DE102006048668A1 - - Process to manufacture composite material fibre-strengthened load-bearing structure e.g. tile or panel with intersecting external rib stiffeners - Google Patents

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Sven Meyer-Noack
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Abstract

Claimed is a process to fabricate a load-bearing composite fibre-reinforced component e.g. tile or panel. The load-bearing section of the component has a skin incorporating two or more intersecting stiffening ribs that are integrated with the skin. The external intersection between adjacent ribs incorporates a flat gusset through with the load-bearing fibres are arranged in a single continuous plane.

Description

Anwendungsgebietfield of use

Die Erfindung betrifft die Herstellung von Strukturbauteilen aus faserverstärkten KunststoffenThe The invention relates to the production of structural components from fiber-reinforced plastics

Stand der TechnikState of the art

Bauteile aus faserverstärkten Kunststoffen (FVK) bestehen aus Verstärkungsfasern, die in einer polymeren Matrix eingebettet sind. In diesem Werkstoffverbund haben die Verstärkungsfasern die Aufgabe, die Lasten zu übertragen. Die Matrix hat die Aufgaben, die Verstärkungsfasern in der gewünschten Position zu fixieren, die äußeren Lasten in die Verstärkungsfasern einzuleiten, die Verstärkungsfasern vor Umgebungseinflüssen, wie bspw. Medieneinfluss, zu schützen, sowie die Verstärkungsfasern bei Druckbelastung zu stützen.components made of fiber-reinforced Plastics (FRP) consist of reinforcing fibers that are in a polymeric Embedded matrix. In this material composite have the reinforcing fibers the task of transferring the loads. The matrix has the tasks of selecting the reinforcing fibers in the desired Position to fix the external loads in the reinforcing fibers initiate the reinforcing fibers against environmental influences, such as media influence, protect, and the reinforcing fibers at To support pressure load.

Die mechanischen Eigenschaften von Bauteilen aus FVK sind abhängig vom Faserwerkstoff, dem Matrixwerkstoff, der Länge der Verstärkungsfasern, dem Fasergehalt und der Faserorientierung. Um das Leichtbaupotenzial von FVK ausnutzen zu können, ist es erforderlich die Bauteile aus einem hohen Anteil von kraftflussorientierten Verstärkungsfasern aufzubauen. So lassen sich besonders hohe gewichtsspezifische Steifigkeiten und Festigkeiten des Bauteils erreichen. Häufig werden Strukturbauteile aus FVK für Leichtbauanwendungen in Schale/Rippe-Bauweise gefertigt. Diese Bauteile bestehen aus einem Hautfeld mit einer darauf aufgebrachten Versteifungsstruktur. Die Versteifungsstruktur besteht ihrerseits aus Versteifungsprofilen.The mechanical properties of FRP components are dependent on Fiber material, the matrix material, the length of the reinforcing fibers, fiber content and fiber orientation. To the lightweight construction potential to take advantage of FVK, it is necessary the components of a high proportion of force-oriented reinforcing fibers build. This allows particularly high weight-specific stiffnesses and achieve strength of the component. Frequently, structural components are made FVK for Lightweight shell / rib construction applications. These components consist of a skin panel with a stiffening structure applied to it. The stiffening structure in turn consists of stiffening profiles.

Als Versteifungsprofile werden Profile mit offenem Querschnitt und geschlossenem Querschnitt verwendet. Profile mit offenem Querschnitt sind bspw. I-, T-, Z-, oder L-Profile, Profile mit geschlossenem Querschnitt sind bspw. Omega- oder Hut-Profile. Bei der Herstellung von Schale/Rippe-Bauteilen unterscheidet man zwischen differentialer Fertigung und integraler Fertigung. Unter differentialer Fertigung versteht man, dass Hautfeld und Versteifungsstruktur in einzelnen Arbeitsschritten hergestellt und in einem zusätzlichen Arbeitsschritt miteinander gefügt werden. Bei der integralen Fertigung werden Schale und Versteifungsstruktur in nur einem Fertigungsschritt hergestellt und gleichzeitig miteinander gefügt.When Stiffening profiles are profiles with open cross section and closed Cross section used. Profiles with an open cross section are, for example. I, T, Z, or L profiles, Profiles with a closed cross-section are, for example, omega or hat profiles. In the production of shell / rib components, a distinction is made between differential manufacturing and integral manufacturing. Under Differential manufacturing means that skin panel and stiffening structure produced in individual steps and in an additional Work step joined together become. In the integral manufacturing shell and stiffening structure manufactured in only one production step and at the same time joined together.

Für die Fertigung in integraler Bauweise eignen sich besonders Versteifungsprofile mit geschlossenem Querschnitt. Die Verstärkungsprofile können durch Belegen eines vorgeformten Kerns mit trockenen oder vorimprägnierten Verstärkungsfasern hergestellt werden. Als Kerne werden entformbare Kerne oder im Bauteil verbleibende Kerne verwendet werden. Als Kernmaterialien für entformbare Kerne können bspw. Wachs, niedrigschmelzende Metalllegierungen oder Elastomere verwendet werden. Kerne, die nach der Bauteilfertigung im Bauteil verbleiben werden bspw. aus thermoplastischen Schäumen oder Wabenkernen hergestellt.For the production In an integral design, stiffening profiles are particularly suitable with closed cross-section. The reinforcement profiles can by Covering a preformed core with dry or preimpregnated reinforcing fibers getting produced. Cores are demoulding cores or in the component remaining cores are used. As core materials for demoldable Cores can For example, wax, low-melting metal alloys or elastomers be used. Cores after component manufacturing in component remain, for example, from thermoplastic foams or Honeycomb cores produced.

Zur optimalen Aufnahme der Lasten ist es oftmals erforderlich, dass die Versteifungsprofile auf dem Hautfeld in unterschiedliche Richtungen orientiert sind. Durch die Orientierung der Versteifungsprofile in unterschiedliche Richtungen ergibt sich, dass die Versteifungsprofile gemeinsame Schnittpunkte aufweisen können. Zur Gewährleistung optimaler mechanischer Eigenschaften muss an diesen Schnittpunkten ein kraftflussgerechter Verlauf der Verstärkungsfasern vorhanden sein. D.h., dass die Verstärkungsfasern durchgängig, faltenfrei und möglichst gestreckt angeordnet sind. Ein kraftflussgerechter Verlauf der Verstärkungsfasern an Schnittpunkten von Versteifungsprofilen kann bisher durch unterschiedliche Gestaltungskonzepte erreicht werden. Eine Möglichkeit besteht darin, Durchbrüche (Mouseholes) in gleich orientierten Versteifungsprofilen einzubringen, durch welche die kreuzenden Versteifungsprofile hindurch geführt werden können. Dieses Verfahren wird heute in der Luft- und Raumfahrt sowie im Fahrzeugbau überwiegend eingesetzt. Nachteilig bei diesem Verfahren ist, dass die Durchbrüche potenzielle Schwachstellen in der Struktur darstellen, die durch zusätzliche Maßnahmen, wie bspw. Aufdickung der Versteifungsprofile kompensiert werden müssen. Hieraus resultieren zusätzliche Kosten für die Bauteilfertig und den erhöhten Materialbedarf, sowie ein erhöhtes Bauteilgewicht.to Optimal absorption of the loads often requires that the stiffening profiles on the skin panel in different directions are oriented. Due to the orientation of the stiffening profiles in different directions it follows that the stiffening profiles may have common intersections. To guarantee optimal mechanical properties must be at these intersections a flow of force appropriate course of the reinforcing fibers may be present. That is, the reinforcing fibers continuously, wrinkle free and possible are arranged stretched. A power flow-compatible course of the reinforcing fibers At intersections of stiffening profiles can so far by different Design concepts are achieved. One possibility is breakthroughs (Mouseholes) in equally oriented stiffening profiles bring through which the crossing stiffening profiles are passed through can. This Procedures are prevalent today in aerospace and vehicle manufacturing used. A disadvantage of this method is that the breakthroughs potential Weak points in the structure that are caused by additional Activities, such as thickening of the stiffening profiles can be compensated have to. This results in additional costs for the Component ready and elevated Material requirements, as well as an increased Component weight.

Eine weitere Möglichkeit ist das Aufbringen zusätzlicher Verstärkungselemente (Doppler) im Bereich der Schnittpunkte. Bei dieser Variante werden die Verstärkungsfasern der Versteifungsprofile am Schnittpunkt der Versteifungsprofile unterbrochen. De Verstärkungsfasern der unterbrochenen Versteifungsprofile können in diesem Fall die Lasten nicht mehr aufnehmen und weiterleiten. Um die Lastübertragung zwischen den Versteifungsprofilen dennoch zu gewährleisten, werden im Bereich der unterbrochenen Verstärkungsfasern zusätzliche Verstärkungselemente angebracht. Diese Verstärkungselemente können bspw. durch Kleben oder Nieten mit den Versteifungsprofilen gefügt werden. Der erhöhte Aufwand bei der Bauteilfertigung verursacht zusätzliche Kosten.A another possibility is the application of additional reinforcing elements (Doppler) in the area of the intersections. In this variant, the reinforcing fibers the stiffening profiles at the intersection of the stiffening profiles interrupted. De reinforcing fibers the interrupted stiffening profiles can in this case the loads not record and forward. To the load transfer between the stiffening profiles nevertheless to be ensured in the area the interrupted reinforcing fibers additional reinforcing elements appropriate. These reinforcing elements can For example, be joined by gluing or riveting with the stiffening profiles. The increased effort in component manufacturing causes additional costs.

Für die Fertigung von Schale/Rippe-Bauteilen können eine Vielzahl unterschiedlicher Verfahren eingesetzt werden. Für die Fertigung können vorimprägnierte textile Verstärkungshalbzeuge (Prepregs) oder trockene textile Verstärkungshalbzeuge verwendet werden. Bei der Verwendung von trockenen textilen Verstärkungshalbzeugen müssen diese mit einer flüssigen Matrix imprägniert und anschließend ausgehärtet werden. Hierfür werden bspw. Flüssigimprägnierverfahren, wie sie in DE 100 13 409 C1 , DE 198 53709 C1 , EP 0525263A1 , US Patent 6964561 beschrieben sind, angewendet. Diesen Verfahren ist gemeinsam, dass nur ein einseitig festes Formwerkzeug in Kombination mit verschiedenen Fertigungshilfsmitteln (Abreißgeweben, Verteilmedien, Membrane, etc.) verwendet wird. Die Oberform des Formwerkzeugs wird durch eine flexible Folie gebildet. Bei integraler Fertigung eines Strukturbauteils mit Hilfe dieser Fertigungsverfahren, besteht oftmals das Problem, dass die Fertigungshilfsmittel im Bereich von scharfen Ecken und engen Radien die Kontur des zu fertigenden Bauteils nicht exakt abbilden können. Beim Drapieren der Fertigungshilfsmittel entstehen Spannungen in den Fertigungshilfsmitteln und der flexiblen Oberform, die zur Ausbildung von kanalartigen Strukturen führen. Im Vergleich zu flächigen Bauteilbereichen liegt hier eine geringere Komprimierung der Verstärkungsfasern vor. Dies führt zu Schwierigkeiten bei der Bauteilimprägnierung und zu einer inhomogenen Laminatqualität hinsichtlich Porenanzahl- und Größe, Laminatdicke und Faservolumengehalt.For the production of shell / rib components, a variety of different methods can be used. Pre-impregnated semi-finished textile reinforcements (prepregs) or semi-finished dry textile reinforcements can be used for production. When using dry semi-finished textile reinforcement, they must with a liquid matrix impregnated and then cured. For this purpose, for example. Liquid impregnation, as described in DE 100 13 409 C1 . DE 198 53709 C1 . EP 0525263A1 . US Patent 6964561 are described applied. This method has in common that only a one-sided fixed mold in combination with various production aids (tear-off fabrics, distribution media, membranes, etc.) is used. The upper mold of the mold is formed by a flexible film. In the case of integral production of a structural component with the aid of this production method, there is often the problem that the production aids in the region of sharp corners and narrow radii can not accurately reproduce the contour of the component to be manufactured. When draping the production aids, tensions arise in the production resources and the flexible upper mold, which lead to the formation of channel-like structures. In comparison to flat component areas here is a lower compression of the reinforcing fibers. This leads to difficulties in the component impregnation and to an inhomogeneous laminate quality in terms of pore number and size, laminate thickness and fiber volume content.

Bei der differentialen Bauweise werden das Hautfeld und die Versteifungsprofile in getrennten Fertigungsschritten hergestellt und anschließend in einem zusätzlichen Arbeitsschritt miteinander gefügt. Für die Fertigung von Versteifungsprofilen für differentiale Bauweisen werden häufig kontinuierliche Verfahren angewandt, wie sie bspw. in US 5556496 für Profile mit veränderlichem Querschnitt, beschrieben sind. Die Versteifungsprofile werden nach der Fertigung zugeschnitten und mit dem Hautfeld gefügt. Neben dem erhöhten Fertigungsaufwand müssen die kontinuierlich hergestellten Profile bei der Herstellung von Versteifungsstrukturen mit sich schneidenden Versteifungsprofilen mindestens in einer Richtung unterbrochen, oder mit Durchbrüchen versehen werden. Daraus folgen höhere Fertigungskosten und, im Vergleich zu Versteifungsstrukturen mit durchgängigem Verlauf der Verstärkungsfasern, geringere mechanische Eigenschaften des Strukturbauteils.In the differential design, the skin panel and the stiffening profiles are produced in separate manufacturing steps and then joined together in an additional step. For the production of stiffening profiles for differential constructions often continuous processes are used, as for example. In US 5556496 for profiles with variable cross-section, are described. The stiffening profiles are cut after production and joined with the skin panel. In addition to the increased production costs, the continuously produced profiles must be interrupted in the production of stiffening structures with intersecting stiffening profiles at least in one direction, or provided with openings. This results in higher manufacturing costs and, compared to stiffening structures with a continuous course of the reinforcing fibers, lower mechanical properties of the structural component.

Nachteile des Standes der TechnikDisadvantages of the state of technology

  • • sehr arbeitsintensive Fertigung• very labor-intensive production
  • • keine werkstoffgerechten Kraftflüsse in den Verstärkungsfasern an scharfen Kanten und engen Radien• none material-oriented power flows in the reinforcing fibers on sharp edges and tight radii
  • • Vorschädigung der Verstärkungsfasern durch hohe Umformgrade der Verstärkungsfasern an scharfen Kanten und engen Radien• Prior damage to the reinforcing fibers due to high degrees of deformation of the reinforcing fibers on sharp edges and tight radii
  • • kein durchgängiges und faltenfreies Drapieren von flächigen textilen Verstärkungshalbzeugen zur Fertigung der Versteifungsstruktur an Schnittpunkten von sich schneidenden Versteifungsprofilen möglich• no consistent and wrinkle-free draping of flat textile reinforcing semi-finished products Production of stiffening structure at intersections of intersecting Stiffening profiles possible
  • • keine gleichmäßige Komprimierung der Verstärkungsfasern bei Fertigungsverfahren mit einseitigen Formwerkzeugen• none uniform compression the reinforcing fibers in manufacturing processes with single-sided molds
  • • keine gleichmäßige Laminatqualität durch ungleichmäßige Komprimierung der Verstärkungsfasern bei Fertigungsverfahren mit einseitigen Formwerkzeugen• none uniform laminate quality uneven compression the reinforcing fibers in manufacturing processes with single-sided molds
  • • schwierige und fehleranfällige Imprägnierung bei der Bauteilfertigung in Flüssigimprägnierverfahren durch voreilendes Matrixmaterial in Bereichen geringer Komprimierung• difficult and error-prone impregnation during component manufacturing in liquid impregnation processes by leading matrix material in areas of low compression

Aufgabe der ErfindungObject of the invention

Bei dem Easy Drape Composite Structure Design(EDCSD)-Konzept zur Herstellung von Strukturbauteilen aus faserverstärkten Kunststoffen mit aufgebrachten Versteifungsstrukturen werden die Verstärkungsfasern zur Bildung der Versteifungsstrukturen so angeordnet, dass eine werkstoff- und kraftflussgerechte Anordnung der Verstärkungsfasern ermöglicht wird. Werkstoff- und kraftflussgerechte Anordnung heißt, dass Flächenübergänge, wie Sie an den Stoßstellen von sich schneidenden Versteifungsprofilen vorhanden sind, mit Übergangsflächen versehen werden. Die Gestalt der Übergangsflächen wird dabei so angepasst, dass die Verstärkungsfasern in Richtung der Belastungen orientiert sind, möglichst gestreckt vorliegen und keine Schädigung der Verstärkungsfasern durch Biegespannungen auftritt. Die Ausgestaltung der Übergangsflächen ist abhängig von dem verwendeten Werkstoff der Verstärkungsfasern und ist auf den Werkstoff angepasst.at the Easy Drape Composite Structure Design (EDCSD) manufacturing concept of structural components of fiber reinforced plastics with applied Stiffening structures are the reinforcing fibers to form the Stiffening structures arranged so that a material and force flow appropriate Arrangement of reinforcing fibers allows becomes. Material and force flow appropriate arrangement means that Surface transitions, such as You at the joints of intersecting stiffening profiles are provided with transitional surfaces become. The shape of the transitional surfaces becomes adjusted so that the reinforcing fibers in the direction of Loads are oriented, if possible stretched and no damage to the reinforcing fibers by Bending stresses occurs. The design of the transition surfaces depends on the material used of the reinforcing fibers and is on the material customized.

Durch die Erfindung lassen sich Versteifungsprofile mit gemeinsamem Schnittpunkt dadurch herstellen, dass die sich schneidenden Versteifungsprofile und deren Schnittpunkt durch faltenfreies und durchgängiges Drapieren eines flächigen textilen Verstärkungshalbzeugs wie bspw. Gewebe oder Gelege hergestellt werden kann.By the invention can be stiffening profiles with a common point of intersection thereby producing that the intersecting stiffening profiles and their point of intersection through wrinkle-free and continuous draping a flat textile reinforcing semi-finished product such as tissue or scrim can be made.

Die erfindungsgemäße Anbringung von zusätzlichen Übergangsflächen im Bereich von Versteifungen mit gemeinsamen Schnittpunkt führt zu:

  • • erhöhten Festigkeit und Steifigkeit durch durchgängigen Verlauf der Verstärkungsfaser im Bereich des Schnittpunkts
  • • einfache Herstellung durch durchgängige und faltenfreie Drapierung von flächigen textilen Verstärkungshalbzeugen, wie bspw. Gewebe oder Gelege
  • • verbesserten Kraftflüssen in der Versteifungsstruktur durch durchgängigen und faltenfreien Verlauf der Verstärkungsfasern
  • • gleichmäßiger Spannungsverteilung im Bereich der Schnittpunkte der Versteifungsprofile
  • • keine Vorschädigung der Verstärkungsfasern durch geringere Umformgrade der Verstärkungsfasern während der Preformherstellung
  • • besserer Lastübertragung zwischen den Versteifungsprofilen
  • • spannungsfreie, durchgängige und faltenfreie Drapierung von Fertigungshilfsmitteln wie bspw. Abreißgeweben, Verteilmedien, Vakuumfolien, Membranen
  • • gleichmäßige Konsolidierung der Verstärkungsfasern, dadurch, dass keine Vorspannung von Fertigungshilfsmitteln wie bspw. Abreißgeweben, Verteilmedien, Vakuumfolien, Membranen auftritt
The attachment of additional transition surfaces in the region of stiffeners with common intersection leads to:
  • • Increased strength and rigidity due to the continuous course of the reinforcing fiber in the region of the point of intersection
  • • easy production by continuous and wrinkle-free drapery of flat textile reinforcing semi-finished products, such as, for example, tissue or scrim
  • • improved force flows in the stiffening structure through continuous and wrinkle-free course of the reinforcing fibers
  • • even stress distribution in the area of the intersections of the stiffening profiles
  • • no pre-damage to the reinforcing fibers due to lower degrees of deformation of the reinforcing fibers during preform production
  • • better load transfer between the stiffening profiles
  • • Tension-free, continuous and wrinkle-free drapery of production aids such as tear-off fabrics, distribution media, vacuum foils, membranes
  • • uniform consolidation of the reinforcing fibers, in that no prestressing of production aids such as tear-off fabrics, distribution media, vacuum films, membranes occurs

Definition Drapierbarkeit:
Die Drapierbarkeit beschreibt die dreidimensionale Verformbarkeit von textilen Halbzeugen, also die Eigenschaft von textilen Halbzeugen, sich faltenfrei an die Kontur dreidimensionaler Oberflächen anpassen zu können.Definition of drapability:
The drapability describes the three-dimensional deformability of semi-finished textile products, ie the property of semi-finished textile products, to be able to adapt wrinkle-free to the contour of three-dimensional surfaces.

Die Drapiebarkeit eines textilen Halbzeugs ist von verschiedenen Faktoren Abhängig. Einflussfaktoren auf die Drapierbarkeit von Geweben sind hauptsächlich die Bindungsart (Flottierung), die verarbeiteten Faserhalbzeuge (Rovings) und das Flächengewicht. Bei Gelegen hängt die Drapierbarkeit hauptsächlich vom Gelegeaufbau, der Anzahl und Lage der Fäden für die Fixierung der Verstärkungsfasern, sowie vom Flächengewicht ab.The Drapability of a textile semifinished product is dependent on various factors Dependent. Factors influencing the drapability of fabrics are mainly the Type of binding (floating), the processed semi-finished fiber products (rovings) and the basis weight. Hangs on the occasion the drapability mainly the structure of the pile, the number and position of the threads for fixing the reinforcing fibers, as well as the basis weight from.

Definition Preform:
Der Begriff Preform bezieht sich auf die Zusammenstellung konfektionierter textiler Halbzeuge für die Herstellung von Bauteilen aus faserverstärkten Kunststoffen. In den Preform können Einlegeelemente, wie beispielsweise Krafteinleitungselemente oder zur Herstellung von Sandwichbauteilen oder Versteifungsbereichen geeignete Kernelemente (Schäume, Holz etc.), eingebracht werden.Definition of preform:
The term preform refers to the compilation of prefabricated textile semi-finished products for the production of components made of fiber-reinforced plastics. In the preform insert elements, such as force introduction elements or for the production of sandwich components or stiffening areas suitable core elements (foams, wood, etc.) can be introduced.

Definition Abreißgewebe:
Abreißgewebe bezeichnet ein textiles Halbzeug, das eingesetzt wird um bei der Herstellung von Bauteilen aus faserverstärkten Kunststoffen Fertigungshilfsmittel wie bspw. Verteilmedium und Vakuumfolie nach der Aushärtung vom Bauteil trennen zu können.Definition of tear-off tissue:
Tear-off fabric refers to a semi-finished textile product which is used to separate production aids such as, for example, distribution medium and vacuum film after curing from the component in the production of components made of fiber-reinforced plastics.

Definition Verteilmedium:
In Fertigungsverfahren wie bspw. dem Harzinfusionsverfahren mit Verteilmedium wird zur Verteilung der Matrix über dem Preform ein hochporöses, druckstabiles Textil eingesetzt. Der Einsatz eines Verteilmediums ermöglicht eine schnelle Tränkung der Verstärkungsfasern bei gleichzeitig langen Fließwegen der Matrix.Definition of distribution medium:
In manufacturing processes such as, for example, the resin infusion process with distribution medium, a highly porous, pressure-stable textile is used to distribute the matrix over the preform. The use of a distribution medium allows rapid impregnation of the reinforcing fibers with simultaneously long flow paths of the matrix.

Definition Vakuumfolie:
In vielen Fertigungsverfahren zur Herstellung von Bauteilen aus faserverstärkten Kunststoffen werden Vakuumfolien zur Abdichtung des Preforms gegenüber der Umgebung eingesetzt. Durch Erzeugen einer Druckdifferenz zwischen Preform und Umgebung wird der Preform durch die anliegende Druckdifferenz konsolidiert.Definition of vacuum film:
In many manufacturing processes for the production of components made of fiber-reinforced plastics, vacuum films are used to seal the preform from the environment. By generating a pressure difference between the preform and the environment, the preform is consolidated by the applied pressure difference.

Definition Membran:
Für spezielle Fertigungsverfahren ( DE 100 13 409 C1 ) werden gasdurchlässige Membranen eingesetzt, die jedoch undurchlässig für Flüssigkeiten sind. Der Einsatz solcher Membrane ermöglicht eine Verbesserung der Laminatqualität.Definition membrane:
For special manufacturing processes ( DE 100 13 409 C1 ) gas-permeable membranes are used, which are impermeable to liquids. The use of such membranes allows an improvement in the quality of the laminate.

Lösung der AufgabeSolution of the task

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen der Ansprüche 1–8 gelöst.The The object is achieved by a method having the features of claims 1-8.

Neuerung:Innovation:

Im Vergleich zum Stand der Technik ermöglicht die Erfindung die Herstellung von werkstoff- und kraftflussgerecht gestalteten Versteifungsstrukturen für Strukturbauteile aus faserverstärkten Kunststoffen, durch faltenfreies und durchgängiges drapieren eines flächigen textilen Verstärkungshalbzeugs. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Geometrie der Versteifungsstruktur durch zusätzlich angebrachte Übergangsflächen an den Stoßstellen von sich schneidenden Versteifungsprofilen, so dass für die Herstellung der Versteifungsstruktur ein flächiges, textiles Verstärkungshalbzeugs faltenfrei und durchgängig drapiert werden kann, lassen sich Strukturbauteile schneller und kostengünstiger herstellen sowie deren gewichtsspezifische mechanische Eigenschaften steigern.in the Compared to the prior art, the invention enables the production of material and force flow-oriented stiffening structures for structural components made of fiber-reinforced Plastics, through wrinkle-free and continuous drape of a flat textile Reinforcement preform. By the embodiment of the invention the geometry of the stiffening structure by additionally attached transition surfaces the joints of intersecting stiffening profiles, allowing for manufacturing the stiffening structure a planar, textile reinforcing semi-finished product wrinkle-free and consistent can be draped, structural components can be faster and cost-effective and their weight-specific mechanical properties increase.

Die Wirtschaftlichkeit bei der Herstellung des Strukturbauteils kann dadurch erhöht werden, dass die Versteifungsstruktur durch durchgängiges und faltenfreies Drapieren eines flächigen, textilen Verstärkungshalbzeugs hergestellt werden kann. Hierdurch ergeben sich kürzere Herstellungszeiten des Strukturbauteils und ein reduzierter Materialbedarf, da bspw. auf die zusätzliche Anbringung von Aufdickungen und Dopplern im Bereich der Schnittpunkte von Versteifungsprofilen verzichtet werden kann.The Economics in the production of the structural component can thereby increased be that the stiffening structure through continuous and wrinkle-free Draping a flat, textile reinforcing semi-finished product can be produced. This results in shorter production times of the structural component and a reduced material requirement, since, for example. on the additional Attachment of thickenings and Dopplers in the area of intersections of Stiffening profiles can be dispensed with.

Die mechanischen Eigenschaften der, mit der erfindungsgemäßen Versteifungsstruktur versehenen, Strukturbauteile wird dadurch gesteigert, dass ein durchgängiger und kraftflussgerechter Verlauf der Verstärkungsfasern gewährleistet wird. Hierdurch ergeben sich erhöhte Festigkeiten und Steifigkeiten des Strukturbauteils.The mechanical properties of, with the stiffening structure according to the invention provided structural components is increased by a continuous and ensures flow of the reinforcing fibers becomes. This results in increased Strengths and stiffness of the structural component.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Die Erfindung ermöglicht im Vergleich zum Stand der Technik folgende Vorteile:

  • • höhere Festigkeiten des Strukturbauteils
  • • höhere Steifigkeiten des Strukturbauteils
  • • reduziertes Gewicht des Strukturbauteils durch höhere Festigkeiten
  • • reduziertes Gewicht des Strukturbauteils durch höhere Steifigkeiten
  • • reduziertes Gewicht des Strukturbauteils durch stärkere Komprimierung der Verstärkungsfasern und höheren Faservolumengehalt
  • • reduzierter Bedarf an Matrixmaterial durch stärkere Komprimierung der Verstärkungsfasern und höheren Faservolumengehalt
  • • kürzere Vorbereitungszeit für die Herstellung des Preforms
  • • geringere Vorschädigung der Verstärkungsfasern durch geringere Umformgrade
  • • geringerer Vorbereitungsaufwand für die Bauteilherstellung
  • • Vereinfachung des Fertigungsablaufs
  • • Zeitersparnis
  • • gleichmäßigere Prozessbedingungen durch gleichmäßigere Komprimierung der Verstärkungsfasern
  • • gleichmäßigere Laminatqualität durch gleichmäßigere Komprimierung der Verstärkungsfasern
  • • gesteigerter Wirtschaftlichkeit
  • • verbesserter Bauteilqualität
The invention allows the following advantages in comparison to the prior art:
  • • higher strength of the structural component
  • • higher stiffness of the structural component
  • • Reduced weight of the structural component due to higher strengths
  • • Reduced weight of the structural component due to higher rigidity
  • • reduced weight of the structural component due to greater compression of the reinforcing fibers and higher fiber volume content
  • • Reduced demand for matrix material through greater compression of the reinforcing fibers and higher fiber volume content
  • • shorter preparation time for the production of the preform
  • • Less pre-damage to the reinforcing fibers due to lower degrees of deformation
  • • less preparation effort for component manufacturing
  • • Simplification of the production process
  • • Time savings
  • • Smoother process conditions through more uniform compression of the reinforcing fibers
  • • More consistent laminate quality through more uniform compression of the reinforcing fibers
  • • increased profitability
  • • improved component quality

Beschreibung von AusführungsbeispielenDescription of exemplary embodiments

Die Herstellung der Versteifungsstruktur kann dadurch erfolgen, dass ein Kern oder ein konturiertes Formwerkzeug mit trockenen Verstärkungsfasern belegt wird und diese mit einer polymeren Matrix imprägniert und anschließend ausgehärtet werden.The Production of the stiffening structure can take place in that a core or a contoured mold with dry reinforcing fibers is occupied and impregnated with a polymeric matrix and subsequently hardened become.

Ebenso kann die Versteifungsstruktur durch Belegen eines Kerns oder eines konturierten Formwerkzeugs mit vorimprägnierten Verstärkungshalbzeugen (Prepregs) hergestellt werden.As well can the stiffening structure by covering a core or a Contoured mold with preimpregnated reinforcing semi-finished products (Prepregs) are produced.

Als Matrices können sowohl duroplastische- wie auch thermoplastische Polymere eingesetzt werden.When Matrices can both thermoset and thermoplastic polymers used become.

Als Faserwerkstoffe können Kohlenstoff-, Glas- und Aramidfasern eingesetzt werden.When Fiber materials can Carbon, glass and aramid fibers are used.

Werden für die Herstellung Kerne verwendet, können diese nach der Aushärtung des Strukturbauteils im Bauteil verbleiben oder aus dem Bauteil entfernt werden.Become for the Manufacturing cores used can this after curing of the structural component remain in the component or from the component be removed.

Weiterhin kann die Versteifungsstruktur durch Einlegen von Verstärkungsfasern in eine Form und anschließender Imprägnierung mit einer polymeren Matrix hergestellt werden.Farther can the stiffening structure by inserting reinforcing fibers in a mold and then impregnation be prepared with a polymeric matrix.

Die Fertigung des Hautfelds und die Fertigung der Versteifungsstruktur kann in einem Prozessschritt erfolgen (integrale Fertigung) oder in getrennten Arbeitsschritten (differentiale Fertigung).The Production of the skin field and production of the stiffening structure can be done in one process step (integral production) or in separate steps (differential production).

Erfolgt die Herstellung des Hautfelds und der Versteifungsstruktur in getrennten Prozessschritten müssen das Hautfeld und die Versteifungsstruktur in einem weiteren Prozessschritt miteinander gefügt werden.He follows the production of the skin panel and the stiffening structure in separate Process steps must the skin field and the stiffening structure in a further process step be joined together.

In den Figuren sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt, die nachstehend anhand der 1–5 näher beschrieben sind. In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezeichnungen versehen.In the figures, embodiments of the invention are shown below with reference to the 1 - 5 are described in more detail. In the figures, the same components are provided with the same designations.

In den Figuren ist jeweils ein Ausschnitt eines Strukturbauteils (1) aus faserverstärktem Kunststoff im Bereich einer Versteifungsstruktur gezeigt. Das Strukturbauteil (1) besteht aus mindestens einem Hautfeld (2), auf dem eine erfindungsgemäße Versteifungsstruktur aufgebracht ist. Die Versteifungsstruktur ist mit dem Hautfeld (2) verbunden. Die Versteifungsstruktur besteht aus mindesten zwei Versteifungsprofilen (3) mit beliebigem Querschnitt, die sich in beliebigem Winkel schneiden. Allen Ausführungen ist gemeinsam, dass die Übergänge im Schnittpunkt (4) zwischen den Versteifungsprofilen (3) mit Übergangsflächen (5) versehen werden, so dass die Versteifungsstruktur durch Drapieren eines flächigen textilen Verstärkungshalbzeugs faltenfrei und ohne Unterbrechung der Verstärkungsfasern hergestellt werden kann.In the figures, in each case a section of a structural component ( 1 ) of fiber reinforced plastic in the region of a stiffening structure. The structural component ( 1 ) consists of at least one skin field ( 2 ), on which a stiffening structure according to the invention is applied. The stiffening structure is with the skin field ( 2 ) connected. The stiffening structure consists of at least two stiffening profiles ( 3 ) with any cross-section that intersect at any angle. All versions have in common that the transitions at the intersection ( 4 ) between the stiffening profiles ( 3 ) with transition surfaces ( 5 ), so that the stiffening structure can be produced by draping a flat textile reinforcing semi-finished product wrinkle-free and without interruption of the reinforcing fibers.

In 1 ist ein Strukturbauteil (1) mit einer erfindungsgemäßen Versteifungsstruktur aus zwei durchgängigen, verkreuzten Versteifungsprofilen (3), die sich im Schnittpunkt (4) schneiden, dargestellt. Als Maßnahme zur Bildung der Versteifungsstruktur durch durchgängiges Drapieren eines flächigen textilen Verstärkungshalbzeugs sind in 1 im Bereich des Schnittpunkts (4) der Versteifungsprofile (3) ebene Übergangsflächen (5) angebracht. Die Gestalt der Übergangsflächen (5) ist an die Drapierbarkeit der, zur Herstellung der Versteifungsstruktur verwendeten, textilen Verstärkungshalbzeuge angepasst.In 1 is a structural component ( 1 ) with a stiffening structure according to the invention comprising two continuous, crossed stiffening profiles ( 3 ), which are at the intersection ( 4 ), shown. As a measure for the formation of the stiffening structure by continuous draping of a flat textile reinforcing semi-finished products are in 1 in the area of the point of intersection ( 4 ) of the stiffening profiles ( 3 ) plane transition surfaces ( 5 ) appropriate. The shape of the transition surfaces ( 5 ) is adapted to the drapability of the semi-finished textile reinforcement used to make the stiffening structure.

In 2 ist ein Strukturbauteil (1) mit einer erfindungsgemäßen Versteifungsstruktur aus zwei winklig verbundenen Versteifungsprofilen (3), die sich im Schnittpunkt (4) unter beliebigem Winkel schneiden, dargestellt. Als Maßnahme zur Bildung der Versteifungsstruktur durch durchgängiges Drapieren eines flächigen textilen Verstärkungshalbzeugs sind in 2 im Bereich des Schnittpunkts (4) der Versteifungsprofile (3) Übergangsflächen (5) in Form von Freiformflächen angebracht. Die Gestalt der Übergangsflächen (5) ist an die Drapierbarkeit der, zur Herstellung der Versteifungsstruktur verwendeten, textilen Verstärkungshalbzeuge angepasst.In 2 is a structural component ( 1 ) with a stiffening structure according to the invention of two angularly connected stiffening profiles ( 3 ), which are at the intersection ( 4 ) at any angle, shown. As a measure for the formation of the stiffening structure by continuous draping of a flat textile reinforcing semi-finished products are in 2 in the area of the point of intersection ( 4 ) of the stiffening profiles ( 3 ) Transition surfaces ( 5 ) in the form of free-form surfaces. The shape of the transition surfaces ( 5 ) is adapted to the drapability of the semi-finished textile reinforcement used to make the stiffening structure.

In 3 ist ein Strukturbauteil (1) mit einer erfindungsgemäßen Versteifungsstruktur aus einem durchgängigen Versteifungsprofil (3) und einem unterbrochenem Versteifungsprofil (3), die sich im Schnittpunkt (4) unter beliebigem Winkel schneiden, dargestellt. Als Maßnahme zur Bildung der Versteifungsstruktur durch durchgängiges Drapieren eines flächigen textilen Verstärkungshalbzeugs sind in 3 im Bereich des Schnittpunkts (4) der Versteifungsprofile (3) Übergangsflächen (5) in Form von Freiformflächen angebracht. Die Gestalt der Übergangsflächen (5) ist an die Drapierbarkeit der, zur Herstellung der Versteifungsstruktur verwendeten, textilen Verstärkungshalbzeuge angepasst.In 3 is a structural component ( 1 ) with a stiffening structure according to the invention from a continuous stiffening profile ( 3 ) and an interrupted stiffening profile ( 3 ), which are at the intersection ( 4 ) at any angle, shown. As a measure for the formation of the stiffening structure by continuous draping of a flat textile reinforcing semi-finished products are in 3 in the area of the point of intersection ( 4 ) of the stiffening profiles ( 3 ) Transition surfaces ( 5 ) in the form of free-form surfaces. The shape of the transition surfaces ( 5 ) is adapted to the drapability of the semi-finished textile reinforcement used to make the stiffening structure.

In 4 ist ein Strukturbauteil (1) mit einer erfindungsgemäßen Versteifungsstruktur aus zwei beliebig orientierten, durchgängigen, verkreuzten Versteifungsprofilen (3), die sich im Schnittpunkt (4) schneiden, dargestellt. Als Maßnahme zur Bildung der Versteifungsstruktur durch durchgängiges Drapieren eines flächigen textilen Verstärkungshalbzeugs sind in 4 im Bereich des Schnittpunkts (4) der Versteifungsprofile (3) Übergangsflächen (5) in Form von Freiformflächen angebracht. Die Gestalt der Übergangsflächen (5) ist an die Drapierbarkeit der, zur Herstellung der Versteifungsstruktur verwendeten, textilen Verstärkungshalbzeuge angepasst.In 4 is a structural component ( 1 ) with a stiffening structure according to the invention of two arbitrarily oriented, continuous, crossed stiffening profiles ( 3 ), which are at the intersection ( 4 ), shown. As a measure for the formation of the stiffening structure by continuous draping of a flat textile reinforcing semi-finished products are in 4 in the area of the point of intersection ( 4 ) of the stiffening profiles ( 3 ) Transition surfaces ( 5 ) in the form of free-form surfaces. The shape of the transition surfaces ( 5 ) is adapted to the drapability of the semi-finished textile reinforcement used to make the stiffening structure.

In 5 ist ein Strukturbauteil (1) mit einer erfindungsgemäßen Versteifungsstruktur aus beliebig orientierten, mehreren Versteifungsprofilen (3), die sich in einem Schnittpunkt (4) schneiden, dargestellt. Als Maßnahme zur Bildung der Versteifungsstruktur durch durchgängiges Drapieren eines flächigen textilen Verstärkungshalbzeugs sind in 5 im Bereich des Schnittpunkts (4) der Versteifungsprofile (3) Übergangsflächen (5) in Form von Freiformflächen angebracht. Die Gestalt der Übergangsflächen (5) ist an die Drapierbarkeit der, zur Herstellung der Versteifungsstruktur verwendeten, textilen Verstärkungshalbzeuge angepasst. In 5 is a structural component ( 1 ) with an inventive stiffening structure of arbitrarily oriented, a plurality of stiffening profiles ( 3 ), which are at an intersection ( 4 ), shown. As a measure for the formation of the stiffening structure by continuous draping of a flat textile reinforcing semi-finished products are in 5 in the area of the point of intersection ( 4 ) of the stiffening profiles ( 3 ) Transition surfaces ( 5 ) in the form of free-form surfaces. The shape of the transition surfaces ( 5 ) is adapted to the drapability of the semi-finished textile reinforcement used to make the stiffening structure.

11
Strukturbauteilstructural component
22
Hautfeldskin panel
33
Versteifungsprofilstiffening profile
44
Schnittpunkt der Versteifungsprofileintersection the stiffening profiles
55
Übergangsflächen am Schnittpunkt der VersteifungsprofileTransition surfaces on Intersection of the stiffening profiles

Claims (8)

Verfahren zur Herstellung von Versteifungsstrukturen für Strukturbauteile aus faserverstärkten Kunststoffen, wobei das Strukturbauteil (1) mindestens ein Hautfeld (2) sowie eine, auf dem Hautfeld aufgebrachte, Versteifungsstruktur aufweist, wobei die Versteifungsstruktur mindestens zwei Versteifungsprofile (3) mit beliebigem geschlossenem Querschnitt aufweist und die Versteifungsprofile mindestens einen gemeinsamen Schnittpunkt (4) haben, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Schnittpunkts der Versteifungsprofile Übergangsflächen (5) angebracht werden, die so gestaltet sind, dass eine durchgängige und kraftflussgerechte Anordnung von Verstärkungsfasern ermöglicht wird.Process for producing stiffening structures for structural components made of fiber-reinforced plastics, wherein the structural component ( 1 ) at least one skin field ( 2 ) and a stiffening structure applied to the skin panel, the stiffening structure comprising at least two stiffening profiles ( 3 ) with any closed cross-section and the stiffening profiles have at least one common point of intersection ( 4 ), characterized in that in the region of the intersection of the stiffening profiles transition surfaces ( 5 ), which are designed so that a continuous and force flow fair arrangement of reinforcing fibers is made possible. Verfahren zur Herstellung von Versteifungsstrukturen für Strukturbauteile nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Schnittpunkts der Versteifungsprofile Übergangsflächen (5) angebracht werden, die so gestaltet sind, dass die Versteifungsstruktur durch faltenfreies Drapieren eines flächigen textilen Verstärkungshalbzeugs hergestellt werden kann, ohne die Verstärkungsfasern des flächigen textilen Verstärkungshalbzeugs im Bereich der zu bildenden Versteifungsstruktur zu durchtrennen.Method for producing stiffening structures for structural components according to claim 1, characterized in that in the region of the intersection of the stiffening profiles, transition surfaces ( 5 ), which are designed so that the stiffening structure can be produced by wrinkle-free draping of a flat textile reinforcing semi-finished product without severing the reinforcing fibers of the flat textile reinforcing semi-finished product in the region of the stiffening structure to be formed. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Übergangsflächen im Bereich des Schnittpunkts (4) der Versteifungsprofile (3) aus ebenen Einzelflächen bestehen können. Die Anzahl, Gestalt und Größe der ebenen Einzelflächen ist an die Drapierbarkeit des, zur Herstellung der Versteifungsstruktur verwendeten, flächigen textilen Verstärkungshalbzeugs angepasst.A method according to claim 2, characterized in that the transition surfaces in the region of the intersection ( 4 ) of the stiffening profiles ( 3 ) can consist of flat individual surfaces. The number, shape and size of the flat individual surfaces is adapted to the drapability of the, used to produce the stiffening structure, flat textile reinforcing semi-finished product. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Übergangsflächen im Bereich des Schnittpunkts (4) der Versteifungsprofile (3) Freiformflächen sein können. Die Gestalt der Freiformflächen ist an die Drapierbarkeit des, zur Herstellung der Versteifungsstruktur verwendeten, flächigen textilen Verstärkungshalbzeugs angepasst.A method according to claim 2, characterized in that the transition surfaces in the region of the intersection ( 4 ) of the stiffening profiles ( 3 ) Can be free-form surfaces. The shape of the free-form surfaces is adapted to the drapability of the flat textile reinforcing semi-finished product used to produce the stiffening structure. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das textile Verstärkungshalbzeug zur Herstellung der Versteifungsstruktur ein Gewebe sein kann.Method according to claim 2, characterized in that that the textile reinforcing semi-finished product to make the stiffening structure may be a tissue. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als textiles Verstärkungshalbzeug ein Gelege verwendet werden kann. Method according to claim 2, characterized in that that as a textile reinforcing semi-finished product a clutch can be used. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Versteifungsstruktur durch Drapieren eines trockenen textilen Verstärkungshalbzeugs mit anschließender Imprägnierung mit einer flüssigen Matrix hergestellt werden kann.Method according to claim 2, characterized in that that the stiffening structure by draping a dry textile Reinforcement semi-finished with followed by impregnation with a liquid matrix can be produced. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Versteifungsstruktur durch Drapieren eines vorimprägnierten textilen Verstärkungshalbzeugs hergestellt werden kann.Method according to claim 2, characterized in that that the stiffening structure by draping a preimpregnated textile reinforcing semi-finished product can be produced.
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