DE2657542B1

DE2657542B1 - Bauteilecke von hoher Steifigkeit, ihre Verwendung und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE2657542B1
Application number: DE2657542A
Authority: DE
Inventors: Werner Dipl.- Ing. 8000 Muenchen Hartmann; Rudolf Ing.(Grad.) 8011 Riemerling 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: 1978-09-28
Also published as: DE2657542A1; GB1582879A; DE2657542C2; FR2374158A1; US4190996A; JPS565188B2; FR2374158B1; JPS5377787A

Description

Die Erfindung betrifft zunächst eine Bauteilecke von hoher Steifigkeit mit zwei einen Winkel einschließenden Wänden und einer stirnseitig an den anderen beiden Wänden angeordneten, sich mit diesen in einem Punkt eine Ecke bildend berührenden dritten Wand, die sich vom Eckpunkt nach innen oder nach außen oder von der einen Wand nach innen und von der anderen Wand nach außen erstreckt, von gleicher Wandstärke und überall gleichen Festigkeitseigenschaften.

Derartige Bauteilecken von hoher Steifigkeit oder auch Bauteile, wie Kästen, Rahmen oder Flansche, welche solche Bauteilecken aufweisen, wurden bisher entweder aus dem Vollen gefräst oder aus einzelnen Teilen zusammengeschweißt. Das erstere dieser Verfahren, welches im allgemeinen beim Leichtbau mit

ίο Aluminium angewendet wird, erfordert einen sehr hohen Aufwand an Material und Zerspanungsarbeit. Beim Schweißverfahren mu3 die Schweißung zur Vermeidung von Festigkeitseinbußen sehr sorgfältig vorgenommen und müssen die Schweißnähte hinterher sauber nachgearbeitet werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Bauteilecke der eingangs genannten Art zu schaffen, die ohne zerspanende Fertigungsvorgänge und ohne Schweißung mit geringem Materialaufwand herstellbar ist, wobei die Festigkeit zumindest beibehalten wird und die Konturengenauigkeit gewahrt bleibt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Wände aus faserverstärktem Werkstoff mit zwei Schichten oder einem Vielfachen davon mit je in einer Richtung sich erstreckenden parallelen Fasern bestehen, wobei die Fasern benachbarter Schichten kreuzweise mit überall zueinander gleichem Winkel angeordnet sind.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen

so insbesondere darin, daß die großen Vorteile von faserverstärkten Werkstoffen, wie niedriges Gewicht, hohe Festigkeit in Faserrichtung, auch anwendbar sind für Bauteilecken und daraus zusammengesetzten Bauteilen mit gleicher Wandstärke und überall gleicher

*⁵ Festigkeit. Durch den Aufbau der Wände aus mindestens zwei Schichten und dadurch, daß die Fasern benachbarter Schichten kreuzweise mit überall zueinander gleichen Winkeln angeordnet sind, ist die Steifigkeit und gleichmäßige Festigkeit der Bauteilecke in allen Richtungen gev/ährleistet.

Nach vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung besteht der faserverstärkte Werkstoff aus in Kunstharz eingebetteten Fasern, wobei diese aus Glas, Kohlenstoff, Bor oder Kunststoff bestehen können. Eine erfindungsgemäße Verwendung der Bauteilecken erfolgt zur Herstellung kastenförmiger Bauteile oder Profile.

Es lassen sich somit je nach Verwendungszweck und der Höhe der zu übertragenden Kräfte alle vorkommenden faserverstärkten Werkstoffe zur Herstellung von erfindungsgemäßen Bauteilecken verwenden. Um mit den Bauteilecken die verschiedensten Bauteile herstellen zu können, werden dieselben mit entweder nach innen oder nach außen liegenden dritten Wänden

5> versehen. Außerdem ist es durch die absolut glatten Oberflächen der Bauteilecken möglich, sie zu Profilen aller Art zusammenzusetzen. Alle diese Teile sind auf diese Weise reproduzierbar und kostengünstig herzustellen.

^fa() Die Erfindung betrifft sodann ein Verfahren zum Herstellen einer Bauteilecke nach dem ersten Teil der Erfindung. Ein derartiges Verfahren ist gemäß diesem Teil der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß über ein der Bauteilecke entsprechendes Modell eine erste Lage aus faserverstärktem Werkstoff so aufgelegt wird, daß die Fasern sich senkrecht zu der Halbierenden des Winkels zwischen der ersten und der zweiten Wand erstrecken, und daß der Lagenrand im Bereich der Ecke

parallel zu der Fasererstreckung und durch den Eckpunkt verläuft, so daß dadurch die dritte Wand vollständig und die beiden anderen Wände teilweise überdeckt werden, und daß darauf eine zweite und eine dritte Lage aus faserverstärktem Werkstoff so aufgelegt werden, daß deren Fasern sich in Richtung der Winkelhalbierenden erstrecken und der Lagenrand jeder der Lagen parallel zu der Fasererstreckung und durch den Eckpunkt verläuft, wobei alle drei Wände vollständig und die von der ersten Lage nicht bedeckten Teilflächen der ersten und zweiten Wand zusätzlich abgedeckt wurden, und daß die Lagen miteinander verbunden werden.

Dieses Verfahren ermöglicht zum Herstellen der Bauteilecken-Wände das Aufbringen von identischen Faserlagen, die symmetrisch zur Winkelhalbierenden der Wände eng aneinanderliegend und eine glatte Fläche bildend angeordnet sind. Es brauchen somit an der Bauteilecke keine überstehenden Fasern abgeschnitten zu werden.

In Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, daß die Lagen mit Kunstharz vorimprägniert sind oder beim Auflegen mit Kunstharz getränkt werden und daß das Verbinden durch Aushärten des Harzes erfolgt.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 ein Modell einer ersten Ausführungsform in verkleinerten 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 F i g. 2 aufgebrachte Faserlagen;

Fig. 8 den Schichtaufbau der Bauteilecken mit den Faserlagen entsprechend den F i g. 2 bis 7;

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

Fig. 10 ein Modell einer zweiten Ausführungsform in verkleinerter Darstellung;

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

Fig. 14 die entsprechend den Fig. 11 bis 13 gefertigte Bauteilecke in verkleinerter Darstellung;

Fig. 15 eine dritte Ausführungsform der Bauteilecke;

Fig. 16 ein aus Bauteilecken zusammengesetztes Kreuzprofil und

Fig. 17 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 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 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.

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

i:> ist. Die dritte Faserlage 9 vervollständigt durch das Überdecken der Flächen 2 und 4 und des Restteiles der Fläche 5 die zweite, das Modell 1 vollständig überdeckende Faserschicht. Es ist aus den F i g. 2 bis 4 auch ersichtlich, daß die zweite Schicht der Faserlagen

ι ·'> 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. S e I d e η im Springer-Verlag Berlin-Heidelberg-New-York 1967.

Zur Fertigung von hochbeanspruchten, schub- und verwindungssteifen Bauteilecken ist es zweckmäßig, auf

i" 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 F i g. 8 ist an einer fertigen Bauteilecke 10 der Aufbau der letzten Schichten durch teilweises Weglassen der obersten Schichten gezeigt. Beim vergrößert dargestellten Querschnitt durch die Fasern entspre-

·"' chend Fig.9 sind alle Faserlagen gezeigt. Aus dieser Schnittdarstelluing, die nur die Fasern und nicht die Kunststoffmatrix zeigt, ist ersichtlich, daß die Bauteilekke 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 Bauteüecke 20 herzustellen ist. In den F i g. 11 bis 13 sind nur die jeweils auf die Flächen 15 bis 18 aufzubringen-

■~^>l) den 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

^γλ werden.

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 ihm Winkel zueinanderliegenden Flächen 27 und

wi 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 Bauteilecken

^h"' im 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 außeror-

dentliche hohe Festigkeit bei niedrigem Gewicht. Es ist z. B. anwendbar als Mittelstück von zwei sich kreuzenden Biegeträgern. Aus der Schnittdarstellung der Fig. 17 ist das Zusammenfügen der Bauteilecken zu dem Profil ersichtlich.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Bauteilecke von hoher Steifigkeit mit zwei einen Winkel einschließenden Wänden und einer stirnseitig an den anderen beiden Wänden angeordneten, sich mit diesen in einem Punkt eine Ecke bildend berührenden dritten Wand, die sich vom Eckpunkt nach innen oder nach außen oder von der einen Wand nach innen und von der anderen Wand nach außen erstreckt, von gleicher Wandstärke und überall gleichen Festigkeitseigenschaften, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände aus faserverstärktem Werkstoff mit zwei Schichten oder einem Vielfachen davon mit je in einer Richtung sich erstreckenden parallelen Fasern bestehen, wobei die Fasern benachbarter Schichten kreuzweise mit überall zueinander gleichem Winkel angeordnet sind.

2. Bauteilecke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der faserverstärkte Werkstoff aus in Kunstharz eingebetteten Fasern besteht.

3. Beuteilecke nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungsfasern aus Glas, Kohlenstoff, Bor oder Kunststoff bestehen.

4. Verwendung von Bauteilen nach den vorhergehenden Ansprüchen, zur Herstellung kastenförmiger Bauteilecken oder Profile.

5. Verfahren zum Herstellen einer Bauteilecke nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß über ein der Bauteilecke entsprechendes Modell (1,14) eine erste Lage (7,21) aus faserverstärktem Werkstoff so aufgelegt wird, daß die Fasern sich senkrecht zu der Halbierenden des Winkels zwischen der ersien (4) und der zweiten (5) Wand erstrecken und daß der Lagenrand im Bereich der Ecke parallel zu der Fasererstreckung und durch den Eckpunkt verläuft, so daß dadurch die dritte Wand (2,3) vollständig und die beiden anderen Wände (4, 5) teilweise überdeckt werden, und daß darauf eine zweite und eine dritte Lage aus faserverstärktem Werkstoff so aufgelegt werden, daß deren Fasern sich in Richtung der Winkelhalbierenden erstrecken und der Lagenrand jeder der Lagen parallel zu der Fasererstreckung und durch den Eckpunkt verläuft, wobei alle drei Wände vollständig und die von der ersten Lage nicht bedeckten Teilflächen der ersten und zweiten Wand zusätzlich abgedeckt werden, und daß die Lagen miteinander verbunden werden.

6. Verfahren zum Herstellen einer Bauteilecke nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß dic-Lagen mit Kunstharz vorimprägniert sind oder beim Auflegen mit Kunstharz getränkt werden und daß das Verbinden durch Aushärten des Harzes erfolgt.