) oder Thermoplast-
Prepreg-basierter Verfahren, insbesondere TP-AFP-Verfahren (Thermoplastic Automated Fiber Placement), aufgebracht wird. Sandwichbauelement (50) in Form eines Rohrs (24) oder in Form einer Platte (26), welches einer Kaltseite (20) und einer Heißseite (22) ausgesetzt ist, hergestellt gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Sandwichbauelement (50) zumindest zweischichtig ausgebildet ist und eine der Heißseite (22) zugewandte Isolationsschicht (54), die einen gasdichten, hochtemperaturbeständigen Glasschaumwerkstoff (10) umfasst, sowie eine der Kaltseite (20) zugewandte Außenschicht (52) aus einem Faserverbundwerkstoff (12) umfasst. Sandwichbauelement (50) gemäß Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die der Heißseite (22) zugewandte Isolationsschicht (54), die einen gasdichten, hochtemperaturbeständigen Glasschaumwerkstoff (10) umfasst, mit einer Schicht versehen ist, die ein Faserverbundmatenal (16) mit keramischer Matrix oder mit einer glasartigen, anorganischen Matrix enthält. Verwendung des Sandwichbauelements (50) gemäß den Ansprüchen 17 oder 18 in einem Luftfahrzeug als Heißgasleitung oder als Zapfluft- oder als Auspuffleitung oder als Triebwerks- oder als APU-Schalldämpfer (APU = Auxiliary Power Unit). Verwendung des Sandwichbauelements (50) gemäß den Ansprüchen 17 oder 18 zur Einhausung potentiell heißer Aggregate im Regelbetrieb und/oder im Fehlerfall- oder Brandfall in einem Luftfahrzeug, insbesondere einer Festoxid- brennstoffzelle oder mindestens einer Batterie oder eines Niedertemperaturenergiewandlers.
16. The method according to claims 1 to 15, characterized in that the fiber composite material (12) on the cold side (20) as an outer layer (52) using thermoset prepreg-based processes or resin infusion processes, RTM processes (resin transfer molding injection molding) or thermoplastic Prepreg-based processes, in particular TP-AFP processes (Thermoplastic Automated Fiber Placement), are applied. Sandwich component (50) in the form of a tube (24) or in the form of a plate (26), which is exposed to a cold side (20) and a hot side (22), produced according to one of claims 1 to 16, characterized in that the sandwich component (50) is designed in at least two layers and comprises an insulation layer (54) facing the hot side (22), which comprises a gas-tight, high-temperature-resistant glass foam material (10), and an outer layer (52) made of a fiber composite material (12) facing the cold side (20). . Sandwich component (50) according to claim 17, characterized in that the insulation layer (54) facing the hot side (22), which comprises a gas-tight, high-temperature-resistant glass foam material (10), is provided with a layer which is a fiber composite material (16) with a ceramic matrix or with a glass-like, inorganic matrix. Use of the sandwich component (50) according to claims 17 or 18 in an aircraft as a hot gas line or as a bleed air line or as an exhaust line or as an engine or as an APU silencer (APU = Auxiliary Power Unit). Use of the sandwich component (50) according to claims 17 or 18 for housing potentially hot units in regular operation and/or in the event of a fault or fire in an aircraft, in particular a solid oxide fuel cell or at least one battery or a low-temperature energy converter.
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