DE2657542A1

DE2657542A1 - Bauteilecken aus faserverstaerkten werkstoffen

Info

Publication number: DE2657542A1
Application number: DE19762657542
Authority: DE
Inventors: Werner Dipl Ing Hartmann; Rudolf Ing Grad Schindler
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1976-12-18
Filing date: 1976-12-18
Publication date: 1978-06-22
Also published as: GB1582879A; DE2657542C2; DE2657542B1; FR2374158A1; US4190996A; JPS565188B2; FR2374158B1; JPS5377787A

Description

I WACHQEREICKT

Messerschmitt-Bölkow-Blohm Ottobrunn, 8« Dezember 1976

Gesellschaft mit BT 012 Hi/th beschränkter Haftung,

München 8085

Bauteilecken aus faserverstärkten Werkstoffen

Die Erfindung betrifft Bauteilecken aus faserverstärkten Werkstoffen mit vier in Winkeln zueinander angeordneten Flächen·

Bei im Laminierverfahren hergestellten Kästen, Rahmen, Flanschen oder sonstigen eckigen Bauteilen werden die Ecken bisher durch Überlappungen ähnlich wie bei Faltschachteln her—

809 825/0361

gestellt. Die bei der Überlappung entstehenden Absätze stören bei dem Ineinanderfügen oder Aneinandersetzen von mehreren Ecken, außerdem verursachen die Überlappungen höhere Gev/ichte und gestörte KraftflußverlMufe. Weiterhin sollten Teile aus faserverstärkten Werkstoffen einen eindeutigen Faserverlauf und symmetrischen Lagenaufbau aufweisen, damit sie ihre Form beim Aushärten beibehalten können. Diese Forderung ist bei Bauteilen mit Überlappungen nicht einfach zu erfüllen, weil beim Abkühlen von der Härtetemperatur leicht Spannungen und Verwerfungen in den aufgedickten Teilen auftreten. Um dieses zu vermeiden, müssen die überlappten Ecken oft mit mehr Faserlagen ausgeführt werden, als es festigkeitsmäßig erforderlich wäre.

Der -Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Bauteilecken aus faserverstärkten Werkstoffen zu schaffen, die bei bester Ausnutzung der Werkstoffeigenschaften eine vollkommen glatte Oberfläche und gleichmäßige Wandstärke aufweisen.

Diese Aufgabe wird mit Bauteilecken der eingangs genannten Art erfindungsgemäß gelöst durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Lehre. Auf diese Weise werden Bauteilecken mit konstanter Wandstärke hergestellt, die in den beiden Schichten einen ungestörten Kraftflußverlauf von einer Faserlage zur anderen aufweisen. Ein weiterer Vorteil betrifft die Art der Fertigung, durch die eine saubere, stets reproduzierbare unidirektionale Faserablage gegeben ist. Die mittels der Erfindung hergestellten Bauteilecken vermögen somit die günstigen Eigenschaften der jeweils verwendeten faserverstärkten Werkstoffe optimal auszunutzen»

Es können auf diese Weise Bauteilecken jeglicher Formgebung günstig gestaltet werden, wobei die Wahl der Winkel zwischen den angrenzenden Flächen entsprechend den geometrischen Gege-

809825/0361

26575^2

NACHQEREICHTI

benheiten vorgenommen werden kann. Dabei ermöglicht eine Faserausrichtung symmetrisch zur Winkelhalbierenden die Erzeugung von identischen Faserablagen in den Flächen der Bauteilecken, die symmetrisch zur Winkelhalbierenden angeordnet sind. Hierbei brauchen keine Fasern im Bauteil abgeschnitten werden.

Entsprechend einer beispielsweisen Ausführungsform der Erfindung mit jeweils in Winkeln von 90 zueinander angeordneten Flächen sind die Faserlagen zu den Kanten der Bauteilecken jeweils unter Winkeln von 45° aufgelegt. Diese Ausführungsform der Erfindung ermöglicht, mit den Bauteilecken viereckige Kästen, Rahmen, Profile usw. in vereinfachter Bauweise zu gestalten, die somit absolut glatte Formen und ein niedriges Gewicht aufweisen.

Während zum Herstellen von wenig beanspruchten Bauteilecken zwei Schichten ausreichend sind, sind entsprechend einer Ausgestaltung der Erfindung zum Herstellen von schub- und verbindungssteifen Bauteilen sechs Faserlagen in vier Schichten angeordnet. Durch den kreuzweisen Aufbau der Faserschichten und die festigkeitsmäßig günstige Faserablage genügen diese vier Schichten bereits zur Herstellung von hochbeanspruchten schubfesten Bauteilen, wobei in üblicher Art die Höhe der Festigkeit durch die Art der verwendeten Werkstoffe beeinflußbar ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sehen vor, daß alle Fasern in den einzelnen Schichten parallel zueinander angeordnet sind, daß der faserverstärkte Werkstoff aus mit Kunstharz getränkten Fasern besteht, die entweder bereits vorimprägniert sind oder beim Auflegen mit Kunstharz getränkt werden und daß die Verstärkungsfasern aus Glas, Kohlenstoff, Bor, Kunststoff oder anderen Fasermaterialien bestehen.

Es lassen sich somit in bekannter Weise je nach Verwendungs-

- a - 809825/0361

NACHGEREIOHT

zweck und der Höhe der zu übertragenen Kräfte alle vorkommenden faserverstärkten Werkstoffe au erfindungsgemäßen Bauteilecken verwenden. Um mit den Bauteilecken die bereits aufgeführten verschiedenen Bauteile herzustellen, können dieselben vorteilhaft mit nach innen oder nach außen liegenden Randflächen gestaltet v/erden. Außerdem ist es in Folge ihrer absolut glatten Oberfläche möglich, die Bauteilecken zu Profilen aller Art zusammenzusetzen. Diese Fertigung ist besonders für reproduzierbar herzustellende Bau-

^O teile und Profile interessant. Weitere die Erfindung ausgestaltenden Merkmale gehen aus der Beschreibung von in der Zeichnung wiedergegebenen Ausführungsbeispielen hervor.

Es zeigen

Fig. 1 ein Modell einer ersten Ausführungsform in verkleinerter Darstellung;

Fig. 2 eine auf dem Modell entsprechend Fig. 1

aufgebrachte erste Faserlage für den Aufbau einer Bauteilecke;

Fig. 3 bis 7 weitere auf die erste Faserlage entsprechend Fig. 2 aufgebrachte Faserlagen;

Fig. 8 den Schichtaufbau der Bauteilecken mit den

Faserlagen entsprechend den Fig. 2 bis 7;

Fig. 9 einen vergrößert dargestellten Querschnitt durch den Faseraufbau der Bauteilecke entsprechend Fig. 8;

Fig· TO ein Modell einer zweiten Ausführungsform

in verkleinerter Darstellung;

- 5 809825/0361

	Fig.	14
5
	Fig.	15
	Fig.	16
	FIg.	17
10

ι NAOHeERHOHTj

L.

Fig. 11 bis 13 auf das Modell entsprechend Fig. 10 aufgebrachte Faserlagen zur Bildung einer Bauteilecke;

die entsprechend den Fig. 11 bis 13 gefertigte Bauteilecke in verkleinerter Darstellung;

eine dritte Ausführungsform der Bauteilecke;

ein aus Bauteilecken zusammengesetztes Kreuzprofil und

einen. Schnitt durch das Profil der Fig. 16 entsprechend, den Linien XVII-XVII,

Ein Modell 1 hat entsprechend der herzustellenden Bauteilecke vier in Winkeln zueinander angeordnete Flächen 2, 3, 4 und 5. Die Modellwinkel betragen hier sämtlich 90 entsprechend den gebräuchlichen Ausführungen von aus den Bauteilecken zu fertigenden Bauteilen oder Profilen. Es lassen sich aber ohne weiteres auch erfindungsgemäße Bauteilecken mit von 90 abweichenden Winkeln herstellen. Ebenso ist es nicht erforderlich, daß die Flächen 2 und 3 in einer Ebene liegen. Für bestimmte Anwendungen, z.B. für Rippenträger im Flugzeugbau, können diese Flächen auch in mit Winkeln zueinander angeordneten Ebenen liegen oder sie können gegeneinander abgesetzt sein. In allen diesen Fällen sind dafür die entsprechend geformten Modelle 1 herzustellen.

Die Fig. 2 bis 4 zeigen für eine erfindungsgemäße Bauteilecke den Aufbau von drei Faserlagen, mit dem eine vollständige überdeckung aller Flächen des Modells 1 mit zwei Schichten erfolgt. Die dargestellten Faserlagen zeigen nur den prinzipiellen Verlauf der Fasern. In Wirklichkeit sind die Fasern in bekannter Weise eng-aneinanderliegend auf das Modell 1 aufgebracht.

809825/0361

Eine erste auf das Modell 1 aufgelegte Faserlage 7 bedeckt vollständig die Flächen 2 und 3 und größtenteils die Flächen 4 und 5. Die zweite Faserlage 8, die im rechten Winkel zur ersten Faserlage 7 aufgelegt ist, bedeckt die Flächen 3 und 5 vollständig und den. Teil der Fläche 4, der durch die erste Faserlage 7 freigeblieben ist. Die dritte Faserlage 9 vervollständigt durch das Überdecken der Flächen 2 und und des Restteiles der Fläche 5 die zweite, das Modell 1 vollsiSndig überdeckende Faserschicht. Es ist aus den Fig. 2 bis 4 auch ersichtlich, daß die zweite Schicht der Faserlagen die erste Schicht im rechten Winkel kreuzt, wodurch die gesamte Bauteilecke eine gute Steifigkeit erhält. Die Faserlagen werden in bekannter Weise, z.B. im Naßlaminierverfahren oder durch Verwendung von vorimprägnierten Fasern oder Rovings (Prepregs) in Ablagetechnik auf das Modell 1 aufgebracht, nach dem Auflegen unter Druck gegen das Modell gepreßt, wobei das überschüssige Harz entfernt wird, ausgehärtet und dann vom Modell abgenommen. Diese bekannten Verfahren sind z.B, beschrieben auf den Seiten 539 bis 557 in dem Buch "Glasfaserverstärkte Kunststoffe", herausgegeben von Peter H. Seiden im Springer-Verlag Berlin-Heidelberg-New-York 1967.

Zur Fertigung von hochbeanspruchten, schub- und verwindungssteifen Bauteilecken ist es zweckmäßig, auf das Modell 1 mit drei weiteren Faserlagen noch zwei zusätzliche Schichten aufzubringen. Diese Schichten werden zweckmäßig entsprechend den Fig. 5 bis 7 so aufgebracht, daß über der Schicht 9 eine weitere Schicht 9a und darüber zwei weitere Schichten 8a und 7a aufgelegt werden·

In der Fig. 8 ist an einer fertigen Bauteilecke 10 der Aufbau der letzten Schichten durch teilweises" Weglassen der oberfiten Schichten gezeigt· Beim vergrößert darge-

809825/0361

stellten Querschnitt durch die Fasern entsprechend Fig. 9 sind alle Faserlagen gezeigt. Aus dieser Schnittdarstellung, die nur die Fasern und nicht die Kunststoffmatrix zeigt, ist ersichtlich, daß die Bauteilecke 10 auch an der Linie 11, an der die einzige Umlenkung der Fasern von einer Schicht in die andere erfolgt, ihre gleichmäßige Wandstärke beibehält.

Die Fig. 10 zeigt ein Modell 14, auf dessen Flächen 15, 16, 17 und 18 eine in der Fig. 14 dargestellte Bauteilecke 20

ΊΟ herzustellen ist. In den Fig. 11 bis 13 sind nur die jeweils auf die Flächen 15 bis 18 aufzubringenden Faserlagen 21, 22 und 23 unter Fortlassung der bereits aufgebrachten Lagen dargestellt. Zur Erzielung eines mehrschichtigen Aufbaus entsprechend der Darstellung in der Fig. 14 müssen jeweils weitere Faserlagen in der Reihenfolge 23, 22 und 21 aufgelegt v/erden.

Anhand der Fig. 15 soll gezeigt werden, daß auch eine Bauteilecke 24 von nicht üblicher Formgebung mit je einer inneren Fläche 25 und einer äußeren Fläche 26, die an im Winkel zueinander liegenden Flächen 27 und 28 angrenzen, durch Aufbringen von drei bzw. sechs Faserlagen zwei- oder vierschichtig gefertigt werden können, ohne daß an der Oberfläche Überlappungen entstehen·

Die Fig. 16 zeigt eine Anwendung von erfindungsgemäßen Bauteilecken i_m Flugzeugbau. Es sind hier acht Bauteilecken 20 mit .ihren Flächen 4 und 5 zu einem Kreuzprofil 29 zusammengeklebt. Ein derartiges, sonst schwer herzustellendes Kreuzprofil zeichnet sich aus durch außerordentliche hohe Festigkeit bei niedrigem Gewicht. Es ist z. B. anwendbar als Mittel« stück von zwei sich kreuzenden Biegeträgern. Aus der Schnittdarstellung der Fig. 17 ist das Zusammenfügen der Bauteilekken zu dem Profil ersichtlich»

- Patentansprüche -

8098 2 5/0381 -⁸"

Claims

tS Y ι ■ ■ I

NACHGEREIOHTj

Messerschmitt-Bölkow-Blohm "Ottobrunn, 8. Dezember 1976 Gesellschaft mit BT 012 Hi/th

beschränkter Haftung,
München 8085

Paten ta η s prü cn e

Bauteilecken aus faserverstärkten Werkstoffen mit vier in Winkeln zueinander angeordneten Flächen, dadurch gekennzeichnet , daß jede der vier Flächen (2 bis 5, 15 bis 18) durch drei nacheinander aufgebrachte Faserlagen (7 bis 9, 21 bis 23) mit zwei einander nicht überdeckenden, kreuzweise zueinander angeordneten Schichten bedeckt ist, wobei die erste Faserlage (7, 21) zv/ei Flächen (2, 3; 15, 16) vollständig und die anderen beiden Flächen teilweise überdeckt und die zv/eite (8, 22) und dritte Faserlage (9, 23) jeweils die erste (2, 15) oder zweite (3, 16) der bereits vollständig überdeckten Flächen und die jeweils anstoßende Fläche (4, 5; 17, 18) vollständig sowie von der zweiten der anderen beiden Flächen den bei der ersten Faserlage frei gelassenen Teil überdeckt.

2» Bauteilecken nach Anspruch 1, deren Flächen jeweils im Winkeln von 90° zueinander angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet , daß die Faserlagen (7 bis 9, 21 bis 23) zu den Kanten der Bauteilecken (10, 20, 24) jeweils unter Winkeln von 45° aufgelegt sind.

3. Bauteilecken nach den Ansprüchen 1 und 2 zum Herstellen von schub- und verwindungssteifen Bauteilen, dadurch gekennzeichnet, daß sechs Faserlagen (7 bis 9, 21 bis 23) mit vier Schichten angeordnet sind.

809826/0361

X NACHQEREICHT

4. Bauteilecken nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß alle Fasern in den einzelnen Schichten parallel zueinander angeordnet sind.

5» Bauteilecken nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß zwei Flächen (2, 3) im Innenwinkel der anderen beiden Flächen (4, 5) angeordnet sind.

6. Bauteilecken nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß zwei Flächen (15, 16) außen an den anderen beiden Flächen (17, 18) angeordnet sind.

7. Bauteilecken nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß jeweils eine Fläche (25) innen und eine Fläche (26) außen an den anderen beiden Flächen (27, 28) angeordnet sind.

8. Bauteilecken nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der faserverstärkte Werkstoff aus mit Kunstharz getränkten Fasern besteht, die entweder vorimprägniert sind oder beim Auflegen mit Kunstharz getränkt werden.

9. Bauteilecken nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Verstärkungsfasern aus Glas, Kohlenstoff, Bor, Kunststoff oder anderen Fasermaterialien bestehen.

10. Bauteilecken naach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie zu kastenförmigen Bauteilen und Profilen zusammensetzbar sind·

809825/0361