DE102015111388A1 - Verfahren zum verbinden von metallischen beschlägen mit rohren aus faserverbundmaterial und leitungen, nach diesem verfahren erhältlich - Google Patents

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Abstract

System umfassend ein Rohr (2) und wenigstens einen Beschlag (1; 10; 20), wobei das Rohr im Wesentlichen aus einem thermoplastischem Faserverbundwerkstoff und der Beschlag im Wesentlichen aus Titan oder einer Titanlegierung besteht und Rohr und Beschlag fluiddicht verbunden sind.

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft Rohre mit einem Beschlag aus Metall, etwa aus Titan oder einer Titanlegierung, die miteinander fluiddicht verbunden sind. Das Rohr kann aus thermoplastischen faserverstärkten Verbundwerkstoffen bestehen, etwa aus kohlefaser- oder glasfaserverstärktem Kunststoff. Der Beschlag kann der durchgängigen Verbindung verschiedener Rohrstücke oder auch der Abdichtung von Rohrstücken dienen. Insbesondere betrifft die Erfindung Hydraulikrohre von Luft- oder Raumfahrzeugen.
  • Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Systems aus solchen Rohren und Beschlägen durch fluiddichtes Verschweißen der unterschiedlichen Materialien miteinander.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Hydraulikleitungen in Luft- und Raumfahrtzeugen werden oft aus starren Metallleitungen hergestellt. Metallleitungen können durch Quetschverbinder miteinander verbunden werden. Rohrleitungen aus Metall lassen sich oft nicht einfach verformen, etwa bei der Installation der Hydrauliksysteme in Strukturen von Luft- oder Raumfahrzeugen. Eine andere Möglichkeit stellen Schlauchleitungen aus elastomeren Werkstoffen dar. Schlauchleitungen können durch aufgepresste Metallbeschläge miteinander verbunden werden. Leitungen aus elastomeren Werkstoffen wie etwa Kautschuk können sich im Betrieb verformen und hin und her schwingen. Es kann wünschenswert sein, Hydraulikleitungen aus Faserverbundwerkstoffen herzustellen, da dies ein dauerhafter und leichter Werkstoff ist. Rohrleitungen aus Faserverbundwerkstoffen lassen sich nicht gut mit Quetschverbindern oder aufgepressten Metallbeschlägen miteinander verbinden.
  • US 4059294 offenbart Teile aus hartem Kunststoff, die mit metallischen Beschlägen verbunden sind, wobei die Materialkombination nicht CFK/Titan ist. Der Beschlag wird durch eine Verzahnung mit dem Kunststoffteil verbunden. US 2014/0014651 A1 offenbart, dass Rohre aus Thermoplast durch induktives Schweißen mit Beschlägen verbunden werden können.
  • EP 275546 A1 (Airbus) offenbart das Verbinden von Titan mit CFK durch Ultraschallschweißen. WO 2014/205453 A1 offenbart das Verbinden von Metallbeschlägen mit thermoplastischen Rohren, die auch GFK-Schichten aufweisen können. WO 2005/060612 A2 offenbart das Ultraschallverschweißen von Kunststoffrohren mit Metallbeschlägen, wobei das Rohr eine innen liegende metallische Barriereschicht aufweist. US 2007/0051451 A1 offenbart ein Ultraschallschweißverfahren für Platten aus Kunststoffmaterial. DE 4444461 A1 offenbart ein kombiniertes Ultraschall- und Widerstandspressschweißverfahren für planare Werkstücke.
  • Beschreibung der Erfindung
  • Es ist ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung, Hydraulikleitungen aus Faserverbundwerkstoffen bereitzustellen und diese schnell, zuverlässig, dauerhaft und nach Möglichkeit automatisiert mit Metallbeschlägen zu verbinden. Bestimmte Faserverbundwerkstoffe erlauben es, die Rohre bei erhöhter Temperatur plastisch zu verformen. Diese Aufgaben werden gemäß Anspruch 1 und 9 gelöst. Weitere erfindungsgemäße Ausführungsformen finden sich in den Unteransprüchen.
  • Eine Ausführungsform der Erfindung ist ein System umfassend ein Rohr und wenigstens einen Beschlag, wobei das Rohr im Wesentlichen aus einem thermoplastischem Faserverbundwerkstoff und der Beschlag im Wesentlichen aus Titan oder einer Titanlegierung besteht und Rohr und Beschlag fluiddicht verbunden sind. Bevorzugt ist es, wenn das Rohr bei erhöhter Temperatur plastisch verformbar ist, bevorzugt im Temperaturbereich von 310 bis 400 °C. Weiter bevorzugt ist es, wenn der thermoplastische Faserverbundwerkstoff als Matrix im Wesentlichen Polymere auf Basis von Polyetherketonen umfasst, bevorzugt PEEK und/oder PEKK. Weiter bevorzugt ist es, wenn das Rohr beständig gegen Hydraulikflüssigkeiten ist, bevorzugt beständig gegen Hydraulikflüssigkeiten auf Basis von Phosphatestern geringer Dichte. Weiter bevorzugt ist es, wenn der thermoplastische Faserverbundwerkstoff als Verstärkungsfaser im Wesentlichen Kohlenstoffasern umfasst. Weiter bevorzugt ist es, wenn der Beschlag eine Aussparung aufweist, die die Aufnahme des Rohres erlaubt. Weiter bevorzugt ist es, wenn eine Schweißnaht Beschlag und Rohr fluiddicht verbindet. Weiter bevorzugt ist es, wenn ein solches System in einem Luft- oder Raumfahrzeug verwendet wird. Dadurch ist es möglich, leichte und berstsichere Rohrleitungen bereitzustellen, die gegen im Flugbetrieb eingesetzte Flüssigkeiten beständig sind, ohne das Klebemittel zu Einsatz kommen müssen. Weiter kann die Verbindung zwischen Beschlag und Rohr aufgrund der elektrischen Leitfähigkeit der verbundenen Materialien elektrisch auf ihre Beständigkeit hin überwacht werden. Der Schweißvorgang selbst kann ohne Verwendung von Schutzgas durchgeführt werden.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Systems umfassend die Schritte i.) Positionieren von Rohr, Beschlag und optional einer Muffe zueinander, so dass ein Teilbereich des Beschlages oder einen Teilbereich der Muffe an der Außenseite des Rohres zu liegen kommt, ii) Positionieren eines Mittels zum Stützen der Rohrwand im Inneren des Rohres, iii.) Verschweißen von Rohr und Beschlag miteinander, wobei das Verschweißen unter Verwendung eines Ultraschallschweißapparates erfolgt. Dabei ist es bevorzugt, wenn das Mittel zum Stützen der Rohrwand Teil des Beschlages ist. Dabei ist es bevorzugt, wenn der Ultraschallschweißapparat eine rotierende Sonotrode aufweist, die um die zu verschweißenden Teile herum bewegt wird oder wenn der Ultraschallschweißapparat eine Sonotrode aufweist, um die die zu verschweißenden Teile herum rotiert werden.
  • Die oben beschriebenen Aspekte und weitere Aspekte, Merkmale und Vorteile der Erfindung können ebenfalls aus den Beispielen der Ausführungsformen entnommen werden, welche im Folgenden unter Bezugnahme auf die anhängenden Zeichnungen beschrieben werden.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die 1 bis 4 stellen verschiedene Kombinationen von Beschlägen mit Rohren aus Verbundwerkstoff dar.
  • In den Figuren werden gleiche Bezugszeichen für gleiche oder zumindest ähnliche Elemente, Komponenten oder Aspekte verwendet. Es wird angemerkt, dass im Folgenden Ausführungsformen im Detail beschrieben werden, die lediglich illustrative und nicht beschränkend sind.
  • Detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen
  • 1 zeigt in einer Längsschnittdarstellung einen Beschlag (1) aus Metall, der über ein Rohr aus CFK (2) geschoben werden kann. Der Beschlag weist einen Bereich (4) auf, der einen Innendurchmesser aufweist, welcher so beschaffen ist, das das CFK-Rohr (2) in den Beschlag (1) hinein geschoben werden kann. Bevorzugt entspricht dieser Innendurchmesser dem Außendurchmesser des Rohres. Ein Ende (5) des Rohres (2) kann gegen einen Bereich (3) des Beschlages (1) stoßen, der einen geringeren Innendurchmesser aufweist als der Bereich (3) des Beschlages. Bevorzugt kann der Innendurchmesser des Bereichs (3) dem Innendurchmesser des Rohres (2) entsprechen. Um Rohr (2) und Beschlag (1) zu verschweißen wird die Sonotrode eines Ultraschallschweißgerätes auf der Oberfläche des Bereich (3) des Beschlages (1) rundum entlang geführt, so dass das Material des Rohres (2) im Beschlag (1) zum Teil aufschmilzt und nach dem Erstarren eine fluiddichte Verbindung von Rohr (2) und Beschlag (1) bildet. Dabei kann ein Gegenhalter (6) in Beschlag (1) und Rohr (2) eingeführt werden. Dadurch können bestimmte Verformungen des Rohres (2) unterbunden werden. Der Gegenhalter (6) kann nach dem Schweißvorgang wieder entfernt werden.
  • 2 zeigt in einer Längsschnittdarstellung einen Beschlag (1) aus Metall und ein Rohr aus CFK (2), die auf Stoß angeordnet sind. Eine im Wesentlichen rohrförmige Muffe (7) aus Metall kann über Rohr (2) und Beschlag (1) geschoben werden, so dass ein erster Bereich (8) der Muffe (7) das Rohr (2) rundum überlappt und ein zweiter Bereich (9) der Muffe (7) den Beschlag (1) rundum überlappt. Um Rohr (2) mit der Muffe (7) zu verschweißen wird die Sonotrode eines Ultraschallschweißgerätes auf der Oberfläche des ersten Bereich (8) der Muffe (7) rundum entlang geführt, so dass das Material des Rohres (2) innerhalb der Muffe (7) zum Teil aufschmilzt und nach dem Erstarren eine fluiddichte Verbindung von Rohr (2) und Muffe (7) bildet. Dabei wird das Schweißgerät in einem ersten Betriebszustand betrieben, der hybrides Schweißen (CFK/Metall) erlaubt. Um Beschlag (1) mit der Muffe (7) zu verschweißen wird die Sonotrode eines Ultraschallschweißgerätes auf der Oberfläche des zweiten Bereichs (9) der Muffe (7) rundum entlang geführt, so dass das Material des Beschlages (1) innerhalb der Muffe (7) zum Teil aufschmilzt und nach dem Erstarren eine fluiddichte Verbindung von Beschlag (1) und Muffe (7) bildet. Dabei wird das Schweißgerät in einem zweiten Betriebszustand betrieben, der das Verschweißen von Metallen erlaubt. Dabei kann ein Gegenhalter wie in 1 beschrieben in Beschlag (1) und Rohr (2) eingeführt werden, der nach dem Verschweißen wieder entfernt wird.
  • 3 zeigt in einer Längsschnittdarstellung einen Beschlag (10) aus Metall und ein Rohr aus CFK (2), die auf Stoß angeordnet sind. Dabei weist der Beschlag (10) einen ersten Bereich (13) und einen zweiten Bereich (14) auf, deren Außenseiten konisch sind und im Wesentlichen den gleiche Winkel zur Innenseite (12) bilden. Das Rohr (2) kann über den ersten konischen Bereich (13) des Beschlages (10) geschoben werden, bis das Rohr (2) an die Vorderkante (15) des Bereiches (14) des Beschlages (10) stößt. Dabei weitet sich der Bereich (16) des Rohres (2) konisch auf. Eine konische Muffe (11) aus Metall kann über Rohr (2) und Beschlag (10) geschoben werden, so dass ein erster Bereich (8) der Muffe (7) das Rohr (2) rundum überlappt und ein zweiter Bereich (9) der Muffe (7) den Beschlag (10) rundum überlappt. Das Verschweißen von Rohr (2) und Beschlag (10) mit Muffe (11) kann wie unter 2 dargestellt erfolgen, wobei ein Gegenhalter nicht verwendet werden muss.
  • 4 zeigt in einer Längsschnittdarstellung einen Beschlag (20) aus Metall und ein Rohr aus CFK (2). Dabei weist der Beschlag (20) einen ersten Bereich (21) und einen zweiten Bereich (22) auf, wobei der zweite Bereich eine Nut aufweist, in die das Rohr (2) hineingeschoben werden kann. Der distale Bereich (23) des Beschlages (20) kann konisch geformt sein, sowohl auf der Innen- als auch auf der Außenseite. Das Verschweißen von Rohr (2) mit Beschlag (20) kann wie unter der Beschreibung zu 1 dargestellt erfolgen. Ein Gegenhalter ist nicht erforderlich.
  • Während die Erfindung illustriert und beschrieben wurde im Detail in den Zeichnungen und der vorangegangenen Beschreibung, ist es beabsichtigt, dass derartige Illustrationen und Beschreibungen lediglich illustrativ oder exemplarisch und nicht restriktiv sind, so dass die Erfindung nicht durch die offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist. In den Ansprüchen schließt das Wort „aufweisend“ nicht andere Elemente aus und der unbestimmte Artikel „ein“ schließt eine Mehrzahl nicht aus.
  • Alleinig der Umstand, dass bestimmte Merkmale in verschiedenen abhängigen Ansprüchen genannt sind, beschränkt nicht den Gegenstand der Erfindung. Auch Kombinationen dieser Merkmale können vorteilhaft eingesetzt werden. Die Bezugszeichen in den Ansprüchen sollen nicht den Umfang der Ansprüche beschränken.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
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    • WO 2005/060612 A2 [0005]
    • US 2007/0051451 A1 [0005]
    • DE 4444461 A1 [0005]

Claims (12)

  1. System umfassend ein Rohr (2) und wenigstens einen Beschlag (1; 10; 20), wobei das Rohr im Wesentlichen aus einem thermoplastischem Faserverbundwerkstoff und der Beschlag im Wesentlichen aus Titan oder einer Titanlegierung besteht und Rohr und Beschlag fluiddicht verbunden sind.
  2. System nach Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr bei erhöhter Temperatur plastisch verformbar ist.
  3. System nach einem der Patentansprüche 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass der thermoplastische Faserverbundwerkstoff als Matrix im Wesentlichen Polymere auf Basis von Polyetherketonen umfasst, bevorzugt PEEK und/oder PEKK.
  4. System nach einem der Patentansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass Rohr beständig gegen Hydraulikflüssigkeiten ist, bevorzugt beständig gegen Hydraulikflüssigkeiten auf Basis von Phosphatestern geringer Dichte ist.
  5. System nach einem der Patentansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass der thermoplastische Faserverbundwerkstoff als Verstärkungsfaser im Wesentlichen Kohlenstoffasern umfasst.
  6. System nach einem der Patentansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass der Beschlag (1; 10; 20) eine Aussparung (4; 7; 11; 22) aufweist, die die Aufnahme des Rohres erlaubt.
  7. System nach einem der Patentansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass eine Schweißnaht Beschlag und Rohre fluiddicht verbindet.
  8. System nach einem der Patentansprüche 1 bis 7 in einem Luft- oder Raumfahrzeug.
  9. Verfahren zum Herstellen eines Systems nach einem der Patentansprüche 1 bis 8 umfassend die Schritte a) Positionieren von Rohr (2), Beschlag (1; 10; 20) und optional einer Muffe (7; 11) zueinander, so dass ein Teilbereich (4; 22) des Beschlages oder einen Teilbereich (8; 11) der Muffe an der Außenseite des Rohres zu liegen kommt, b) Positionieren eines Mittels (6; 13; 23) zum Stützen der Rohrwand im Inneren des Rohres, c) Verschweißen von Rohr und Beschlag miteinander, wobei das Verschweißen unter Verwendung eines Ultraschallschweißapparates erfolgt.
  10. Verfahren nach Patentanspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (13; 23) zum Stützen der Rohrwand Teil des Beschlages ist.
  11. Verfahren nach Patentanspruch 9 oder 10 dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallschweißapparat eine rotierende Sonotrode aufweist, die um die zu verschweißenden Teile herum bewegt wird.
  12. Verfahren nach Patentanspruch 9 oder 10 dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallschweißapparat eine Sonotrode aufweist, um die die zu verschweißenden Teile herum rotiert werden.
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