DE2460807C3 - Flächenhaftes Leichtbauteil aus faserverstärktem Kunststoff - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einiflächenhaftes Leichtbauteil entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Durch die DE-OS 20 52 431 ist bereits ein faserverstärktes Kunststofflaminat bekannt, das aus aus vorimprägnierten Garnen oder Rovings vorgefertigten und durch Pressen zu flächenhaften Leichtbauteilen weiterverarbeitbarem Laminat besteht Bei diesem bekannten Laminat werden aus kunststoffgetränkten Glasfasersträngen sich kreuzende Rippenstege gebildet, wobei sich die Glasfaserstränge an den Kreuzungsstellen gegenseitig durchdringen und jede Kreuzungsstelle der Glasfaserrippen fadenförmige, schlingenartige Verbindungselemente enthält, die durch Umschlingen der beiden sich kreuzenden Glasfaserrippen diese an eine harzgetränkte Glasgewebeunter- oder -Oberschicht festmacht. Dieses bekannte Laminat beschränkt sich auf die Verwendung von Glasfasersträngen, die wegen ihrer geringen Materialfestigkeit und des geringen Elastizitätsmoduls zu keinen hochbeanspruchten Bauteilen weiterverarbeitet werden können. Außerdem erfordert das Durchdringen der einzelnen Faserstränge an den Kreuzungsstellen und das Verbinden mit den Glasgewebeunter- oder -Oberschichten einen erheblichen Fertigungsaufwand.

Weiterhin ist durch die DE-OS 17 04 640 ein Kunststofflaminat aus mindestens zwei aus Glasfasern bestehenden Schichten bekannt, wobei die eine Schicht aus einem Grundgewebe besteht, an das der Verstärkung dienende, aus Fasersträngen gebildete Rippen angeordnet sind. Die Rippenschicht wird auf eine Trägerschicht aufgelegt und beide Schichten werden dann mit Kunststoff getränkt und ausgehärtet Dieses Laminat weist etwa die gleichen bereits erwähnten Nachteile auf.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, Leichtbauteile der eingangs erwähnten Art mit besseren Festigkeitseigenschaften zu schaffen, die außerdem leichter zu fertigen sind.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Leichtbauteil mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 und der Unteransprüche 2 und 3. Der wesentliche durch die Erfindung erzielte Fortschritt besteht darin, daß durch das webeartige Verbinden der Faserstränge zu sich stets wiederholenden Mustern ein symmetrisches und ebenes Flächenbauteil entsteht welches durch die Verwendung von Kohlefasern zu Bauteilen von hoher Wärmefestigkeit weiterverarbeitet werden kann. Bei besonders hochbeanspruchten Teilen kann mit einer parallel höheren Anzahl der Schichten pro Faserstrang und der Garne oder Rovings pro Schicht mit geringem Materialaufwand eine beträchtliche Gesamtverstärkung des aus dem Laminat hergestellten Leichtbauteils erzielt werden.

Das erfindungsgemäße Leichtbauteil kann entsprechend den Unteransprüchen 4 bis 6 zu unterschiedlichen, sowohl flächigen als auch gekrümmten Bauteilen und Konstruktionselementen verwendet werden. Die bevorzugten Anwendungsmöglichkeiten liegen bei Leichtbau !eilen für die Luft- und Raumfahrt zur Erzielung von weiteren Gewichtseinsparungen gegenüber bekannten Materialien. Anwendungsgebiete in der Luftfahrt sind z. B. Flügelklappen, Fußbodenkonstruktionen und in Radome eingebaute Antennen. Bei letzteren kann gegenüber den bisherigen Bauweisen eine wesentliche Gewichtserleichterung dadurch erzielt werden, daß sowohl die Antennenspiegel als auch die Stützkonstruktionen aus Leichtbauteilen nach der Erfindung hergestellt werden. Diese extrem leichten Antennen können nahezu trägheitslos schwenken, wodurch wesentlich verbesserte Antennenfunktionen erzielbar sind. In der Raumfahrt ist neben dem Aufbau ganzer Satellitenkörper eine bevorzugte Anwendung als Tragplatten für Sonnenzellen gegeben. Diese können aus Sandwichplatten gefertigt werden, die als Deckschichten mit den erfinderischen Leichtbauteilen versehen sind. Bei Raumfahrtanwendungen wirkt sich besonders vorteilhaft der extrem niedrige Wärmeausdehnungskoeffizient von kohlefaserverstärktem Kunststoff aus.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 die Draufsicht auf einen Ausschnitt aus einem Leichtbauteil;
Fig.2 einen Querschnitt in stark vergrößerter Darstellung durch einen aus sechs Rovings gebildeten Faserstrang;

F i g. 3 einen Querschnitt wie F i g. 2 mit einem Faserstrang aus zwölf Rovings;
F i g. 4 eine Seitenansicht in vergrößerter Darstellung von einem Leichtbauteil mit unterschiedlich aufgebauten Fasersträngen;

F i g. 5 eine Antenne mit Stützgerüst in der Seitenansicht;
F i g. 6 eine Draufsicht auf die Antenne nach F i g. 5;

F i g. 7 ein Detail VII aus der F i g. 6 und
F i g. 8 eine Sandwichplatte.

Das ausschnittsweise dargestellte, flächenhafte Leichtbauteil 1 ist aus einem Wickellaminat aus

kohlefaserverstärktem Kunststoff hergestellt Beim nicht dargestellten Wickelverfahren werden Rovings, die aus einer großen Anzahl von Kohlenstoffasern bestehen, erst in Kunstharz getränkt und dann durch stetiges Hin- und Herbewegen eines Wickelkopfes nach einem vorgegebenen Muster in zwei sich kreuzenden Faserrichtungen auf einen rotierenden Wickeldorn aufgebracht Das so erzeugte Laminat wird vor dem Aushärten durch Trennschnitte in Faserrichtung Lach den Abmaßen des gewünschten Leichtbauteils zerlegt und dann entsprechend den Konturen des Fertigteils geformt und ausgehärtet

Bei dem Leichtbauteil 1 sind entsprechend den F i g. 1 bis 3 Rovings 2 zu Fasersträngen 3 (Fig.2) oder 4 (Fig.3) gewickelt, die in einem waagerechten Abstand a und einem senkrechten Abstand b, welche entsprechend den Fesügkeits- und sonstigen Anforderungen gewählt werden können, angeordnet sind. Die Abstände a und b sind üblicherweise gleich ausgeführt können aber auch unterschiedlich sein. Der Faserstrang 3 ist aus zwei Schichten von Rovings 2 aufgebaut wobei es zweckmäßig ist, je Schicht mindestens drei Rovings anzuordnen. Der Faserstrang 4 weist drei Schichten zu je vier Rovings auf, wodurch ein entsprechend festeres und steiferes Leichtbauteil 1 gestaltet werden kann. Es liegt im Rahmen der Erfindung, die Faserstränge in jeder zweckmäßigen Variation von Schichten und Anzahl von Rovings pro Schicht zu wählen, wobei für nicht zu hoch beanspruchte Leichtbauteile auch einschichtige Faserstränge möglich sind.

In dem Leichtbauteil 1 sind eine Anzahl von ciets wiederkehrenden gewebeartigen Mustern 5 dargestellt, welche je vier Faserstränge 3 oder 4 in waagerechter und senkrechter Richtung umfassen. Das gezeigte Muster 5 mit seinen unterschiedlichen Verkreuzungen ergibt eine sehr feste Bindung der einzelnen Faserstränge untereinander und damit ein in allen Belastungsrichtungen steifes Bauteil. Beim dargestellten Muster 5 werden die Faserstränge 3 oder 4 so gewickelt daß ein zuletzt gewickelter Faserstrang 8 durchläuft und dabei einen davor gewickelten quergerichteten Faserstrang 9 fiberdeckt Diese gegenseitige Überdeckung wiederholt sich entsprechend dem Aufbau des Musters 5 viermal, bis wieder mit den Fasersträngen 8 und 9 ein neues Muster 5 beginnt Durch das flächenhaft kleine, immer wiederkehrende Muster entsteht für das Leichtbauteil 1 der Gesamteindruck eines symmetrischen flächenhaften Auf baus. Die Erfindung ist nicht auf das gezeigte Muster 5 beschränkt es kann vorteilhaft jedes andere den Anforderungen genügende Muster verwendet werden.
Entsprechend der F i g. 4 können einzelne Wickelabschnitte mit Mustern 6 und verstärkten Fasersträngen 7 ausgeführt sein, wobei die benachbarten Wickelabschnitte beispielsweise entsprechend dem Muster 5 der F i g. 1 und Fasersträngen 3 aufgebaut sind. Die verstärkten Gewebeabschnitte 6 wirken wie Versteifungsrippen im Leichtbauteil 1 und ergeben mit verhältnismäßig geringem Materialaufwand eine erheblich höhere Festigkeit

Die F i g. 5 zeigt einen Antennenkörper 10, bei dem sowohl ein Antenp.enspiegel 11 als auch ein Stützkörper

is 12 für den Spiegel Leichtbauteile 1 sind, die aus dem Laminat durch Pressen und Aushärten in einer sphärischen Form hergestellt sind.

Entsprechend der F i g. 6 und 7 werden zur Herstellung des Antennenspiegels 11 aus dem Wickellaminat vier gleiche sektorförmige Teile 13a bis 13t/ so ausgeschnitten, daß die die gewebeartigen Muster 5 abgrenzenden und beim Wickelverfahren zu oberst liegenden Faserstränge 8 jeweils im Winkel von etwa 90° aneinander liegen, wobei z. B. jeweils der Faserstrang 8 im Sektor 13a an den Faserstrang 8 im Sektor 136 stößt Bei dieser Anordnung der Leichtbauteile werden die durch das Kunstharz bedingten quergerichteten Wärmeausdehnungen der einzelnen Sektoren 13a bis \Zd so kompensiert, daß für den gesamten Antennenspiegel der Wärmeausdehnungskoeffizient zu Null wird. Dieses Verhalten ist bei Raumfahrtantennen besonders wichtig, weil bei diesen durch schnell wechselnde Sonneneinstrahlung und Abschattung durch die Erde innerhalb etwa 72 Minuten eine Temperaturveränderung von +120⁰C auf —160° C eintreten kann. Um die Festigkeitseigenschaften des Antennenspiegels zu gewährleisten, überlappen sich die Sektoren 13a bis d um etwa die Breite eines Musters 5. Es liegt im Rahmen der Erfindung, an Stelle von vier Sektoren 13a bis (/auch beliebige andere Anzahl von Sektoren für den Antennenspiegel 11 vorzusehen.

Als weiteres Anwendungsbeispiel ist in der Fig.8 eine Sandwichplatte 15 dargestellt, bei der Deckschichten 16 Leichtbauteile 1 sind. Zwischen den Deckschichten 16 ist ein Stützkörper 17 angeordnet, der in bekannter Weise z. B. aus Honigwaben hergestellt wurde.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Flächenhaftes LeichtbauteU aus faserverstärktem Kunststoff, bestehend aus gitterförmig mit Abstand zueinander angeordneten, vorimprägnier ten Garnen oder Rovings, dadurch gekennzeichnet, daß das Gitter aus sich webeartig kreuzenden Strängen (3, 4) aus Kohlefasern mit dabei stets wiederholendem Muster (5) besteht.

2. Leichtbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Faserstrang (3, 4) vorzugsweise aus zwei Schichten von je drei Garnen oder Rovings (2) besteht

3. LeichtbauteU nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine über die Fläche verteilte unterschiedliche Anzahl von Schichten pro Faserstrang (3,4) und von Garnen oder Rovings (2) pro Schicht

4. Verwendung des Leichtbauteils nach Anspruch 1 und einem oder mehreren der Ansprüche 2 und 3 als einseitige Abdeckung oder als überwiegendes Konstruktionselement eines Baukörpers oder als Deckschichten (16) für ein Sandwichbauteil.

5. Verwendung des Leichtbauteils nach Anspruch 1 und einem oder mehreren der Ansprüche 2 und 3 zur Herstellung von Teilen mit doppelt sphärischer Krümmung, z.B. von Antennenspiegeln (11) und deren Stützkonstruktion (12).

6. Verwendung des Leichtbauteils nach Anspruch 1 und einem oder mehreren der Ansprüche 2 und 3 zur Herstellung des Antennenspiegels (11) aus vier sektorförmig angeordneten Leichtbauteilen (13a bis d), wobei die Muster (5) unter etwa 90° aneinander stoßen.