DE102014015976A1

DE102014015976A1 - Verbundkonstruktion für eine erhöhte Lebensdauer

Info

Publication number: DE102014015976A1
Application number: DE102014015976.0A
Authority: DE
Inventors: Gregor Christian Endres; Hans-Jürgen Weber; Klaus Schoote
Original assignee: Airbus Defence and Space GmbH; Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH; Airbus Operations GmbH
Priority date: 2014-10-31
Filing date: 2014-10-31
Publication date: 2016-05-04
Also published as: WO2016066657A1; US20170320290A1; EP3212385A1; CN107107490A; CN107107490B; US11318716B2

Abstract

Eine sandwichartig aufgebaute Verbundplatte (1) mit zwei gegenüberliegenden Außenschichten (10) und einer dazwischen liegenden Schaumstoffschicht (35), bei der die Außenschichten (10) über Abstandhalter (20) miteinander verbunden sind und die Abstandhalter (20) über einen ausgehärteten Kunststoff mit den Außenschichten (10) verbunden sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine sandwichartig aufgebaute Verbundkonstruktion und ein Verfahren zu deren Herstellung.
Insbesondere werden Verbundkonstruktionen betrachtet, die als Fußbodenplatten im Flugzeugbau zum Einsatz kommen können. So sind Fußbodenplatten in heutigen modernen, zivilen Großraumflugzeugen Kernverbund-konstruktionen auf Basis von Wabenstrukturen (Phenolbeschichtetes Aramidpapier). Diese Waben werden beidseitig mit dünnen Decklagen aus Glas- und/oder Kohlenstofffasern versehen. Für eine gewichtseffiziente Bauweise werden Bereiche lokaler Lasteinleitung und/oder Randbereiche der Fußbodenplatten durch Prepregklötze/Kernfüllmassen optimiert. Bei den Füllmassen handelt es sich um hochgefüllte Epoxydharze. Diese werden in die offenen Wabenzellen eingepresst und anschließend mit gemeinsam mit den Decklagen ausgehärtet. Durch diese Vorgehensweise kann zwar lokal eine zusätzliche Verstärkung realisiert werden, es entstehen dadurch aber auch zusätzliche Arbeitsschritte und ein nicht zu vernachlässigendes Mehrgewicht. Anbindungspunkte (Bodenplatte ⇔ Fb-Rost) werden durch Inserts aus Metall/Composite (torlon) oder auch durch Glaseinlageteil oder Prepregstopfen (sogenannte Glasplugs) realisiert. Erstere (Inserts) werde nach Fertigstellung des Verbundes eingeklebt und sind optional mit Gewinden versehen. Letztere (Prepregstopfen) werden aus gehärtetem Faserverbundlaminat geschnitten und vor der Decklagenapplikation in die Wabe eingelegt und/oder eingeklebt. Nach dem Fertigstellen des Verbunds kann eine Bohrung in den Einlageteile eingebracht werden.
Insofern nicht zusätzlich verschiedene Wabengrades (Variation von Dichte, Zellweite und Papier) zu einem Gesamtstück (splice) verklebt werden, ist bei der Wabenauswahl eine Wabendichte zu wählen, der sowohl in x- als auch in y-Richtung sowie in z-Richtung den geforderten mechanischen Eigenschaften genügen. Es ist also davon auszugehen, dass die zu verarbeitende Wabe einen Kompromiss aus mechanischen Eigenschaften und Gewichtsoptimum darstellt.
Eine mögliche lokale Schädigung der Platte kann durch weitere dynamische Belastungen wachsen, was auf Dauer zu der Entstehung eines flächigen Schadens führen kann, was gleichbedeutend mit einem allgemeinen Strukturverlust ist. Ist die Fußbodenplatte als Teil der Tragestruktur zu betrachten, trägt sie also zur Stabilität der Gesamtflugzeugstruktur bei, so ist ein solcher Strukturverlust nur bedingt zu tolerieren. Weiterhin ist es für den Komfort der Passagiere nur bedingt zuträglich, da wachsende Schäden zu einem „weichen” Gefühl führen. Solche Platten werden auch als „Spongy panels” bezeichnet.
Bei regelmäßigen Checks des Gesamtflugzeugs wird auch der Teppichboden aus dem Passagierbereich entfernt. Dieser ist durch spezielles doppelseitiges Klebeband/oder Dispersionsklebstoff direkt auf die Fußbodenplatten aufgeklebt. Beim Herauslösen des Teppichs wird auch die Anbindung der Deckhaut, also der Außenschicht der Fußbodenplatte, an die Wabe stark belastet. Die auftretenden Zug- oder Schälkräfte können die Anbindung sogar zum Versagen bringen, was einen Strukturverlust in der Platte zur Folge hat. Dieser Effekt wird umso größer, je weniger Harz für die Anbindung zur Verfügung steht.
Fußbodenplatten werden aus Steifigkeits- und Gewichtsgründen zunehmend mit kohlenstofffaserbasierten Verbunddeckhäuten versehen. Die aus Kosten- und Gewichtsgründen geforderte Harzreduktion führt zur Bildung von Decklagenporositäten. Unterstützend wirkt hier zusätzlich, dass beim Pressen der Platten nur die Wabenstege und die darauf lokalisierten Decklagenbereiche den vollen Pressendruck „sehen”. Im Bereich der Zellen wirken nur reduzierte Drücke auf die Deckhäute. Mit der Kondensfeuchte die im Kabinenraum entsteht, kann sich eine galvanische Brücke zwischen den C-Fasern und dem AL-Grit der Fußbodenstruktur(Sitzschienen) bilden. Korrodierende Fußbodenträger haben nur eine reduzierte Lasttragfähigkeit.
Die eingeklebten Einlageteile, wie insbesondere Prepregstopfen und/oder -klötze/sind aus bereits geschilderten Gründen mit den Deckhäuten bevorzugt über ein Prepregharz verbunden. Über die Einsatzdauer kann es in diesem Bereich zur Deckhautablösung kommen, was gleichbedeutend mit der Tatsache ist, dass die Anbindung der Fußbodenplatten an das Fußbodenrost nicht mehr ausreichend gegeben ist, wodurch sich eine reduzierte Tragfähigkeit ergeben kann.
Aufgrund des Fortbestehens der Anforderung der Gewichtsoptimierung werden zudem Deckhäute auf den Waben gefordert, die dünner sind. Ein ehemals verwendeter Klebefilm zur Verbindung zwischen Waben und Deckhäuten wurde aus Gewichtsgründen durch einen erhöhten Harzanteil im Prepreg ersetzt. Die ungehärteten Häute werden in einer Presse mit der Kernstruktur verklebt.
Es ist die Aufgabe der Erfindung eine verbesserte Verbundkonstruktion bereitzustellen, die bei einem geringen Gewicht eine hohe Festigkeit und Steifigkeit aufweist und bei der eine hohe Lebensdauer gegeben ist.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und den entsprechenden Verfahren gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Eine Verbundkonstruktion, wie insbesondere eine sandwichartig aufgebaute Verbundplatte umfasst bevorzugt zwei parallel gegenüber liegenden Außenschichten. Dabei füllt ein Schaumstoff den Abstand zwischen den Außenschichten zumindest bereichsweise komplett. Die Außenschichten sind über Abstandhalter miteinander verbunden und die Abstandhalter sind über einen ausgehärteten Kunststoff mit den Außenschichten verbunden. Hierdurch können die wabenartigen Zwischenschichten ersetzt werden. Anstelle von Klebelinien der Waben an den Außenschichten bestehen jeweils einzelne Klebepunkte. Hierdurch wird ein Rissfortschritt, der bei Klebelinien häufig auftritt, vermieden. Da der Schaumstoff bevorzugt ein harter geschlossenporiger Schaum ist, geraten Umgebungsbedingungen (Sauerstoff, Feuchtigkeit) in reduziertem Ausmaß und bevorzugt lokal begrenzt in das Verbundkonstruktionsinnere und entsprechende Oxidations- und Alterungsproblematiken werden vermieden. Durch eine unterschiedliche Häufung der Abstandselemente und deren gezielte Ausrichtungen ist es möglich, bereichsweise unterschiedliche Festigkeiten und Steifigkeit zu erzielen. So kann dort Material und Gewicht eingespart werden, wo die Belastungen niedriger sind.
Die Abstandhalter sind bevorzugt in dem Bereich zwischen den Außenschichten stabförmig. Dies schließt nicht aus, dass die Abstandhalter benachbart zu den Außenschichten Abwinklungen oder Biegungen umfassen. Aber in dem Zwischenbereich sind sie bevorzugt gerade, da sie so gut Zug- oder Druckkräfte aufnehmen können. Ein Stab wird insbesondere als ein Element von bevorzugt konstantem Querschnitt verstanden. Insbesondere ist das Verhältnis des größten Durchmessers zu dem kleinsten Durchmesser kleiner als 2. Die Abstandhalter können rund oder eckig sein. Ein mögliches Knicken wird durch den sie umgebenden Schaum verzögert. Vorteilhafter Weise sind die Abstandhalter in dem Bereich zwischen den Außenschichten weitgehend gerade bzw. ungebogen. So werden sowohl Zug- wie Druckkräfte gut aufgenommen.
Bevorzugter Weise sind die einzelnen Abstandhalter nach einer vorgegebenen Regel ausgerichtet. So kann einem Positionierungsautomaten ein gewünschter Abstand vorgegeben werden. Bevorzugter Weise sind die Abstandhalter also nicht zufällig verteilt und/oder ausgerichtet. Hierdurch ist es möglich, einerseits abhängig von den Belastungen durch eine größere Abstandhalterdichte eine lokal variierte Festigkeit und/oder Steifigkeit zu bewirken und/oder anderseits durch eine lokale Ausrichtung der Abstandhalter eine lokal gezielte Ausrichtung der Festigkeit und/oder Steifigkeit zu bewirken.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Außenschichten zumindest teilweise von den Abstandhaltern durchdrungen. So wird eine gute Verbindung von den Außenschichten zu den Abstandhaltern erreicht.
Alternativ oder zusätzlich können die Abstandhalter zumindest teilweise spitze Enden aufweisen. Insbesondere zumindest 20%, bevorzugt mindestens 50% und höchst bevorzugt praktisch alle Abstandhalter weisen spitze Enden auf. Die Spitze kann dadurch erreicht werden, dass der Schnitt zum Ablängen des Abstandhalters in einem Winkel von 60°–85° Grad zum Querschnitt des Abstandhalters durchgeführt wird. Dieses ergibt folgende Vorteile: Sowohl die Außenschicht, wie auch der Schaum kann so besser durchbohrt werden, ohne dass ein Knicken des Abstandhalters auftritt. In den Fällen, wo der Abstandhalter sich (wie nachfolgend beschrieben) an die Innenseite der Außenschichten anlegt, wird dies durch die mit dem abnehmenden Querschnitt erhöhte Flexibilität erleichtert.
Bevorzugt ist die Dichte der Abstandhalter zumindest bereichsweise größer als 3 Abstandhalter pro Quadratzentimeter und insbesondere größer als 10 Abstandhalter pro Quadratzentimeter. So wird für eine ausreichende Stabilität gesorgt.
Auch kann in einem Abschnitt der Verbundkonstruktion, der insbesondere zu ihrer Befestigung dient oder der am Rand der Verbundkonstruktion liegt, die Dichte der Abstandhalter größer sein, als in davon entfernten Abschnitten der Verbundkonstruktion. Die Dichteerhöhung im genannten Befestigungsbereich oder am Rand beträgt bevorzugt mindestens 50% gegenüber der restlichen Verteilungsdichte.
Insbesondere sind bereichsweise zumindest 50%, bevorzugt mindestens 80%, der Abstandhalter derartig zwischen den Außenschichten ausgerichtet sind, dass ihre Winkelabweichungen zur Außenschichtenorthogonalen größer als 15° sind, wobei diese Bereiche bevorzugt von den Abschnitten der Verbundkonstruktion, die zu deren Befestigung dienen, entfernt sind. Bevorzugt ist kein Abstandhalter im Zwischenbereich auch nur bereichsweise parallel zu der Ebene der Außenschichten ausgerichtet. Praktisch alle Abstandhalter sind bevorzugt in Kontakt mit beiden Außenschichten.
Vorteilhafter Weise ist für die Abstandhalter eine begrenzte Anzahl von bevorzugten Ausrichtungen definiert, und die Abstandhalter sind jeweils in einer dieser Ausrichtungen ausgerichtet sind. Dies ist vorteilhaft für die Beschickung der Verbundplatte mit den Abstandhaltern. So kann in einer Bearbeitungsmaschine einfach jeweils eine oder mehrere Ausrichtungen vorgegeben werden. Auch vereinfacht diese Anordnung die Bestimmung der Festigkeit in sämtlichen Ausrichtungen.
Auch ist es vorteilhaft, wenn zumindest an einem Abschnitt der Verbundkonstruktion, der zu ihrer Befestigung dient, die Verbundkonstruktion ein den Außenschichtenabstand überbrückendes Einlageteil oder eine vergleichbare Füllsubstanz umfasst, wobei zumindest einer der Abstandhalter das Einlageteil oder die Füllsubstanz zumindest teilweise durchdringt. Eine geeignete Füllsubstanz ist jede Substanz, die nach einem ggf. vorgenommenen Füll- oder Aushärteprozess, geeignet ist, Druckkräfte aufzunehmen. Durch die Durchdringung kann die Verbindung von dem Einlageteil mit den Außenschichten verbessert werden, da die Abstandhalter ihrerseits mit den Außenschichten verbunden sind.
In einem entsprechenden Verfahren zur Herstellung einer Verbundkonstruktion wird zunächst ein zwei Außenschichten und eine dazwischen liegende geschäumte Schicht aufweisendes Zwischenprodukt hergestellt und durch eine Durchdringung zumindest einer der Außenschichten werden Abstandhalter in den zwischen den Außenschichten befindlichen Bereich eingebracht und anschließend wird ein in den Außenschichten oder den Abstandhaltern befindlicher oder dort eingebrachter Kunststoff ausgehärtet. Alternativ wird in einem Verfahren zur Herstellung einer Verbundkonstruktion eine Mehrzahl Abstandhalter großteils in eine geschäumte Schicht eingebracht, und durch Verwendung von Außenschichten eine Sandwichbaugruppe geschaffen wird und die Abstandhalter werden von innen in die Außenschichten gedrückt oder die Abstandhalter lagern sich an eine Innenseite der Außenschichten an und nachfolgend härtet ein Kunststoff aus und die Abstandhalter werden so mit den Außenschichten verbunden.
Bei den vorgenannten Verfahren können trockene Fasern zur Bildung der Außenschichten und/oder der Abstandhalter verwendet werden. Diese werden nach Bildung der Verbundkonstruktion mit einem Infusionsverfahren mit dem Harz versetzt und ausgehärtet. Alternativ können zur Bildung der Außenschichten, wie auch der Abstandhalter, Prepreg-Fasern verwendet werden, die bereits mit Harz versetzt sind, wobei über Aushärteverzögerer verhindert wird, dass das Harz vorzeitig aushärtet. Ferner sind kombinierte Verfahren möglich, bei denen auf der einen Seite einer Verbundkonstruktion eine trockene Außenschicht, also eine Schicht, die zunächst nicht mit Harz versehen ist, verwendet wird und auf der anderen Seite eine Prepreg-Faserplatte zur Bildung der Außenschicht zum Einsatz kommt. Zumindest eine Außenschicht bevorzugt beide Außenschichten der Faserverbundkonstruktion sind Prepreg-Schichten oder mit nicht ausgehärtetem Harz versehene Fasern oder Faserschichten, die gemeinsam mit den Abstandhaltern (20–25) ausgehärtet werden.
Insbesondere kann ein für ein Nähverfahren oder einen trockenen Armierungsprozess geeigneter Faserstrang oder Faserfaden durch eine geschäumte Schicht oder durch eine geschäumte Schicht und zumindest eine äußere Schicht gedrückt oder gezogen werden und nachfolgend kann der Faserstrang oder Faserfaden mit Harz versetzt und ausgehärtet werden. Dies beschreibt insbesondere ein trockenes Nähverfahren.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von schematischen Darstellungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht einer Ecke einer Verbundplatte,
2 ein Zwischenstadium der Herstellung einer Verbundplatte,
3 eine Ansicht des Zwischenstadiums gemäß 2,
4 die Verbundplatte der 1 im Schnitt A-A,
5 ein Foto eines Schnittes durch die Verbundplatte,
6 eine Variante der Verbundplatte mit einer Nähtechnik
7 eine schematische Ansicht zur Erläuterung eines Einlageteils und
8 und 9 zwei unterschiedliche Verfahren der Schlaufenbildung bzw. des Nähens.
Die Verbundplatte gemäß 1 umfasst einen Sandwich-Aufbau mit zwei Außenschichten 10 und dazwischen eine Schicht 30 aus einem Schaumstoff 35. Die Außenschichten 10, die auch als Deckhaut bezeichnet werden, weisen ein hohen Faseranteil auf, die über einen Kunstharz zu einer Matte verbunden sind. Es sind insbesondere Außenschichten mit einer regelmäßigen Faseranordnung, wie etwa ein Gewebe. Es ist auch eine unregelmäßige Faseranordnung, wie etwa ein Vlies, möglich. In dem Zwischenraum 30 beider Außenschichten 10 ist neben dem Schaumstoff 35 auch eine Vielzahl von Abstandhaltern integriert, wobei letztere gemäß 1 nicht sichtbar sind. Die Abstandhalter sind mit Kunstharz mit den Außenschichten 10 verbunden. Hierdurch ergibt sich eine Sandwich-Konstruktion, die auch unabhängig von der dazwischen liegenden Schaumstoffschicht eine hohe Festigkeit aufweist.
Der Schnitt A-A der 1 ist in 4 gezeigt. Die x-Achse liegt in dem Schnitt und dabei besteht ein 45° Winkel zwischen der Schnittebene und der x-y-Ebene. In diesem Sinne liegen die in 4 gezeigten Abstandhalter 20 und 22 schräg in der Verbundplatte 1. Bevorzugt weist die Verbundplatte 1 eine Vielzahl von Abstandhaltern 20, 22, 23 auf, so dass auch über jeweils Schnitte in der x-Achse in einem Winkel von –45° zur x-y-Ebene, sowie positive und negative 45° Ausrichtung zu der y-z-Ebene, die durch die y-Achse gehen, ähnliche Schnittbilder möglich sind. Bei alternativen Ausführungsformen sind andere Anordnungen der Abstandhalter möglich, wobei die winkelmäßige Ausrichtung abweichen kann und die einzelnen Abstandhalter auch nicht in einzelnen Ebenen liegen müssen. Bevorzugt werden die Abstandhalter nach einem vorgegebenen Muster platziert. Bevorzugt wird jedem einzelnen Abstandhalter von der Verarbeitungsmaschine eine bestimmte Ausrichtung an einem bestimmten Ort zugeordnet. Auch kann eine von der Verarbeitungsmaschine quasi zufällig bestimmte Ausrichtung der Abstandhalter bestimmt werden.
Eine Mehrzahl der Abstandhalter durchdringt die Außenschichten komplett (Bezugszeichen 20) oder teilweise (Bezugszeichen 22). Andere Abstandhalter 23 liegen flach an zumindest einer der nach innen gerichteten Seiten der Außenschichten 10 an.
2 zeigt eine Ansicht, die der 4 entspricht, bei der aber die obere Außenschicht nicht dargestellt ist. Es ist somit die Schaumschicht 35 gezeigt und eine Vielzahl der Abstandhalter 20 ragen aus der Schaumschicht 35 nach oben hinaus. Dabei haben die Abstandhalter 20 eine Vielzahl unterschiedlicher winkelmäßiger Orientierungen.
Der Aufbau der Verbundplatte gemäß 4 ist auf unterschiedliche Arten herstellbar. In einer ersten Variante wird die innere Schaumschicht 35 aufgeschäumt oder als ein Halbzeug bereitgestellt und darunter wird optional eine untere Außenschicht 10 platziert. Im Anschluss wird in einem automatischen Verfahren eine Vielzahl von Abstandhaltern 20 in den Schaum eingedrückt oder eingeschossen. Dadurch entsteht die Zwischenstufe, die in 3 gezeigt ist. Bei dieser Zwischenstufe sind die Abstandhalter zwar in dem Schaumstoff 35 aufgenommen, sind aber in die untere Außenschicht 10 noch nicht eingedrungen.
Im nächsten Schritt wird von oben die zweite Außenschicht aufgesetzt und mit der Zwischenstufe so verpresst, dass die zweite Außenschicht in Kontakt mit dem Schaumstoff 35 kommt. Bei diesem Vorgang des Verpressens drückt sich ein Teil der Abstandhalter in die obere Außenschicht und ein weiterer Teil in die untere Außenschicht, so dass sich der in 4 gezeigte Aufbau ergibt. Alternativ kann auch eine Zwischenstufe geschaffen werden, mit einer Schaumschicht, aus der zu beiden Seiten die Abstandhalter vorstehen und von beiden Seiten wird nachfolgend eine Außenschicht aufgesetzt.
5 zeigt ein Bild eines Abstandhalters 20, der mit beiden Außenschichten 10 in Kontakt steht. In diesem Fall bohrt sich der Abstandhalter 20 nicht durch die Außenschichten 10, sondern legt sich an die Innenkontur der Außenschichten zwischen den Schaumstoff 35 und die Außenschichten 10 an. Zudem ist ein weiterer Abstandhalter 20 gezeigt, der in einem ca. 90°-Winkel zu dem erstgenannten Abstandhalter steht und die Bildebene durchstößt.
In einer alternativen Art der Herstellung der Verbundplatte 1 kann die Sandwich-Konstruktion mit dem Schaumstoff 35 und den beiden Außenschichten 10 zunächst ohne die verbindenden Abstandhalter 20 hergestellt werden. In einem nachfolgenden Arbeitsschritt werden die Abstandhalter 20 durch das Material einer der Außenschichten 10 in die Sandwich-Konstruktion so eingebracht, dass die einzelnen Abstandhalter jeweils im Kontakt mit beiden Außenschichten 10 stehen. Sofern die Abstandhalter 10 beim Einführen nicht durch ein Führungselement ausreichend geführt werden, weisen sie eine ausreichende Festigkeit und Biegesteifigkeit auf, dass das Hineinstecken ohne ein Stauchen oder Knicken geschieht.
6 zeigt eine weitere Variante, bei der ein Nähverfahren zum Einsatz kommt. In diesem Fall weist der Abstandhalter 20 eine garnartige Flexibilität auf, so dass er mit einer Nadel (nicht gezeigt) durch die Sandwichpackung geführt werden kann. An der Unterseite wird er mit einem Unterfaden 28 verwoben, so dass sich bei dem Nadelrückzug die gezeigten Schlaufen ergeben. Als Nähverfahren können insbesondere Doppelsteppstiche oder Doppelkettenstiche oder auch modifizierte Knüpftechniken verwendet werden.
8 zeigt ein Nähverfahren in einer Zwischenstufe, bei denen an einer Seite der Verbundkonstruktion Schlaufen gebildet werden. Dieses Verfahren wird auch als Tuften bezeichnet. In einem nicht dargestellten, aber durch die Pfeile angedeuteten Bearbeitungsschritt, werden die Schlaufen umgelegt und bilden so einen Teil der Verbundkonstruktionsaußenseite. Da sich bei der Aushärtung eine ausreichende Steifigkeit der Abstandhalter 20 ergibt, ist es nicht zwingend notwendig, ein herkömmliches Nähverfahren zu verwenden, wie es z. B. in 9 gezeigt ist.
Bei dem Nähverfahren gemäß 9 wird mit einem einseitigen Faden gearbeitet, der an der einen Seite der Verbundkonstruktion geführt wird und an der entgegengesetzten Seite schlaufenartig zum Durchbruch der benachbarten Schlaufe geführt und dort vernäht ist.
In 7 ist ein optionales Einlageteil 40 gezeigt. Dieses hat eine mittige Bohrung 42, die durch die gesamte Verbundplatte 1 geht. Die Bohrung ist einseitig angefast und dient zur Befestigung der Verbundplatte, beispielsweise mit einer Verschraubung. Da bei einer Verschraubung hohe Druckkräfte auf die Außenseite der Verbundplatte auftreten, ist hier eine besondere Drucksteifigkeit notwendig. Diese wird durch das Einlageteil 40 ermöglicht. Das Einlageteil besteht zunächst aus einem Stapel einer Vielzahl von Lagen Glasfasergewebe, wie bspw. mehr als 20 Lagen. Bevorzugt sind diese Lagen trocken, also nicht mit Harz durchsetzt und werden erst in den nachfolgend erläuterten Schritten der Durchnässung und Aushärtung zu einem harten Einlageteil, welches die genannten Kräfte aufnehmen kann. Da in dem Einlageteil bevorzugt noch kein Harz enthalten ist, oder dort enthaltenes Harz nicht ausgehärtet ist, kann das Einlageteil ohne sonderlichen Widerstand von den Abstandhaltern durchdrungen werden. Da der Stapel vor dem Einsatz des Kunststoffs keine besondere Härte aufweist, ist es möglich, dass die Abstandhalter durch den Stapel der Glasfaserlagen dringen. Ferner ist in 7 ersichtlich, dass die Dichte der Abstandhalter im Umfeld des Einlageteils erhöht ist. Auch hierdurch können gezielt Kräfte aufgenommen werden, die sich bei der Befestigung der Verbundplatte ergeben. Werden neben den Lagen des Einlageteils auch die Deckhäute, also die Außenschichten, durchdrungen, so wird zusätzlich noch die Anbindungsfestigkeit des Gesamtverbundes in diesem Bereich erhöht.
In einer alternativen Ausführungsform ist es für den Befestigungsbereich der Verbundplatte 1 nicht notwendig, ein gesondertes Einlageteil zu verwenden. Statt dessen kann die Dichte der Abstandhalter dort derart erhöht werden, dass die Befestigungskräfte gut aufgenommen werden können. In diesem Fall ist es vorteilhaft, die Abstandhalter nicht in schrägen Winkeln (wie z. B. im Winkel von 40° bis 80° zur Verbundplattennormalen) einzubauen, sondern senkrecht zu der Verbundplattenebene.
Die Abstandhalter können bei jeder der vorstehend genannten Ausführungsformen über Rowings hergestellt werden. Ein Rowing ist ein Faserpaket mit einer Vielzahl von einzelnen Fasern. Bei einem Kohlefaserrowing können bspw. 1000 oder mehr Einzelfasern (Filamente) verwendet werden. Der Durchmesser der Abstandhalter kann stark von den Einsatzbedingungen variieren. Bevorzugt kommen Abstandhalter in einem Durchmesserbereich von 0,5 mm² bis 3 mm² zum Einsatz. Bei den Anwendungen, bei denen vernäht wird, werden bevorzugt die kleineren Querschnitte verwendet. Wenn die Abstandhalter so durch eine der Außenschichten gesteckt werden, dass die Eigensteifigkeit der Abstandhalter wesentlich ist, so kommen eher die größeren Querschnitte zum Einsatz.
Jede der vorstehend aufgeführten Ausführungsformen lässt sich prinzipiell mit feuchten, wie auch trockenen Fasern herstellen. Auch lassen sich Bistagefasern oder -faserbündel verwenden. Dies sind mit Harz durchtränkte Fasern, die in einem vorgelagerten Verfahrensschritt teilausgehärtet worden sind. Durch die Teilaushärtung haben sie ihre Klebrigkeit zumindest großteils verloren. Durch die Temperaturbedingungen des Aushärtens wird das Harz des Bistagematerials verflüssigt, so dass sich eine gute Adhäsion ergibt. Feuchte Fasern werden auch als Prepregs bezeichnet. In diesem Fall sind die Abstandhalter, also insbesondere die Rowings, bereits mit Harz getränkt, bzw. impregniert. Über Reaktionsverzögerer wird verhindert, dass die Vernetzungsreaktion vorzeitig beginnt. Vielmehr lässt sie sich nach der Herstellung des Bauteils insbesondere durch eine Wärmezufuhr starten. Die trocknen Fasern sind in diesem Sinne nicht mit dem Harz versetzt. Statt dessen werden sie nach der Herstellung der vorstehend beschriebenen Verbundplatte mit dem Harz versetzt und anschließend ausgehärtet. Auch kombinierte Verfahren sind möglich, wobei bei einer ersten Seite trockene Fasern verwendet und bei der anderen Seite der Verbundplatte Prepregs zum Einsatz kommen. Letzteres kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn auf einer innen liegend zum Einbau kommenden Seite der Verbundplatte eine geringere Harztränkung ausreichend ist und z. B. ein Nähverfahren mit trockenen Fasern besser durchgeführt werden kann und bei der nach außen zum Einsatz kommenden Seite der Verbundplatte eine höhere Harztränkung die Festigkeitseigenschaften verbessert.
Neben dem Einsatz von Infusionsverfahren nach dem Stand der Technik (VAP, MVI, RTM, ...) ist hier aufgrund der benötigten großen Bauteilanzahl noch eine Pultrusionsinfusion denkbar. Das Pultrusionsverfahren ist ein kontinuierliches, also fortlaufendes Verfahren der Materialherstellung, bei dem zunächst wie vorstehend beschrieben eine mit Abstandhaltern versehenen Sandwichkonstruktion erstellt wird. Nachfolgend wird sie in einem geschlossenen Raum, den sie durchfährt bspw. unter Vakuum mit dem Kunstharz versehen, welches im Anschluss bspw. unter Vakuum erhitzt wird und so aushärtet. Während des Aushärteprozesses sorgen Pressen oder Walzen dafür, dass die so erzeugte Verbundplatte insbesondere in der Dicke maßhaltig ist.
Bei einem ausreichenden Harzgehalt des Prepregs können auch Trockenarmierungen mit Harz imprägniert werden können. Aufgrund der Höhe der Bauteile kann so ein Infusionsschritt durch den Einsatz von Prepreg ersetzt werden. Beim Einsatz von Pressen senkt sich der Produktionsaufwand erheblich. Es besteht auch die Möglichkeit einen Reinharzfilm mit Prepregdecklagen zu kombinieren.
Der Schaum 35 ist ein definierter, niedriger, fein- und/oder geschlossenzelliger Schaum mit bevorzugt einer homogenen Dichte. Hierfür eignen sich Polyurethanschäume, da sie eine hohe Härte aufweisen. Ferner eignen sich insbesondere Polyvinylchlorid(PVC)-Polypropylen(PP)-Polyethylen(PE)-, Polyethylenterephtalat(PET)-Polybutylenterephtalat(PBT)-, Polystylrol(PS)-, expandierte Polystyrol(EPS)- oder vernetzte Polystryrol(XPS)-Schäume. Bevorzugt wird ein geschlossenzelliger Schaum verwendet, um zu vermeiden, dass der Schaum sich mit dem Harz füllt, was neben den Materialkosten auch das Bauteilgewicht erhöht. Der Schaum hat bevorzugt eine Festigkeit, dass er zwischen 10 und 50% der Druckbelastungen, die auf die Verbundkonstruktion ausgeübt werden, aufnehmen kann. Zugbelastungen, also Kräfte, die das Trennen der Verbundkonstruktion bewirken würden, und Scherkräfte (in x-y-Ebene gemäß 1) werden bevorzugt von den Abstandhaltern aufgenommen.
Als Harz kann bevorzugt Epoxidharz oder ein Harz auf Vinylesterbasis oder dergleichen verwendet werden.
Die Dicke der Verbundplatte kann beispielsweise 10 mm betragen. Die Dicke der Außenschichten ist in den Figuren schematisch dargestellt und dabei insbesondere übertrieben. Die Außenschichten können weniger als 1 mm dick sein (bspw. 0,5 mm) und/oder bspw. ein Gewicht von 200 g/m² aufweisen. Das Fasermaterial der Außenschlichten kann die gleichen Fasern aufweisen wie die Abstandhalter.
Als Material für die Abstandhalter können Pakete von Kohlenstoffasern, Glasfasern, Aramidfaser oder dergleichen verwendet werden. Diese Fasern haben insbesondere eine ausreichende Flexibilität, dass sie gebogen werden können, wie dies beim Nähen notwendig ist. Wenn die Fasern (wie beschrieben) durch den Schaum gesteckt werden, ist eine ausreichende Stabilität vorteilhaft. Auch teilausgehärtete oder ausgehärtete Faserstäbe oder Stifte aus Metall oder dergleichen können zum Einsatz kommen. Letzteres ist v. a. dann vorteilhaft, wenn die Abstandhalter nach dem Erstellen der Sandwichkonstruktion eingebracht werden sollen. Wenn stiftartige Abstandhalter durch den Schaum gesteckt werden, so können sie auch so abgelängt werden, dass sie ein kurzes Stück aus dem Schaum (je nach Anwendungsfall zu einer oder zu beiden Seiten) herausschauen. Dann können sie in einem separaten Arbeitsschritt umgelegt bzw. umgebogen werden, so dass für den nachfolgenden Kontakt mit den Außenschichten eine Kontaktflächenvergrößerung bewirkt wird.
Der Schaumstoff als Träger hat verschiedene Vorteile. Da die Zellen im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Wabenstrukturen sehr klein sind und zudem geschlossen, ist der Rand bereits gegen eindringende Feuchte versiegelt. Außer einer ggf. vorgesehenen Erhöhung der Abstandhalterdichte wird am Rand keine spezielle Einlage oder sonstige Behandlung benötigt.
Pinarmierte Strukturen haben nachweislich eine hervorragende Schadenstoleranz. Einmal eingebrachte Schäden sind räumlich absolut begrenzt und vergrößern sich auch durch die rissstoppende Wirkung der intakten Pins nicht weiter. Bei vorbekannten Ausführungsformen von Verbundplatten war in der Zwischensicht eine mit den Außenplatten verklebte Wabenstruktur. Wenn diese Verklebungen bereichsweise gerissen sind, so konnte der Riss sich aufgrund der Spannungsspitzen am Rissende fortsetzen. Abstandselemente, die auch als Pins bezeichnet werden, sind hingegen als singuläre Elemente zu betrachten. Dadurch können sie frei in der Fläche verteilt und individuell orientiert werden. Es besteht also die Möglichkeit durch gezielte Verteilung und Orientierung der Abstandselemente, entsprechend den Anforderungen zu gestalten. Dies ist eine sehr effiziente Methode, Lasteinleitungen, Randverstärkungen, usw. zu gestalten.
Zusätzlich kann der Schaumstoff als thermische und akustische Isolation dienen und so Idealerweise zusätzliche Elemente ersetzen.
Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass derart armierte Schaumstoffe eine interessante Alternative zu bestehenden Wabenkonstruktionen sind. Hinsichtlich einer gewichtsoptimierten Konstruktion bietet diese Werkstoffkategorie ein großes Potential. Krafteinleitungen, Randverstärkungen, usw. lassen sich leicht gestalten. Durch sein sehr gutes Impactverhalten, wird das Risiko wachsender Schadensflächen minimiert. Eine optimierte Decklagenanbindung reduziert zusätzlich die Bandbreite auftretender Schäden. Erfindungsgemäß armierte Schaumstoffe bieten also ein erhebliches Potential für verlängerte Bauteilstandzeiten. Zudem kann durch die Modifikation der Pindichte auch zukünftig weiter steigenden Anforderungen an die Verbundplatten, z. B. aus der Verankerung zusätzlicher Elemente (z. B. Küche, Toiletten, ...) leicht begegnet werden.
Vorstehend wurden Verbundkonstruktionen in Bezug auf ihren Einsatz als Fußbodenplatte in Flugzeugen beschrieben. Allgemein ergeben sich für die Verbundkonstruktionen darüber hinaus viele Einsatzbereiche in Anwendungen, bei denen eine hohe Tragfähigkeit und ein geringes Gewicht gefordert sind. Dies können Wände in Flugzeugeinsatz sein, wie auch Deckenelemente. Zusätzlich ist der Einsatz in Zügen und Schiffen besonders vorteilhaft. Die Platten müssen nicht eben sein, sondern können gewölbt oder gebogen sein. Ferner muss die Dicke der Verbundkonstruktion nicht konstant sein, so dass sich dreidimensionale Strukturen mit stabilen Außenseiten ergeben können, die jeweils über Abstandhalter eine erhöhte Festigkeit gegen diverse Belastungen erhalten.
Bezugszeichenliste

1: Verbundplatte, Verbundkonstruktion
5: Befestigungsbereich
6: Rand der Verbundplatte
10: Außenschicht
20, 21, 22, 23, 24, 25: Abstandhalter
28: Unterfaden
30: Zwischenschicht
35: Schaumstoff
40: Einlageteil
42: Bohrung

Claims

Verbundkonstruktion, wie insbesondere eine sandwichartig aufgebaute Verbundplatte (1), mit zwei bevorzugt parallel gegenüberliegenden Außenschichten (10), wobei ein Schaumstoff (35) den Abstand zwischen den Außenschichten (10) zumindest bereichsweise komplett füllt, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenschichten (10) über Abstandhalter (20–25) miteinander verbunden sind und die Abstandhalter (20–23) über einen ausgehärteten Kunststoff mit den Außenschichten (10) verbunden sind.
Verbundkonstruktion (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandhalter (20–25) in dem Bereich (30) zwischen den Außenschichten (10) stabförmig sind und insbesondere den Abstand zwischen den Außenschichten (20–25) weitgehend ungebogen überbrücken.
Verbundkonstruktion (1) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lage und/oder die Ausrichtung der einzelnen Abstandhalter (20–25) nach einer vorgegebenen Regel bestimmt ist.
Verbundkonstruktion (1) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenschichten (10) zumindest teilweise von den Abstandhaltern (20–25) durchdrungen sind.
Verbundkonstruktion (1) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandhalter (20–25) zumindest teilweise spitze Enden (22) aufweisen.
Verbundkonstruktion gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichte der Abstandhalter (20–25) zumindest bereichsweise größer als 3 Abstandhalter pro Quadratzentimeter ist und bevorzugt bereichsweise größer als 10 Abstandhalter pro Quadratzentimeter ist.
Verbundkonstruktion (1) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest in einem Abschnitt (5) der Verbundkonstruktion (1), der insbesondere zu ihrer Befestigung dient und/oder am Rand (6) der Verbundkonstruktion liegt, die Dichte der Abstandhalter (20–25) größer ist, als in davon entfernten Abschnitten der Verbundkonstruktion (1).
Verbundkonstruktion (1) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bereichsweise zumindest 50%, bevorzugt mindestens 80%, der Abstandhalter (20–25) derartig zwischen den Außenschichten (10) ausgerichtet sind, dass ihre Winkelabweichungen zur Außenschichtenorthogonalen größer als 15° sind, wobei diese Bereiche bevorzugt von den Abschnitten der Verbundkonstruktion, die zu deren Befestigung dienen, entfernt sind.
Verbundkonstruktion (1) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Abstandhalter (20–25) eine begrenzte Anzahl von bevorzugten Ausrichtungen definiert ist, und die Abstandhalter in jeweils einer dieser Ausrichtungen ausgerichtet sind.
Verbundkonstruktion (1) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest an einem Abschnitt (5) der Verbundkonstruktion (1), der zu ihrer Befestigung dient, die Verbundkonstruktion (1) ein den Außenschichtenabstand überbrückendes Einlageteil (40) oder eine vergleichbare Füllsubstanz umfasst, wobei zumindest einer der Abstandhalter das Einlageteil (40) oder die Füllsubstanz zumindest teilweise durchdringen.
Verfahren zur Herstellung einer Verbundkonstruktion, wobei zunächst ein zwei Außenschichten und eine dazwischen liegende geschäumte Schicht (35) aufweisendes Zwischenprodukt erstellt wird und durch eine Durchdringung zumindest einer der Außenschichten (10) Abstandhalter (20–25) in den zwischen den Außenschichten (10) befindlichen Bereich (30) eingebracht werden und anschließend ein in den Außenschichten (10) und/oder den Abstandhaltern (20) befindlicher und/oder dort eingebrachter Kunststoff ausgehärtet wird.
Verfahren zur Herstellung einer Verbundkonstruktion, wobei eine Mehrzahl Abstandhalter (20–25) großteils in eine geschäumte Schicht eingebracht wird, wobei durch Verwendung von Außenschichten (10) eine Sandwichbaugruppe geschaffen wird und die Abstandhalter (20–22, 24, 25) in die Außenschichten gedrückt oder gezogen werden oder die Abstandhalter (23) sich an eine Innenseite der Außenschichten anlagern und wobei nachfolgend ein in den Außenschichten und/oder den Abstandhaltern (20–23) befindlicher und/oder dort eingebrachter Kunststoff aushärtet und die Abstandhalter (20–23) mit den Außenschichten (10) verbindet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein für ein Nähverfahren und/oder trockenen Armierungsprozess geeigneter Faserstrang oder Faserfaden (20–25) durch eine geschäumte Schicht (35) oder durch eine geschäumte Schicht (35) und zumindest eine äußere Schicht gedrückt oder gezogen wird, nachfolgend der Faserstrang oder Faserfaden (20–25) mit Harz versetzt und ausgehärtet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Außenschicht (10), bevorzugt beide Außenschichten der Faserverbundkonstruktion mit Prepreg-Schichten oder mit nicht ausgehärtetem Harz versehene Fasern oder Faserschichten sind, die gemeinsam mit den Abstandhaltern (20–25) ausgehärtet werden.