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Die
Erfindung betrifft die Gestaltung sowie die Herstellung von Krafteinleitungsstellen
in Kernverbunden mit im Bereich der Einleitungsstelle in Dickenrichtung
des Kernverbundes durchsetzenden Armierungselementen nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Die
Erfindung eignet sich zur Einleitung von Kräften und Momenten in Kernverbund-Strukturen. Die Kernverbund-Struktur
kann vorzugsweise aus Faser-Kunststoff-Verbund mit Deckschichten aus textilen
Halbzeugen (1 und 3, z.B. Gewebe, Gelege, Matten,
etc.), einem Kernmaterial (2, z.B. polymerer Schaumstoff)
und einem polymeren Matrixwerkstoff (Thermo- oder Duroplast) bestehen.
Kernverbunde sind schichtweise aufgebaute Strukturen, die aus relativ
dünnen
oberen (1) und unteren Deckschichten (3) sowie
aus einer relativ dicken Kernschicht (2) niedriger Rohdichte
bestehen. Aufgrund der vergleichsweise dünnen Deckschichten und des
zug- und druckweichen Kernwerkstoffes reagieren Kernverbund-Strukturen
grundsätzlich
empfindlich auf örtlich
eingeleitete Kräfte
bzw. Momentbelastungen. Daher muss die Krafteinleitung in Kernverbund-Strukturen
beanspruchungs-, werkstoff- und fertigungsgerecht ausgeführt werden.
Der an der Krafteinleitungsstelle herrschende, mehraxiale Beanspruchungszustand
kann nicht mehr von den ausschließlich auf Membranbelastungen
(Zug, Druck, Schub) ausgelegten Deckschichten ertragen werden. Die
hierdurch erforderlichen konstruktiven Maßnahmen an der Krafteinleitungsstelle
hängen
von Ort und Richtung der Kräfte
und von der Zusammensetzung der einwirkenden Kräfte ab. Die Krafteinleitung
hat in der Regel so zu erfolgen, dass keine örtlichen Instabilitäten (z.B.
Beulen oder Knittern der Deckschichten) auftreten, die Kernschicht
und die Deckschichten nicht beschädigt werden und sich das Krafteinleitungselement
von der Kernverbund-Struktur nicht löst. Dies setzt eine möglichst
großflächige und gleichmäßige Verteilung
der eingeleiteten Kräfte
und Momente in die Kernverbund-Struktur voraus. Somit ist allen
konstruktiven Maßnahmen
zur Einleitung von Kräften
in Sandwich-Strukturen gemein, dass sie eine Herabsetzung des örtlichen
Spannungsniveaus durch die Vergrößerung von
Krafteinleitungs- und Querschnittsflächen bewirken. Außerdem muss
in einigen Anwendungsfällen
der druckweiche Kernwerkstoff im Bereich der Krafteinleitungsstelle
durch ein druckfestes Ma terial ersetzt werden, so dass z.B. die Vorspannkräfte von
Schraubverbindungen ertragen werden können.
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Zur
Einleitung von Kräften
und Momenten in Kernverbunden können
zusätzliche
aufgebrachte (sogenannte Onserts) oder eingebrachte Krafteinleitungselemente
(sogenannte Inserts) eingesetzt werden. Außerdem besteht die Möglichkeit,
den Kernwerkstoff im Bereich der Krafteinleitungsstelle zu entfernen
und beide Deckschichten zusammenzuführen, so dass ein monolithischer
Bereich aus Faser-Kunststoff-Verbund
vorliegt und keine zusätzlichen
Krafteinleitungselemente benötigt
werden. Als weitere Krafteinleitungskonzepte für Kernverbund-Strukturen können selbstschneidende
Schrauben oder Schraubeinsätze
sowie Nietverbindungen Anwendung finden, die allerdings nur geringe
Kräfte oder
Momente übertragen
können.
Krafteinleitungsstellen sind immer dann notwendig, wenn Kräfte und Momente
in eine Struktur eingeleitet bzw. aus einer Struktur ausgeleitet
werden sollen und Bauteile miteinander verbunden werden sollen.
Kernverbund-Strukturen aus Faser-Kunststoff-Verbund finden z.B. in der Luft- und
Raumfahrt, im Schienen- und Kraftfahrzeugbau wie im Schiffsbau häufig Anwendung.
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Alle
bekannten aufgebrachten Krafteinleitungselemente (Onserts) für Kernverbund-Strukturen aus Faser-Kunststoff-Verbund
werden auf eine der beiden Deckschichten stoffschlüssig verbunden.
Alle Lösungen
dieses Krafteinleitungskonzepts haben folgende Nachteile gemein.
Beide Deckschichten werden stark unterschiedlich belastet, d.h.
die Deckschicht mit dem aufgebrachten Onsert wird im Vergleich zur
gegenüberliegenden
Deckschicht deutlich höher
beansprucht. Dadurch kann es zur Delamination zwischen dem Onsert
und der Deckschicht bzw. zwischen den Deckschichten und der Kernschicht kommen.
Weiterhin wird der zug- und druckweiche Kernwerkstoff unterhalb
des Onserts nicht ausreichend verstärkt, so dass der Kernwerkstoff
hohen Belastungen ausgesetzt ist und der Kernwerkstoff versagen
kann. Um ein Versagen der Kernschicht unterhalb des Onserts zu vermeiden,
wird bei einigen Lösungen
der Kernwerkstoff vollständig
im Bereich der Krafteinleitungsstelle durch ein anderes Material mit
höheren
mechanischen Eigenschaften substituiert.
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Alle
bekannten zusätzlich
eingebrachten Krafteinleitungselemente (Inserts) werden mit der Kernverbund-Struktur
stoffschlüssig
verbunden. Hierbei können
die Inserts innerhalb der Deckschichten, zwischen Deck- und Kernschicht
oder im Kernwerkstoff platziert werden. Aufgrund der rein stoffschlüssigen Verbindung
können
sich die In serts infolge von örtlich
angreifenden Kräften
oder einer Momentbelastung von der gesamten Kernverbund-Struktur
durch Versagen der Klebeverbindung lösen, wodurch ein Totalversagen
der Krafteinleitung bzw. eine Delamination zwischen den Deckschichten und
der Kernschicht auftreten kann.
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Alle
bekannten Krafteinleitungskonzepte für Kernverbund-Strukturen ohne
zusätzliche
Krafteinleitungselemente haben gemein, dass im Bereich der Krafteinleitungsstelle
der Kernwerkstoff zunächst entfernt
oder gestaucht wird und die beiden Deckschichten zusammengeführt werden,
so dass ein monolithischer Bereich aus Einzelverstärkungslagen aus
Faser-Kunststoff-Verbund vorliegt. Anschließend kann eine Bolzenverbindung
in den monolithischen Bereich angebracht werden. Hierbei kommt es
bei allen bekannten Lösungen
im Bereich der Zusammenführung
zum Versagen der Deckschichten oder außerhalb des Bereichs der Zusammenführung zum Kernversagen
oder zur Delamination zwischen den Deckschichten und der Kernschicht,
da diese Bereiche keine zusätzliche
kraft- und formschlüssige
Verstärkung
der Kernverbund-Struktur in Dickenrichtung der Kernverbund-Struktur
aufweisen.
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In
den Schriften
DE 100
02 281 A1 und
EP
1 106 341 A2 werden Möglichkeiten
eines Krafteinleitungskonzeptes für Kernverbund-Strukturen ohne zusätzliches
Krafteinleitungselement durch Zusammenführen der Deckschichten offenbart.
Bei diesen Erfindungen erfolgt jedoch keine kraft- und formschlüssige Verstärkung der
Kernverbund-Struktur inner- oder außerhalb des Bereichs der Deckschichtzusammenführung, so
dass weder der Widerstand gegen Delamination (Schälfestigkeit)
zwischen den Deckschichten und der Kernschicht verbessert werden
kann noch die Kernschicht eine Armierung aufweist. Somit kann mit
diesen beiden offenbarten Möglichkeiten
das typische Versagensverhalten, Delamination zwischen den Deckschichten
und der Kernschicht und Kernversagen im Bereich der Krafteinleitungsstelle,
nicht verbessert werden.
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In
der Schrift
US 005741574A wird
eine Möglichkeit
offenbart, wie eine Bolzenverbindung mit Hilfe einer in den Kern
eingebrachten Faserverstärkungsstruktur
verstärkt
werden kann. Diese Erfindung beruht darauf, dass zunächst Faserfäden in den
kompletten Kernwerkstoff eingebracht werden. Anschließend werden
die textilen Deckschichten auf den Kernwerkstoff aufgebracht und
mit Druck beaufschlagt, so dass der Kernwerkstoff gestaucht wird und
die Fäden
in die Deckschichten eindringen können. Danach erfolgt die Imprägnierung
der Kernverbund-Struktur mit einem flüssigen duromeren Harzsystem.
Daran schließt
sich der Aushärteprozess
des Harzsystems an. In die ausgehärtete Kernverbund-Struktur
wird ein Durchgangsloch für
die Bolzenverbindung eingebracht. Die Faserfäden im Kernwerkstoff sollen
hierbei die Vorspannkräfte
der Schraubverbindung aufnehmen und die Neigung zur Delamination
zwischen den Deckschichten und der Kernschicht im Bereich der Krafteinleitungsstelle
verhindern. Bei dieser Erfindung kommt es im Krafteinleitungsbereich
nur zu einer stoffschlüssigen
und nicht zu einer kraft- und formschlüssigen Verbindung zwischen
den Faserfäden
und der gesamten Kernverbund-Struktur, wodurch der Widerstand gegen Delamination
zwischen den Deckschichten und der Kernschicht im Vergleich zu einer
kraft- und formschlüssigen
Verbindung nur geringfügig
gesteigert wird. Weiterer Nachteil dieser Erfindung ist, dass der komplette
Kernwerkstoff der Kernverbund-Struktur Nähfäden aufweist. Dadurch erfährt die
Krafteinleitungsstelle im Vergleich zur restlichen Kernverbund-Struktur
keine notwendige und zusätzliche
Armierung, so dass die ungestörte
Kernverbund-Struktur und die Krafteinleitungsstelle stark unterschiedlich
belastet sind und das Leichtbaupotential von Kernverbund-Strukturen
nicht vollständig
ausgeschöpft
wird. Des Weiteren liegt der Kernwerkstoff im Bereich der Durchgangsbohrung
offen vor, wodurch flüssige
oder gasförmige
Medien in den Kernwerkstoff eindringen können. Diese eingedrungenen
Medien können
die Eigenschaften des Kernwerkstoffs negativ verändern und sogar ein Versagen
auslösen.
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In
der Schrift
DE 198
34 772 C2 wird eine Möglichkeit
der Anbindung von zusätzlich
eingesetzten Krafteinleitungselementen (Inserts) mit einer aus Einzelverstärkungslagen
bestehenden Faserverstärkungsstruktur
offenbart. Hierbei wird das Insert zwischen die Einzelverstärkungslagen
platziert und mit Hilfe von Nähfäden in Dickenrichtung
der Faserverstärkungsstruktur
vernäht.
Die offenbarte Lösung
zur Anbindung von Inserts in monolithische Faserverstärkungsstrukturen
bestehend aus Einzelverstärkungslagen
könnte
auch bei Kernverbund-Strukturen Anwendung finden. Hierbei würde das
Insert zwischen die Einzelverstärkungslagen
einer der beiden Deckschichten eingebracht und mit Hilfe von Nähfäden vernäht werden.
Anschließend
würde sowohl
die Deckschicht einschließlich
dem vernähten
Insert als auch die andere Deckschicht auf die Kernschicht aufgebracht
werden. Mit Hilfe eines Flüssigimprägnierverfahrens
könnten
die Deckschichten mit einem polymeren Matrixwerkstoff getränkt und
die Klebeverbindung zwischen den Deckschichten und der Kernschicht
erzeugt werden, so dass eine Kernverbund-Struktur aus Faser-Kunststoff- Verbund vorliegt. Die
Anwendung der offenbarte Erfindung auf Kernverbund-Strukturen würde nur
eine mit Hilfe von Nähfäden erzeugte
kraft- und formschlüssige
Verbindung zwischen Insert und einer Deckschicht bewirken. Dadurch
kann im Bereich der Krafteinleitungsstelle weder der Widerstand
gegen Delamination zwischen den Deckschichten und der Kernschicht
erhöht
werden noch der zug- und druckweiche Kernwerkstoff verstärkt werden,
wodurch beide typische Versagensformen von Kernverbund-Strukturen
nicht verbessert werden können.
Weitere Nachteil dieser Erfindung ist, dass bei Einleitung von Kräften und
Momenten in das Insert die Deckschicht, in der sich das Insert befindet,
deutlich höher
beansprucht wird als die andere Deckschicht, wodurch das Leichtbaupotential
von Kernverbunden nicht vollständig
ausgeschöpft
werden kann. Außerdem
muss der Kraftfluss von einer Deckschicht zu anderen über den
Kernwerkstoff, der im Vergleich zum Werkstoff der Deckschichten
geringe mechanische Eigenschaften aufweist und die Schwachstelle
in der Kernverbund-Struktur darstellt, erfolgen. Dadurch kann der Kernwerkstoff
sehr hoch beansprucht und Kernversagen ausgelöst werden. Somit werden die
Festigkeit und Steifigkeit dieser Krafteinleitung bzw. der gesamten
Kernverbund-Struktur hauptsächlich
durch die geringen mechanischen Eigenschaften des Kernwerkstoffs
beeinflusst.
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Alle
bisher bekannten Krafteinleitungskonzepte für Kernverbund-Strukturen haben
gemeinsam, dass die Kernverbund-Struktur im Bereich der Krafteinleitungsstelle
unzureichend verstärkt
wird, wodurch Kernversagen infolge zu hoher Zug-, Druck- oder Schubspannungen
sowie Delamination zwischen den Deckschichten und der Kernschicht
auftreten können.
Des Weiteren erfolgt bei allen bekannten Lösungen von zusätzlich aufgebrachten
bzw. eingebrachten Krafteinleitungselementen keine kraft- und formschlüssige Anbindung
der Elemente mit der gesamten Kernverbund-Struktur. Dadurch kann weder ein Ablösen des
Krafteinleitungselementes von der Kernverbund-Struktur noch die
Delamination zwischen den Deckschichten und der Kernschicht bzw. zwischen
dem Krafteinleitungselement und der Deckschicht nicht verhindert
werden.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die mechanischen Eigenschaften
der Krafteinleitungsstelle in Kernverbunden durch Einbringen von Armierungselementen
in Dickenrichtung der Kernverbund-Struktur (z-Richtung) zu verbessern
(1a und 1b).
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Diese
Aufgabe wird dadurch gelöst,
dass im Bereich der Krafteinleitungsstelle in Kernverbunden die
Deckschichten des Kernverbundes zusammengeführt sind und/oder ein Krafteinleitungselement
angeordnet ist, und ferner an der Einleitungsstelle eine Armierung
der Kernverbund-Struktur mit in Dickenrichtung des Kernverbundes
durchsetzenden Armierungselementen vorgesehen ist. Durch die Armierungselemente
sind im Bereich der Krafteinleitungsstelle die obere Deckschicht,
die Kernschicht und die untere Deckschicht kraft- und formschlüssig verbunden.
Des Weiteren kann das Krafteinleitungselement mit Hilfe der Armierungselemente
mit dem Kernverbund befestigt werden. Als Armierungslemente können vorzugsweise
textile Armierungsstrukturen (4, z.B. Nähfäden, Faserbündel, Rovings, etc.) verwendet
werden. Diese Erfindung betrifft Kernverbunde mit Deckschichten
(1 und 3), vorzugsweise aus textilen Halbzeugen
(z.B. Gewebe, Gelege, Gestricke, Matten, etc.), und mit einer Kernschicht
(2), vorzugsweise aus polymerem Hartschaumstoff, und ggf.
mit einem Matrixwerkstoff, vorzugsweise aus polymerem Material (Thermoplast,
Duroplast). Die Kernverbund-Struktur kann in einem der zahlreichen
Liquid Composite Moulding (LCM) Verfahren (z.B. Harzinjektions-
bzw. Harzinfiltrationsverfahren) hergestellt werden. Diese Art von
Kernverbund-Strukturen werden vor der Imprägnierung durch den polymeren
Matrixwerkstoff im Krafteinleitungsbereich mit Hilfe einer textilen
Armierungsstruktur in Dickenrichtung verstärkt. Die Herstellung dieser
armierten Krafteinleitungsstellen kann z.B. mit der industriellen
Nähtechnik
erfolgen. Das Einbringen der Armierungsstruktur, vorzugsweise Nähfäden, in
Dickenrichtung des Kernverbundes kann z.B. mit einer Nähnadel geschehen. Die
Nähnadel
sticht hierbei in die gesamte Kernverbund-Struktur und hinterlässt bei
einem Kernwerkstoff aus polymerem Hartschaumstoff ein Durchgangsloch
einschließlich
der Armierungsstruktur. Hierbei muss die Querschnittsfläche des
Durchgangslochs im Vergleich zur Querschnittsfläche der Armierungsstruktur
ausreichend groß sein,
damit die Armierungsstruktur mit dem polymeren Matrixwerkstoff getränkt und
an die Kernschicht stoffschlüssig verbunden
werden kann. Die Armierungselemente können einen von 0° zur z-Achse
abweichenden Winkel innerhalb einer xz- oder yz-Ebene in Dickenrichtung
der Kernverbund-Struktur aufweisen (1a und 1b),
z.B. empfiehlt sich bei schubdominierender Belastung ein Winkel
von +/– 45° zwischen
der x- und z-Achse
und/oder zwischen der y- und z-Achse. Nach dem die Krafteinleitungsstelle und
die gesamte Kernverbund-Struktur vollständig mit der Armierungsstruktur
verstärkt
ist, werden die textilen Deckschichten und das Durchgangsloch einschließlich der
Armierungsstruktur in einem LCM-Verfahren mit dem polymeren Matrixwerkstoff imprägniert,
wobei gleichzeitig die stoffschlüssige Anbindung
des Kernwerkstoffes mit den Deckschichten erfolgt. Nach abgeschlossener
Aushärtung
der Kernverbund-Struktur stellt die mit dem polymeren Matrixwerkstoff
getränkte
textile Armierungsstruktur unidirektionale, faserverstärkte Zug/Druck-Stäbe innerhalb
des Kernwerkstoffes dar, die eine Verstärkung der Krafteinleitungsstelle,
des Kernwerkstoffs und des gesamten Kernverbundes bewirken. Die
Armierungsstruktur hat hierbei die Aufgabe die Schälfestigkeit
zwischen dem Krafteinleitungselement und der Kernverbund-Struktur
bzw. zwischen den Deckschichten und der Kernschicht zu erhöhen, ein
Ablösen
des Krafteinleitungselementes von der Kernverbund-Struktur zu verhindern
und die mechanischen Eigenschaften des Kernmaterials (Festigkeits-
und Steifigkeitskennwerte in Dickenrichtung) zu verbessern. Durch
die textile Armierungsstruktur kann ein vorhandener Riss im Grenzbereich
von Deck- und Kernschicht
gestoppt bzw. umgelenkt werden. Dadurch kann das Fail-Safe-Verhalten von Krafteinleitungen
für Kernverbunde
verbessert werden. Durch das Einbringen einer textilen Armierungsstruktur
in Dickenrichtung der Kernverbund-Struktur im Bereich der Krafteinleitungsstelle
können
im Vergleich zu den bekannten konventionellen Krafteinleitungskonzepten
die Druck- und Zugfestigkeit senkrecht zur Kernverbund-Ebene, die
Druck- und Zugsteifigkeit senkrecht zur Kernverbund-Ebene, die Druckfestigkeit
in Kernverbund-Ebene, die Schubfestigkeit und -steifigkeit sowie
die Schälfestigkeit
zwischen den Deckschichten und der Kernschicht bzw. zwischen dem Krafteinleitungselement
und den Deckschichten erhöht
werden. Weiterhin kann das Versagensverhalten durch die erhöhte Schälfestigkeit
und durch die „Rissstopp-Funktion" der einzelnen Armierungselemente
verbessert werden, so dass eine schlagartige Zerstörung der
Krafteinleitung verhindert werden kann und somit sogenanntes Fail-Safe-Verhalten vorliegt.
Mit Hilfe der industriellen Nähtechnologie können die
Krafteinleitungselemente positionstreu mit der Kernverbund-Struktur
verbunden werden. Über
das Einbringen und Vorhandensein einer gewissen Anzahl von Armierungselementen
kann die Qualitätssicherung
von Krafteinleitungsstellen in Kernverbunden gewährleistet werden.
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Ein
weiterer Vorteil dieser Erfindung besteht darin, dass die Armierungselemente über die
Krafteinleitungsstelle hinaus in die Krafteinleitungsstelle umgebende
Kernverbund-Struktur hineinreichen können, wodurch höhere Kräfte und
Momente in die Kernverbund-Struktur eingeleiten werden können.
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Um
keine zusätzlichen
Krafteinleitungselemente, die das Gewicht der Kernverbund-Struktur nachteilig
beeinflussen, zu benötigen,
kann das Kernmaterial im Bereich der Krafteinleitungsstelle entfernt
bzw. gestaucht, wodurch die Zusammenführung der Deckschichten ermöglicht wird.
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Ein
weiterer Vorteil kann dadurch realisiert werden, dass das Krafteinleitungselement
einen oder mehrere Flansche aufweist, wodurch die Kräfte und Momente über eine
größere Fläche in die
Kernverbund-Struktur eingeleitet werden können.
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Damit
das Krafteinleitungselement im Bereich der Krafteinleitungsstelle
mit der gesamten Kernverbund-Struktur kraft- und formschlüssig verbunden
werden kann, weist das Krafteinleitungselement Löcher zur Aufnahme der Armierungselemente auf.
Dadurch kann ein Ablösen
des Krafteinleitungselementes verhindert werden und die Schälfestigkeit zwischen
dem Krafteinleitungselement und der Kernverbund-Struktur erhöht werden.
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Muss
aufgrund der technischen Anforderungen an das Kernverbund-Bauteil
(z.B. Schiffsrumpf im Schiffsbau) die Durchdringung mindestens einer Deckschicht
des Kernverbundes vermieden werden, kann das Krafteinleitungselement
(sogenanntes Onsert) auf einer der beiden oder auf beiden Deckschichten
angeordnet werden.
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Um
höhere
Kräfte
und Momente in die Kernverbund-Struktur einleiten zu können, kann
das Krafteinleitungselement (sogenanntes Insert) auch innerhalb
einer der beiden oder innerhalb beider Deckschichten angeordnet
werden. Des Weiteren kann das Krafteinleitungselement zwischen den
beiden Deckschichten platziert werden, wodurch teilweise oder der
gesamte Kernwerkstoff durchsetzt ist.
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Ein
weiterer Vorteil kann durch die anwendungsbezogene geometrische
und konstruktive Gestaltung des Krafteinleitungselementes erreicht
werden, indem das Krafteinleitungselement einen oder mehrere an
der Deckschicht oder an den Deckschichten anliegende Ansätze aufweist,
wodurch die Einleitung der Kräfte
und Momente infolge des größeren Hebelarms
verbessert werden kann.
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Mit
dieser Erfindung besteht für
eine Art der Krafteinleitungsstelle in Kernverbunden die Möglichkeit
der Armierung darin, dass das Kernmaterial im Bereich der Krafteinleitungsstelle
entfernt bzw. gestaucht wird und beide Deckschichten zusammengeführt werden,
so dass ein monolithischer Bereich aus Faser-Kunststoff-Verbund
vor liegt. Hierbei wird die obere Deckschicht (1) mit der
unteren Deckschicht (3) im Bereich der Krafteinleitungsstelle
(5) mit Hilfe einer Nähtechnik
in Dickenrichtung der Kernverbund-Struktur eingebrachten durchsetzenden
Armierungselemente (4) verbunden (1a und 1b). Des
weiteren können
die Armierungselemente (4) über die Krafteinleitungsstelle
hinaus (6) in die Krafteinleitungsstelle umgebende Kernverbund-Struktur hineinreichen,
um höhere
Kräfte
und Momente aufzunehmen bzw. die mechanischen Eigenschaften zu verbessern
(1c). Die armierte Krafteinleitung ohne Krafteinleitungselement
für Kernverbunde
mit Deckschichten aus textilen Halbzeugen (1 und 3),
einem Kernmaterial (2) und polymerem Matrixwerkstoff kann
in einem der zahlreichen LCM-Verfahren hergestellt werden. In einem
der Einbringung des polymeren Matrixwerkstoffs vorgeschalteten Arbeitsschritt wird
zunächst
das Kernmaterial im Bereich der Krafteinleitungsstelle entfernt
bzw. gestaucht. Anschließend
werden die beiden Deckschichten zusammengeführt und die obere Deckschicht
(1), das Kernmaterial (2) und die untere Deckschicht
(3) im Bereich der Krafteinleitung (5) und ggf.
darüber
hinaus (6) mit einer textilen Armierungsstruktur (4)
in Dickenrichtung der Kernverbund-Struktur mit Hilfe der Nähtechnik
miteinander vernäht.
Danach wird die Kernverbund-Struktur einschließlich der textilen Armierungsstruktur
in einem LCM-Verfahren (z.B. Harzinjektions- bzw. Harzinfiltrationsverfahren)
mit einem polymeren Matrixwerkstoff (Duro- oder Thermoplast) imprägniert und
ausgehärtet.
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Zur
Einleitung von Kräften
und Momenten kann auch ein auf die Kernverbund-Struktur aufgebrachtes Krafteinleitungselement
(Onsert, 7) verwendet werden (2a und 2b).
Das Onsert wird auf eine der beiden (2a bis 2f)
oder auf beide Deckschichten (2g) aufgebracht
und mit der gesamten Kernverbund-Struktur im Bereich der Krafteinleitungsstelle
mit Hilfe von Armierungselementen (4) in Dickenrichtung
der Kernverbund-Struktur verbunden. Zur Aufnahme der Armierungselemente
weist das Onsert Löcher
(8) auf. Das Onsert kann einen seitlich abstehenden Flansch
(9) aufweisen (2c), der
auf der oberen (1) oder der unteren Deckschicht (3)
angeordnet ist, und ebenfalls Löcher (8)
zur Aufnahme der Armierungselemente aufweist. Zur besseren Einleitung
der Kräfte
und Momente können
die Armierungselemente (4) in Dickenrichtung der Kernverbund-Struktur über das
Onserts bzw. den Flansch des Onserts hinaus (10) in die Kernverbund-Struktur
eingebracht werden (2d). Weiterhin kann der Flansch
des Onserts zur besseren Kraft- und Momenteinleitung in die Kernverbund-Struktur
einen oder mehrere Ansätze
(11) aufweisen (2e und 2f).
Das Onsert (7) und die Kernverbund-Struktur werden in einem
der Einbringung des polymeren Matrixwerkstoffs vorgeschalteten Arbeitsschritt
im Bereich der Krafteinleitungsstelle mit einer textilen Armierungsstruktur
(4) in Dickenrichtung der Kernverbund-Struktur mit Hilfe
einer industriellen Nähtechnik
miteinander vernäht.
Anschließend
erfolgt die Imprägnierung
und Aushärtung der
Deckschichten, der Kernschicht und der textilen Armierungsstruktur
mit einem polymeren Werkstoff in einem LCM-Verfahren.
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Krafteinleitungsstellen
mit in die Kernverbund-Struktur eingebrachtem Krafteinleitungselement
(Insert, 12) können
dadurch verstärkt
werden, dass die obere Deckschicht (1), das Kernmaterial
(2) und die untere Deckschicht (3) außerhalb
des Bereichs des Inserts mit Armierungselemente (4) in
Dickenrichtung der Kernverbund-Struktur
miteinander verbunden werden (3a und 3b).
Das Verfahren zur Herstellung von Krafteinleitungsstellen mit eingebrachtem
Krafteinleitungselement (12) für Kernverbunde mit Deckschichten
aus textilen Halbzeugen (1 und 3), einem Kernmaterial
(2) und polymerem Matrixwerkstoff sieht vor, dass in einem
der Einbringung des polymeren Matrixwerkstoffs vorgeschalteten Arbeitsschritt
die obere Deckschicht (1), das Kernmaterial (2)
und die untere Deckschicht (3) außerhalb der Krafteinleitungsstelle
mit Hilfe einer Nähtechnik
in Dickenrichtung der Kernverbund-Struktur eingebrachten textilen Armierungsstruktur
(4) miteinander vernäht
werden. Nach der Einbringung der Armierungsstruktur erfolgt die
Imprägnierung
und Aushärtung
der Kernverbund-Struktur mit einem polymeren Werkstoff in einem
der möglichen
LCM-Verfahren.
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Das
Insert (12) kann auch mit der Kernverbund-Struktur mit
Hilfe von Armierungselementen (4) in Dickenrichtung der
Kernverbund-Struktur verbunden werden (4a und 4b).
Hierzu weist das Insert Löcher
(13) zur Aufnahme der Armierungselemente auf. Weiterhin
kann das Insert einen (4c) seitlich abstehenden Flansch
(14) aufweisen, der sich innerhalb einer Deckschicht (1 oder 3),
in der Kernschicht (2, 4c) oder
zwischen der Deck- und Kernschicht befinden kann, und Löcher (13)
zur Aufnahme einer textilen Armierungsstruktur aufweist. Das Insert
kann auch zwei seitlich abstehende und auf Abstand gehaltene Flansche
(14) aufweisen (4d),
die innerhalb beider Deckschichten (1 und 3),
in der Kernschicht (2, 4d) oder
zwischen den Deckschichten (1 und 3) und der Kernschicht
(2) angeordnet sein können,
und Löcher
(13) zur Aufnahme der Armierungselemente aufweisen. Zur
besseren Einleitung der Kräfte
und Momente können
die Armierungselemente (4) in Di ckenrichtung der Kernverbund-Struktur über das
Insert (12) bzw. den Flansch (14) des Inserts
hinaus (15) in die Kernverbund-Struktur eingebracht werden
(4e).
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Der
Flansch des Inserts kann zur besseren Kraft- und Momenteinleitung
in die Kernverbund-Struktur einen oder mehrere Ansätze (16)
aufweisen (4f und 4g).
Das Verfahren zur Herstellung von Krafteinleitungsstellen mit eingebrachten
Krafteinleitungselementen (12) für Kernverbunde mit Deckschichten
aus textilen Halbzeugen (1 und 3), einem Kernmaterial
(2) und polymerem Matrixwerkstoff sieht vor, dass in einem
der Einbringung des polymeren Matrixwerkstoffs vorgeschalteten Arbeitsschritt
die Inserts mit der Kernverbund-Struktur mit Hilfe der Nähtechnik
in Dickenrichtung der Kernverbund-Struktur eingebrachten textilen
Armierungsstruktur (4) vernäht werden. Nach dem Einbringen der
Armierungsstruktur erfolgt die Imprägnierung und Aushärtung der
Kernverbund-Struktur einschließlich der
Armierungsstruktur und dem Insert mit einem polymeren Werkstoff
in einem LCM-Verfahren.
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Die
Erfindung ist anhand von 13 Ausführungsbeispielen
erläutert.
Es zeigen:
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1a zeigt
die Untersicht eines ersten Ausführungsbeispiels
mit einer Krafteinleitungsstelle in Kernverbunden mit zusammengeführten Deckschichten
(1 und 3), einem im Krafteinleitungsbereich entferntem
Kernmaterial (2) und mit im Bereich der Krafteinleitungsstelle
(5) in Dickenrichtung des Kernverbundes durchsetzenden
Armierungselementen (4).
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1b zeigt
die Schnittdarstellung nach Linie A-A der 1a.
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1c zeigt
die Schnittdarstellung nach Linie A-A der 1a mit
einer zweiten Variante zur Ausführung
der Armierungselemente, wobei die Armierungselemente (4) über die
Krafteinleitungsstelle hinaus (6) in die Krafteinleitungsstelle
umgebende Kernverbund-Struktur hineinreichen.
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2a zeigt
die Draufsicht eines dritten Ausführungsbeispiels mit einem auf
die obere (1) Deckschicht der Kernverbund-Struktur aufgesetzten
Krafteinleitungselement (7, Onsert), wobei das Onsert mit der
gesamten Kernverbund-Struktur im Bereich der Krafteinleitungsstelle
mit Armierungselementen (4) in Dickenrichtung der Kernverbund-Struktur
verbunden ist und Löcher
(8) zur Aufnahme der Armierungselemente (4) aufweist.
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2b zeigt
die Schnittdarstellung nach Linie B-B der 2a.
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2c zeigt
die Schnittdarstellung nach Linie B-B der 2a mit
einer weiteren Variante zur Gestaltung des Onserts, wobei das Onsert
einen seitlich abstehenden Flansch (9) aufweist (2b),
der auf der oberen Deckschicht (1) angeordnet ist, und ebenfalls
Löcher
(8) zur Aufnahme der Armierungselemente aufweist.
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2d zeigt
die Schnittdarstellung nach Linie B-B der 2a mit
einer weiteren Variante zur Ausführung
der Armierungselemente, wobei die Armierungselemente (4) über die
Krafteinleitungsstelle hinaus (10) in die Krafteinleitungsstelle
umgebende Kernverbund-Struktur hineinreichen.
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2e zeigt
die Draufsicht eines sechsten Ausführungsbeispiels mit einem auf
die obere Deckschicht der Kernverbund-Struktur aufgesetzten Krafteinleitungselement
(7, Onsert), das zur besseren Kraft- und Momenteinleitung
in die Kernverbund-Struktur
einen Ansatz (11) aufweist.
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2f zeigt
die Schnittdarstellung nach Linie C-C der 2e.
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2g zeigt
die Draufsicht eines siebten Ausführungsbeispiels mit zwei auf
die obere (1) und untere Deckschicht (3) der Kernverbund-Struktur
aufgesetzten Krafteinleitungselementen (7, Onsert), wobei
die beiden Onserts mit der gesamten Kernverbund-Struktur im Bereich
der Krafteinleitungsstelle mit Armierungselementen (4)
in Dickenrichtung der Kernverbund-Struktur verbunden sind und Löcher (8) zur
Aufnahme der Armierungselemente (4) aufweisen.
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2h zeigt
die Schnittdarstellung nach Linie D-D der 2g.
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3a zeigt
die Draufsicht eines achten Ausführungsbeispiels
mit einem in die Kernverbund-Struktur eingesetzten Krafteinleitungselement (12,
Insert), wobei das Insert zwischen den beiden Deckschichten (1 und 3)
innerhalb des Kernmaterials (2) der Kernverbund-Struktur
angeordnet ist und die obere Deckschicht (1), das Kernmaterial
(2) und die untere Deckschicht (3) außerhalb
des Bereichs des Inserts mit Armierungselementen (4) in
Dickenrichtung der Kernverbund-Struktur miteinander verbunden sind.
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3b zeigt
die Schnittdarstellung nach Linie E-E der 3a.
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4a zeigt
die Draufsicht eines neunten Ausführungsbeispiels mit einem in
die Kernverbund-Struktur eingesetzten Krafteinleitungselement (12,
Insert), wobei das Insert zwischen den beiden Deckschichten (1 und 3)
innerhalb des Kernmaterials (2) der Kernverbund-Struktur
angeordnet ist, Löcher (13)
zur Aufnahme der Armierungs elemente (4) aufweist und mit
der Kernverbund-Struktur mit Hilfe der Armierungselemente in Dickenrichtung
der Kernverbund-Struktur verbunden ist.
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4b zeigt
die Schnittdarstellung nach Linie F-F der 4a.
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4c zeigt
die Schnittdarstellung nach Linie F-F der 4a mit
einer weiteren Variante zur Gestaltung des Inserts, wobei das Insert
einen seitlich abstehenden Flansch (14) aufweist, der an
der oberen Deckschicht (1) anliegt, Löcher (13) zur Aufnahme
der Armierungselemente (4) aufweist und mit der Kernverbund-Struktur
mit Hilfe der Armierungselemente in Dickenrichtung der Kernverbund-Struktur verbunden
ist.
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4d zeigt
die Schnittdarstellung nach Linie F-F der 4a mit
einer weiteren Variante zur Gestaltung des Inserts, wobei das Insert
zwei seitlich abstehende Flansche (14) aufweist, die an
der oberen (1) und unteren Deckschicht (3) anliegen,
Löcher (13)
zur Aufnahme der Armierungselemente (4) aufweisen und mit
der Kernverbund-Struktur
mit Hilfe der Armierungselemente in Dickenrichtung der Kernverbund-Struktur verbunden
sind.
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4e zeigt
die Schnittdarstellung nach Linie F-F der 4a mit
einer weiteren Variante zur Ausführung
der Armierungselemente, wobei die Armierungselemente (4) über die
Krafteinleitungsstelle hinaus (15) in die Krafteinleitungsstelle
umgebende Kernverbund-Struktur hineinreichen.
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4f zeigt
die Draufsicht eines dreizehnten Ausführungsbeispiels mit einem in
die Kernverbund-Struktur eingesetzten Krafteinleitungselement (12,
Insert), wobei das Insert einen seitlich abstehenden Flansch (14)
aufweist, der zur besseren Kraft- und Momenteinleitung in die Kernverbund-Struktur einen
Ansatz (16) hat, an der oberen Deckschicht (1) anliegt,
Löcher
(13) zur Aufnahme der Armierungselemente (4) aufweist
und der mit der Kernverbund-Struktur mit Hilfe der Armierungselemente
in Dickenrichtung der Kernverbund-Struktur verbunden ist.
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4g zeigt
die Schnittdarstellung nach Linie G-G der 4f.