DE69531963T2 - System zur einfügung von bauteilen in verbundstrukturen - Google Patents

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Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Diese Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zum Einfügen von Verstärkungselementen in eine Verbundstruktur unter Verwendung von Ultraschallenergie und Druck.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Verbundstoffe werden aufgrund ihres hohen Verhältnisses von Festigkeit zu Gewicht verwendet. Die Befestigung von Verbundteilen ist jedoch häufig schwierig. Beim Befestigen eines Flugzeug-Strukturschalenelements an einem Längsversteifungsträger können beispielsweise Bolzen und/oder Nieten verwendet werden, aber solche Befestigungsvorrichtungen fügen Gewicht hinzu, erhöhen die Herstellungskosten und können zu lokalen Ausfallarten zwischen den Lagen des Laminatverbundstoffs beitragen. Hartlöten wird auch verwendet, um zwei Verbundteile zu verbinden (siehe US-Patent Nr. 5 021 107), aber sieht nicht immer genügend Festigkeit vor, um die Integrität der Verbindungsstelle zwischen den zwei Verbundstoffen unter Last aufrechtzuerhalten.
  • Vom Anmelder wurde entdeckt, dass Verbundstrukturen verstärkt werden können, um eine Delaminierung und ein Brechen zu verhindern, indem Stifte wie z. B. Borfasern durch die Dicke des Verbundstoffs hindurch eingefügt werden. Die Stifte werden in einen thermisch dekomprimierbaren Schaumkörper eingefügt, der dann auf dem Verbundstoff angeordnet wird. Das Aufbringen von erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck in einem Autoklaven treibt die Stifte durch die Dicke des Verbundstoffs. Siehe US-Patent Nr. 4 808 461.
  • In letzter Zeit wurde vom Anmelder erkannt, dass die Stifte durch zwei Verbundstrukturen getrieben werden können, um sie zu verbinden, und dass eine solche Struktur, die durch Stifte verbunden ist, die sich durch beide Laminate erstrecken, stärker war als eine, die durch Hartlöten allein hergestellt wird, und signifikante Vorteile gegenüber als Befestigungsvorrichtungen verwendeten Nieten oder Bolzen bot. Siehe US-Patentanmeldung Seriennr. 08/056 029 und US-Patent Nr. 5 186 776.
  • Das Dokument DE-A-4030989 betrifft ein Verfahren/System zum Verstärken von geschichteten, faserverstärkten thermoplastischen Komponenten, wobei eine geschichtete, faserverstärkte thermoplastische Komponente unter Druck und Wärme laminiert wird, wobei vor oder nach dem Pressen Stifte, die die Schichten zumindest teilweise durchdringen, in rechten Winkeln wärmeverschweißt werden, um die Abschälfestigkeit zu erhöhen; mehrere Stifte können gleichzeitig eingefügt werden und der Schweißprozess wird durch Ultraschall und programmierbar durchgeführt. Bei diesem Verfahren wird ein Führungsmantel mit einem separaten Aufnahmeloch für jeden Stift verwendet, um jeden Stift zweckmäßig auszurichten, und ein Ultraschallwerkzeug mit mehreren Stößeln wird verwendet, um die Stifte in die verstärkte Kunststoffkomponente zu schweißen.
  • Dem Stand der Technik fehlt es immer noch an einer zweckmäßigen Methodik zum Einfügen von Stiften, um Verbundstrukturen wie die Hüllen/Längsversteifungsträger-Anordnung eines Flugzeugflügels zu verbinden, da solche Strukturen nicht bequem in einem Autoklaven angeordnet werden können.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Es ist daher eine Aufgabe dieser Erfindung, ein verbessertes Verfahren und System zum Einfügen von Verstärkungsstiften in ein Verbundmaterial bereitzustellen.
  • Es ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, ein solches Verfahren und System zum Einfügen von Verstärkungsstiften in eine Verbundstruktur bereitzustellen, welches den Bedarf, einen Autoklaven zu verwenden, und den Bedarf für die in einem Autoklaven verwendeten erhöhten Temperaturen beseitigt.
  • Es ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, ein solches Verfahren und System zum Einfügen von Verstärkungsstiften in eine Verbundstruktur bereitzustellen, das verwendet werden kann, um ein Verbundlaminat mit einem anderen Verbundlaminat zu verbinden und zwischen diesen ohne den Bedarf für Hartlöten oder Nieten oder Befestigungsvorrichtungen vom Bolzentyp eine Verbindung zu bilden.
  • Es ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, ein solches Verfahren und System zum Einfügen von Verstärkungsstiften in eine Verbundstruktur bereitzustellen, um die Verbundstruktur zu verstärken.
  • Es ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, ein solches Verfahren und System zum Einfügen von Verstärkungsstiften in eine Verbundstruktur bereitzustellen, das die Herstellungskosten senkt und nicht zu lokalen Ausfallarten beiträgt.
  • Diese Erfindung resultiert aus der Erkenntnis, dass Ultraschallenergie zusätzlich zu Druck verwendet werden kann, um Stifte zweckmäßig in eine Verbundstruktur einzufügen, wodurch der Bedarf für externe Quellen für erhöhte Temperaturen und Drücke wie z. B. einen Autoklaven beseitigt wird. Diese Erfindung resultiert aus der weiteren Erkenntnis, dass die Stifte durch die Ultraschallenergie erhitzt werden und daher leicht in eine Verbundstruktur getrieben werden können, ohne die einzelnen Lagen des Verbundstoffs zu verschlechtern, und auch dass der Verbundstoff in einem lokalisierten Bereich um die Stifte während des Einfügens schmilzt, was weiter eine starke Verbindung zwischen zwei Verbundstrukturen fördert. Das Verfahren und das System dieser Erfindung können verwendet werden, um zwei Verbundteile zu verbinden und/oder einen Verbundteil zu verstärken.
  • Diese Erfindung zeichnet sich durch ein Verfahren und ein System zum Einfügen von Verstärkungsstiften in eine Verbundstruktur aus und kann diese geeigneterweise umfassen, enthalten, im Wesentlichen aus diesen bestehen und/oder aus diesen bestehen. Das Verfahren umfasst das Einfügen einer Anzahl von Verstärkungsstiften in ein komprimierbares Material; das Montieren der Kombination aus komprimierbarem Material/Stiften an der Verbundstruktur; das Aufbringen von Ultraschallenergie auf die Stifte; und das gleichzeitige Aufbringen von Druck auf das komprimierbare Material, um dasselbe zu komprimieren und die Stifte in die Verbundstruktur einzufügen.
  • Das Montieren der Kombination aus komprimierbarem Material/Stiften an einer Verbundstruktur umfasst das Anordnen der Kombination aus komprimierbarem Material/Stiften um einen Verbindungsbereich zwischen zwei oder mehreren Laminatstrukturen zum Verbinden derselben. Das Montieren der Kombination aus komprimierbarem Material/Stiften an einer Verbundstruktur umfasst auch das Anordnen der Kombination aus komprimierbarem Material/Stiften an einer Laminatstruktur zum Verstärken der Laminatstruktur. Die Verbundstruktur kann eine gehärtete Fasermatrixstruktur sein; oder die Verbundstruktur kann eine ungehärtete Fasermatrixstruktur sein.
  • Das Verfahren umfasst ferner das Hinzufügen einer Rasterschicht zu mindestens einer Seite des komprimierbarem Materials, um die Verstärkungsstifte während des Aufbringens von Druck auf das komprimierbare Material in diesem in ihrer korrekten Orientierung zu halten.
  • Das System zum Einfügen von Verstärkungsstiften in eine Verbundstruktur dieser Erfindung umfasst eine Anzahl von Verstärkungsstiften, die in ein komprimierbares Material eingefügt werden; ein Mittel zum Aufbringen von Ultraschallenergie auf die Stifte; ein Mittel zum Auf ringen von Druck auf die Stifte gleichzeitig mit dem Aufbringen von Ultraschallenergie zum Komprimieren des komprimierbaren Materials und zum Treiben der Stifte in die Verbundstruktur.
  • Die Verbundstruktur umfasst mindestens zwei zu verbindende Laminatstrukturen oder eine zu verstärkende Laminatstruktur. Die Verbundstruktur umfasst eine gehärtete Fasermatrixstruktur oder eine ungehärtete Fasermatrixstruktur.
  • Das komprimierbare Material kann ein Rastermaterial auf mindestens einer Seite desselben umfassen, um die Verstärkungsstifte beim Aufbringen von Druck auf das komprimierbare Material in ihrer korrekten Orientierung zu halten.
  • OFFENBARUNG DES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
  • Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile kommen Fachleuen aus der folgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels und den zugehörigen Zeichnungen in den Sinn, in denen gilt:
  • 1 ist ein schematisches Querschnittsdiagramm von zwei Laminaten, die durch einen für einen Flugzeugflügelabschnitt typischen Längsversteifungsträger strukturell verstärkt sind;
  • 2A–2C sind schematische Querschnittsdiagramme, die das Verfahren und das System zeigen, die zum Einfügen von Verstärkungsstiften durch die Dicke von zwei Laminaten verwendet werden;
  • 3 ist eine schematische dreidimensionale Ansicht von Verstärkungsstiften, die gemäß dem gezeigten Verfahren von 2A–2C eingefügt werden, was eine Verbindung zwischen zwei Laminaten bildet;
  • 4 ist eine schematische dreidimensionale Ansicht von Stiften, die in ein einzelnes Laminat zum Verstärken der einzelnen Lagen des Laminats eingefügt werden; und
  • 5 ist eine schematische dreidimensionale Ansicht einer Kombination aus Schaumkörper/Stiften mit einer Schicht aus Rastermaterial, die zum Aufrechterhalten der Orientierung der Stifte während des Aufbringens des Ultraschallhorns dieser Information hinzugefügt ist.
  • 1 zeigt Laminate 10 und 12, die durch einen Längsversteifungsträger 14, wie er in Flugzeugflügelabschnitten üblich ist, strukturell verstärkt sind. Wie im vorstehenden Hintergrund der Erfindung erörtert, fügt die Verwendung von Bolzen oder Befestigungsvorrichtungen vom Nietentyp, wie bei 16 gezeigt, um das Laminat 12 mit dem Längsversteifungsträger 14 zu verbinden, Gewicht hinzu, erhöht die Herstellungskosten und kann zu Ausfallarten an der Laminat/Längsversteifungsträger-Grenzfläche oder auch zwischen den Lagen 13, 17 des Laminats beitragen. Andererseits ist es nicht praktisch, einen Autoklaven zu verwenden, um Stifte durch das Laminat 12 und den Längsversteifungsträger 14 hindurch einzufügen, wie im US-Patent Nr. 4 808 461 in allen Anwendungen erörtert.
  • In dieser Erfindung werden eine Anzahl von Stiften 20, 22, 24, 2A, zuerst in den Schaumkörper 28 eingefügt und dann wird die Kombination aus Schaumkörper/Stiften am Laminat 30 montiert, das mit dem Laminat 32 verbunden werden soll. Ein Ultraschallwandler 34 wird dann verwendet, um Ultraschallenergie auf die Stifte 22, 24 und 26 aufzubringen, während gleichzeitig Druck, wie durch die Kraft F, 2B, dargestellt, aufgebracht wird, um den Schaumkörper 28 zu komprimieren und die Stifte 22, 24 und 26 durch die Dickenabmessung der Laminate 30 und 32 zu treiben, wie gezeigt, ohne die einzelnen Lagen jedes Laminats zu verschlechtern. Der Schaumkörper 28 hält zweckmäßigerweise die Stifte während des Schritts des Aufbringens von Ultraschallenergie und Druck in ihrer korrekten Orientierung. Die Verwendung von Ultraschallenergie bewirkt auch lokalisiertes Schmelzen, wie bei 34 und 36, 2C, gezeigt, um den Stift 22, was eine starke Bindung zwischen dem Laminat 30 und dem Laminat 32 weiter erleichtert.
  • In dieser Weise wird das Laminat 30 mit dem Laminat 32 verbunden (oder die Laminate 10 und 12 werden mit dem Längsversteifungsträger 14, 1) verbunden, ohne den Bedarf für Befestigungsvorrichtungen vom Bolzen- oder Nietentyp und ohne irgendeine Verschlechterung der einzelnen Lagen des Laminats.
  • Zwei Verbundstoffe sind in 3 gezeigt (nachdem die Stifte bündig gefeilt sind), die durch Reihen von Stiften 44, 46, 48 an einem Ende und Reihen von Stiften 50, 52, 54 am anderen Ende, wie gezeigt, unter Verwendung von Ultraschallenergie und Druck gemäß dem vorstehend mit Bezug auf 2A–2C beschriebenen Verfahren verbunden wurden.
  • Ein einzelnes Laminat 60, 4, kann auch durch Einfügen von Reihen von Stiften 62, 64 verstärkt werden, wie gezeigt, wodurch eine Verstärkung des Laminats 60 in z-Richtung erzielt wird, wie im US-Patent Nr. 4 808 461 beschrieben, jedoch ohne den Bedarf, einen Autoklaven zu verwenden.
  • Der Körper 28, 2A, kann eine Substanz sein, die unter Druck komprimierbar ist, einschließlich eines Elastomermaterials wie z. B. eines RTV-Silikonkautschuks, einer FIBER FORMTM Graphitisolierung, einer KAWOOLTM Keramikisolierung, eines Schaums auf Phenolbasis, einer Glasfaser und einer Isolierung auf Polyamidbasis, eines Melamins, RohacellTM, PolymethacrylimidTM, DiveneycellTM, vernetztem Polyvinyl und starren Polyvinylchloriden auf Basis von KlegecellTM, Schäumen, PVC (Polyvinylchlorid), Polyestern, Polyethylenen, Polypropylenen, Polyurethanen, Polystyrolen, Polyimiden, Cellulose, Acetaten, Silikonen, Polybenzimidazolen, Polyvinylen, PEEK, Polyetherketon, PPS, Polyphenylensulfid, Kohlenstoff und Graphit.
  • Die Verstärkungsstifte 22, 24, 26 können Aluminium, Bor, Kohlenstoff, Graphit, Kevlar, rostfreier Stahl, Titan, Wolfram, Glas, Siliziumcarbid, Aluminiumoxid, Aluminiumnitrat, starre Phenole, starre Polyimide, starres Epoxid, Thermoplaste und Verbundstoffe aus solchen Materialien sein. Die Verstärkungsstifte 22, 24 und 26 werden durch eine numerische Steuerungsmaschine oder ein anderes Fachleuten bekanntes Mittel in den Schaumkörper 28 eingefügt. Eine Anordnung von Stäben oder Fasern oder Stiften 22, 24, 26 mit jeweils einem Durchmesser von 0,1 mm wird im Körper 28 mit einem Abstand zwischen den Fasern von 1,5 mm angeordnet. Der Durchmesser, die Länge und der Abstand der Stifte hängen von der Geometrie der zu verstärkenden Verbundstruktur oder der herzustellenden Verbindung ab.
  • Die Laminate 30, 32 können eine Fasermatrixstruktur sein, die aus Fasern in einer bereits gehärteten Harzmatrix, Fasern in einem ungehärteten Harz, als Prepreg kombiniert, einem Vorformmaterial aus einem faserförmigen Material und einem Klebrigmacher oder auch einer Rohfaserverfilzung, die noch imprägniert werden muss, ausgebildet ist. Das zum Befestigen der einzelnen Lagen der Fasermatrixstruktur verwendete Harz kann Epoxidpolyimide, Bismaleimide, Phenole, Polycyanurat, PEEK, Polyetherketon, PPS, Polyphenolsulfid, AVAMID, Polyimide, Polyester und Vinylester sein.
  • Falls erforderlich, kann der komprimierbare Schaumkörper 28 für Fasermatrix-Laminatstrukturen mit gekrümmten Profilen thermogeformt werden, um ihn den Konturen der zu verbindenden oder zu verstärkenden Verbundstruktur anzupassen. Der Ultraschallwandler 34, 2A, ist ein Modell TW2, das von Bransom erhältlich ist und das durch eine Stromversorgung vom Modell E150 Branson gespeist wird. Der Ultraschallwandler 34 wurde in einer Ständerbohrmaschine über dem Schaumkörper 28 angeordnet, nachdem eine Länge Klebeband verwendet wurde, um die Kombination aus Schaumkörper/Stiften um die Laminate 30 und 32 zu befestigen. Der Ultraschallwandler wurde dann mit einer Frequenz von 20 kHz gespeist und unter Verwendung der Ständerbohrmaschine mit einem aufgebrachten Druck, der als 88,96 N–133,44 N (20–30 ft·lb) abgeschätzt wurde, abgesenkt, so dass er auf den Schaumkörper drückte. Die Fläche der Spitze 35 des Horns 34 wurde so modifiziert, dass sie 12,5 mm (0,5'') breit mal 10,875 mm (0,435'') lang war, und wurde verwendet, um vier Stifte auf einmal einzufügen. Die Leistung und Schweißzeiten können so verändert werden, dass sie für die spezielle Anwendung geeignet sind. In einer Experimentierung wurde festgestellt, dass 75% Leistung und 2,0 s Schweißzeit zu einer angemessenen Leistung beim Einfügen von Stiften aus rostfreiem Stahl oder ähnlichen Stiften in Vorformen und Verbundstoffen führten.
  • Das Ergebnis ist eine verbundene Verbundstruktur und/oder eine verstärkte Verbundstruktur, die ohne den Bedarf hergestellt wird, einen Autoklaven und erhöhte Temperaturen zu verwenden, und ohne die Begrenzungen, die der Verwendung von herkömmlichen Befestigungsvorrichtungen wie z. B. Bolzen oder Nieten innewohnen.
  • Wenn die Anordnung von Stiften 72 im Schaumkörper 70, 5, etwas dicht wird, besteht die Möglichkeit, dass die Stifte die Struktur des Schaumkörpers verschlechtern können und der Schaumkörper die Stifte während des Aufbringens des Ultraschallwandlers unter Druck nicht in ihrer korrekten Ausrichtung abstützt. Folglich wird in einem Ausführungsbeispiel dieser Erfindung eine Rasterschicht 76 auf dem Schaumkörper 70 angeordnet und die Stifte 72, 74 werden in die Lücken der Rasterschicht 76 eingefügt, wie gezeigt. Auf diese Weise hält die Rasterschicht die Stifte während des Aufbringens von Druck in ihrer korrekten Orientierung. Es kann auch eine andere Rasterschicht auf der entgegengesetzten Seite des Schaumkörpers vorhanden sein (nicht dargestellt).
  • Obwohl in einigen Zeichnungen spezielle Merkmale der Erfindung und keine anderen gezeigt sind, dient dies nur der Bequemlichkeit, da einige Merkmäle mit beliebigen oder allen der anderen Merkmale gemäß der Erfindung kombiniert werden können.
  • Weitere Ausführungsbeispiele kommen Fachleuten in den Sinn und liegen innerhalb der folgenden Ansprüche:

Claims (12)

  1. Verfahren zum Einfügen von Verstärkungsstiften in eine Verbundstruktur, wobei das Verfahren umfasst: Einfügen einer Anzahl von Verstärkungsstiften in ein komprimierbares Material; Montieren der Kombination aus komprimierbarem Material/Stiften an der Verbundstruktur, wobei die Verbundstruktur Lagen von Fasern in einer Harzmatrix umfasst; Aufbringen von Ultraschallenergie auf die Stifte; und gleichzeitiges Aufbringen von Druck auf das komprimierbare Material, um dasselbe zu komprimieren und die Stifte in die Verbundstruktur einzufügen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Montieren der Kombination aus komprimierbarem Material/Stiften an einer Verbundstruktur das Anordnen der Kombination aus komprimierbarem Material/Stiften um einen Verbindungsbereich zwischen zwei oder mehreren Laminatstrukturen zum Verbinden der Laminatstrukturen umfasst.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Montieren der Kombination aus komprimierbarem Material/Stiften an einer Verbundstruktur das Anordnen der Kombination aus komprimierbarem Material/Stiften an einer Laminatstruktur zum Verstärken der Laminatstruktur umfasst.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Verbundstruktur eine gehärtete Fasermatrixstruktur umfasst, wobei die Harzmatrix gehärtet ist.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Verbundstruktur eine ungehärtete Fasermatrixstruktur umfasst, wobei die Harzmatrix ungehärtet ist.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, welches ferner das Hinzufügen einer Rasterschicht zu mindestens einer Seite des komprimierbaren Materials umfasst, um die Verstärkungsstifte während des Aufbringens von Druck auf das komprimierbare Material in ihrer korrekten Orientierung darin zu halten.
  7. System zum Einfügen von Verstärkungsstiften in eine Verbundstruktur, die Lagen von Fasern in einer Harzmatrix enthält, wobei das System umfasst: ein komprimierbares Material mit einer Anzahl von Verstärkungsstiften, die darin angeordnet sind; eine Ultraschallvorrichtung zum Anlegen von Ultraschallenergie an die Stifte; ein Mittel zum Aufbringen von Druck auf die Stifte gleichzeitig mit dem Anlegen von Ultraschallenergie zum Komprimieren des komprimierbaren Materials und zum Treiben der Stifte in die Verbundstruktur.
  8. System nach Anspruch 7, wobei die Verbundstruktur mindestens zwei zu verbindende Laminatstrukturen umfasst.
  9. System nach Anspruch 7, wobei die Verbundstruktur eine zu verstärkende Laminatstruktur umfasst.
  10. System nach Anspruch 7, wobei die Verbundstruktur eine gehärtete Fasermatrixstruktur umfasst, wobei die Harzmatrix gehärtet ist.
  11. System nach Anspruch 7, wobei die Verbundstruktur eine ungehärtete Fasermatrixstruktur umfasst, wobei die Harzmatrix ungehärtet ist.
  12. System nach Anspruch 7, wobei das komprimierbare Material ein Rastermaterial auf mindestens einer Seite desselben zum Halten der Verstärkungsstifte in ihrer korrekten Orientierung beim Aufbringen von Druck auf das komprimierbare Material umfasst.
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