DE69917048T2

DE69917048T2 - Verbundwerkstoffkonstruktion

Info

Publication number: DE69917048T2
Application number: DE69917048T
Authority: DE
Inventors: Paul Andrew Churchill GODBEHERE; Stephen Ebbw Vale WILLIAMS; David Robert SPEAR
Original assignee: Airbus Operations Ltd
Current assignee: Airbus Operations Ltd
Priority date: 1998-08-15
Filing date: 1999-08-12
Publication date: 2004-09-02
Anticipated expiration: 2019-08-13
Also published as: AU5431599A; EP1112176B1; CA2340735A1; JP3369579B2; US6582792B1; GB9817777D0; EP1112176A1; JP2001509749A; GB9902584D0; ATE265926T1; WO2000009321A1; BR9913035B1; ES2216552T3; BR9913035A; DE69917048D1; CA2340735C

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Verbundwerkstoff-Konstruktion. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Verbindung von Werkstoffteilen, durch das ein Verbundwerkstoff erzeugt wird, und weiter bezieht sich die Erfindung auf einen Verbundwerkstoff, der durch ein derartiges Verfahren hergestellt wurde und in erster Linie bei der Konstruktion von Flugzeugen Verwendung findet.
Es ist bekannt, die Außenhaut von Tragflügeln aus Verbundschichten herzustellen, die mehrachsige Fasern haben, beispielsweise einem nicht gewirkten Stoff. Derartige Außenhäute werden dadurch erzeugt, dass verschiedene Stoffschichten in einem Stapel der gewünschten Dicke übereinandergefügt werden. Der Ausdruck „mehrachsig" bedeutet, dass abwechselnde Faserschichten so konstruiert sind, dass ihre Fasern in unterschiedlichen Richtungen verlaufen, um einen Stoff mit einer optimalen Festigkeit in gewünschten Richtungen zu erhalten. Üblicherweise angewandte Richtungen für eine Tragflügelherstellung sind 0° (in Spannrichtung für den Tragflügel), +45°, –45° und 90° (im Wesentlichen in Sehnenrichtung verlaufend). Ein Beispiel einer derartigen Außenhaut ist in unserer europäischen Patentanmeldung EP-A-0 826 488 beschrieben, wobei die Schichten mit +45°-Fasern und –45°-Fasern über die Schichten mit 90°-Fasern gefügt sind. Normalerweise sind die 0°-Schichten vorherrschend mit Kettfasern bestückt, und die übrigen Schichten vorherrschend mit Schussfasern. Der Ausdruck „nicht gewirkt" bezieht sich auf Stoffe, bei denen die vorherrschend in Kettrichtung und Schussrichtung verlaufenden Fasern, ohne verwebt zu sein, in der erforderlichen Dicke übereinandergefügt werden. Die Faserschichten werden durch Kettwirkverfahren miteinander verbunden.
Wenn ein mehrachsiges Verbundmaterial unter Benutzung nicht gewirkter Stoffe erzeugt werden soll, können die gegenwärtig benutzten Maschinen Stoffe konstruieren, die mehrere axiale Schichten nur bis herauf zu einer Breite von 1,72 m erzeugen. Strukturen größer als 1,72 m erfordern die Verbindung von zwei oder mehreren Teilstücken derartiger Stoffe unter Benutzung einer Verbindung für die ±45°-Schichten. Eine Überlappungsverbindung, wie sie in der obengenannten Patentanmeldung beschrieben ist, erfüllt eine derartige Forderung.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Verbundmaterialkonstruktion, bei der das Material mit anderen Verbindungen zusammengefügt wird, wobei eine Unterbrechung der Dicke des Bauteils gering gehalten wird.
Gemäß einem ersten Merkmal der Erfindung betrifft diese ein Verfahren zur Konstruktion eines Verbundwerkstoffs, der aus einem Laminat von Schichten besteht, das eine Schicht mit vorherrschend in Kettrichtung verlaufenden Fasern und eine Schicht mit vorherrschend in Schussrichtung verlaufenden Fasern aufweist, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass eine Ausnehmung (20; 26; 47) in einer äußeren Oberfläche eines Materialstückes ausgeformt wird, wobei die Ausnehmung wenigstens teilweise von einer vorherrschend in Kettrichtung verlaufenden Schicht (14) der Konstruktion definiert wird, dass ein erstes Materialstück (10) der Konstruktion längs einem zweiten Materialstück (12) der Konstruktion angeordnet wird, wobei wenigstens ein Teil (12a; 12b; 12c) des zweiten Materialstücks (12) in der Ausnehmung (20; 26; 47) und wenigstens ein Teil (10a; 10b; 10c) des ersten Materialstücks (10) überlappend angeordnet wird, um eine Überlappungsverbindung (21; 32; 33; 48) zu bilden, wobei der Teil (12a; 12b; 12c) des zweiten Materialstücks (12) in der Ausnehmung (20; 26; 47) und der überlappende Teil (10a; 10b; 10c) des ersten Materialstücks vorherrschend in Schussrichtung verlaufende Schichten aufweist.
Dadurch, dass ein Teil von einem zweiten Materialstück in der Ausnehmung aufgenommen ist, wird die Unterbrechung der Dicke des Bauteils, die durch die Verbindung bedingt ist, verringert.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel besteht jedes der ersten und zweiten Materialstücke aus einem Laminat von Schichten, deren Fasern vorherrschend in Kettrichtung und Schichten, deren Fasern vorherrschend in Schussrichtung verlaufend sind, wobei das Verfahren die Anordnung von zwei Materialstücken in Längsrichtung zueinander aufweist und wobei die Ränder der vorherrschend in Kettrichtung verlaufenden Schicht eines jeden Stückes sich in der gleichen Richtung erstrecken. Bei einem solchen Verfahren bilden die vorherrschend in Kettrichtung verlaufenden Schichten Teile von Materialstücken, die miteinander verbunden werden und die Möglichkeit schaffen, ein breites Verbundmaterial aus kleineren Abschnitten von Verbundmaterial aufzubauen.
Bei der in dem vorhergehenden Abschnitt beschriebenen Anordnung kann das Verfahren die Bildung einer Ausnehmung an einem Rand des ersten Materialstücks des Verbundmaterials aufweisen.
Der entsprechende Rand des zweiten Stückes des Verbundmaterials kann auf die gleiche Weise hergestellt werden. Durch das Verfahren kann die Ausnehmung dadurch gebildet werden, dass der Rand der vorherrschend in Kettrichtung verlaufenden Schichtfasern des ersten Stückes von dem benachbarten Rand der vorherrschend in Schussrichtung verlaufenden Schichtfasern zurückversetzt wird, um einen Teil der Überlappungsverbindung zu schaffen. Eine derartige Anordnung ergibt eine besonders einfache Möglichkeit zur Definition der Ausnehmung.
Wenn die Ausnehmung in einem Rand des ersten Stückes des Verbundmaterials ausgebildet wird, dann kann das Verfahren in der Weise durchgeführt werden, dass die Dicke der vorherrschend in Kettrichtung verlaufenden Schicht des zweiten Materialstücks benachbart zu dem Rand vermindert wird, damit die vorherrschend in Schussrichtung verlaufende Schicht und ein Restteil der vorherrschend in Kettrichtung verlaufenden Schicht in die Ausnehmung eingefügt werden können, wenn die Überlappungsverbindung geschaffen wird. Nach dem Verfahren kann der entsprechende Rand des ersten Materialstücks in der gleichen Weise geformt werden.
Mit dem Verfahren kann ein Rand des Restteils der vorherrschend in Kettrichtung verlaufenden Schicht des zweiten Stücks an den Rand der vorherrschend in Kettrichtung verlaufenden Schicht des ersten Materialstücks angelegt werden, wenn die Überlappungsverbindung hergestellt wird.
Gemäß einem anderen Verfahrensmerkmal kann die Ausnehmung dadurch hergestellt werden, dass zwischen den Rändern der vorherrschend in Kettrichtung verlaufenden Schichten oder innerhalb der Breite der vorherrschend in Schussrichtung verlaufenden Schicht eine Länge eines dünneren vorherrschend in Kettrichtung verlaufenden Materials eingefügt wird. In jedem Fall wird die Länge des dünneren vorherrschend in Kettrichtung verlaufenden Materials vorzugsweise mit einer höheren Faserzahl ausgebildet oder mit Fasern mit höherem Modul, verglichen mit den Fasern, die zur Konstruktion der vorherrschend in Kettrichtung verlaufenden Schichten benutzt werden. Die Überlappungsverbindung kann derart hergestellt werden, dass ein Teil der vorherrschend in Schussrichtung verlaufenden Schicht nur eines Materialstücks in der Ausnehmung liegt, während ein Teil der anderen vorherrschend in Schussrichtung verlaufenden Schicht des anderen Materialstücks wenigstens einen Teil davon überlappt.
Mit dem Verfahren kann eine Lage des vorherrschend in Kettrichtung verlaufenden Materials auf der Außenseite der Überlappungsverbindung angeordnet werden. Dadurch wird es möglich, jede Verminderung der Stärke zu kompensieren, die eine Folge der Benutzung des dünneren vorherrschend in Kettrichtung verlaufenden Materials sein könnte.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung kann das Verfahren die Ausnehmung als Nut in einer Oberfläche der vorherrschend in Kettrichtung verlaufenden Schicht ausbilden, und eine weitere vorherrschend in Schussrichtung verlaufende Schicht wird auf der gegenüberliegenden Seite der mit Ausnehmung versehenen vorherrschend in Kettrichtung verlaufenden Schicht angeordnet. Die Ausnehmung kann z. B. in einem Mittelabschnitt der vorherrschend in Kettrichtung verlaufenden Schicht angeordnet werden, obgleich die Ausnehmung auch an anderen Stellen angebracht werden kann.
Zweckmäßigerweise werden zwei miteinander zu verbindende Materialstücke einer Maschine derart zugeführt, dass die Überlappungsverbindung hergestellt wird, wobei die vorherrschend in Kettrichtung verlaufende Schicht und die weitere vorherrschend in Schussrichtung verlaufende Schicht in einem einzigen Auflage-Arbeitsvorgang zugeführt werden. Ein solches Verfahren schafft eine zweckmäßige Möglichkeit, die Materialstücke durch die Maschine miteinander zu verbinden. Außerdem ermöglicht das Verfahren die Benutzung einer Maschine, die vorher für eine zweiachsige Auflage benutzt wurde, für eine Mehrachsen-Verbundmaterial-Anordnung zu benutzen, die sehr viel breiter ist als es auf normalen Mehrachsen-Auflagemaschinen möglich wäre.
Mit jedem der obigen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiele wird es möglich, zwei Schichten aus verbundenem Material zu schaffen, wobei eine Schicht relativ zu der anderen invertiert ist und wobei die vorherrschend in Schussrichtung verlaufenden Schichten die äußeren Oberflächen der beiden Schichten bilden.
Stattdessen kann die Inversion derart vorgenommen werden, dass die vorherrschend in Kettrichtung verlaufenden Schichten die äußeren Oberflächen der beiden Schichten bilden.
Gemäß einem zweiten Merkmal der Erfindung betrifft diese einen Flugzeugtragflügel mit einer Außenhaut, die aus Materialien besteht, welche durch das Verfahren gemäß dem ersten Merkmal der Erfindung oder gemäß den hierzu gemachten Erläuterungen verbunden wurden.
Gemäß einem dritten Merkmal der Erfindung ist eine Flugzeug-Außenhautplatte vorgesehen, die aus einem Material besteht, welches durch das Verfahren gemäß dem ersten Merkmal der Erfindung oder gemäß den hierzu gemachten Erläuterungen verbunden wurde.
Gemäß einem vierten Merkmal der Erfindung betrifft diese ein Verbundmaterial, bestehend aus einem Laminat von Schichten, die eine vorherrschend in Kettrichtung verlaufende Schicht und eine vorherrschend in Schussrichtung verlaufende Schicht aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Konstruktion eine Ausnehmung (20; 26; 47) aufweist, die wenigstens teilweise durch eine vorherrschend in Kettrichtung verlaufende Schicht (14) der Konstruktion definiert wird und dass ein erstes Materialstück (10) längs eines zweiten Materialstücks (12) angeordnet ist, wobei wenigstens ein Teil (12a, 12b, 12c) des zweiten Materialstücks (12) in der Ausnehmung (20; 26; 47) zu liegen kommt und der erste Teil (12a, 12b, 12c) des zweiten Materialstücks (12) in der Ausnehmung wenigstens einen Teil (10a; 10b; 10c) des ersten Materialstücks (10) überlappt, um eine Überlappungsverbindung (21; 32; 33, 48) zu schaffen, wobei der mit Ausnehmung (12a; 12b; 12c) versehene Teil des zweiten Materialstücks (12) in der Ausnehmung und der überlappte Teil des ersten Materialstücks (10) vorherrschend in Schussrichtung verlaufende Schichten aufweisen.
Nachstehend werden Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäß ausgebildeten Verbundmaterialkonstruktion anhand der beiliegenden Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
1 ist eine schematische Schnittansicht von zwei Teilen aus Verbundmaterial, die durch das erfindungsgemäße Verfahren verbunden werden sollen;
2 zeigt schematisch die Art und Weise, wie ein Rand des ersten Materialstücks nach unten gepresst wird, bevor eine Passung mit dem anderen Materialstück erfolgt;
3 zeigt die Art und Weise, wie die Materialstücke miteinander verbunden werden;
4 zeigt schematisch ein anderes Verfahren zur gegenseitigen Materialverbindung zur Herstellung eines Verbundmaterials;
5 zeigt eine Abwandlung des Verfahrens gemäß 4;
6 zeigt schematisch eine Kappe, die bei dem Verfahren gemäß 4 und 5 benutzt wird;
7 zeigt schematisch ein weiteres Verfahren einer Materialverbindung zwecks Herstellung eines Verbundkörpers, wobei die vorherrschend in Kettrichtung verlaufende Schicht eine nutartige Ausnehmung in einer Oberfläche definiert; und
8 ist eine schematische perspektivische Ansicht eines Flugzeugs mit einem Tragflügel, der aus einem Material besteht, das durch ein erfindungsgemäßes Verfahren verbunden wurde.
Gemäß 1 bis 3 sind erste und zweite Materialstücke 10, 12 in ihrer Konstruktion im Wesentlichen identisch und jedes Materialstück besteht aus einer Schicht mit vorherrschend in Kettrichtung verlaufenden Fasern 14 (hier als 0°-Schicht bezeichnet) und zwei Schichten 16, 18 mit vorherrschend in Schussrichtung verlaufenden Fasern. Die vorherrschend in Schussrichtung verlaufenden Schichten 16, 18 sind unter einem Winkel von +45° und –45° gegenüber der 0°-Schicht 14 angestellt.
Der gemäß der Zeichnung rechte Rand einer jeden 0°-Schicht 14 ist in der Dicke um das Maß x vermindert, welches Maß x im Wesentlichen der Dicke der ±45°-Schichten 16, 18 entspricht, wodurch ein verdünnter Bereich 19 gebildet wird. Der linke Rand eines jeden Materialstücks 10, 12 ist so ausgebildet, dass die 0°-Schicht vom linken Rand der ±45°-Schichten zurückversetzt ist. Auf diese Weise wird eine Ausnehmung 20 am linken Rand eines jeden Materialstücks 10, 12 ausgebildet, wobei diese Ausnehmung 20 durch die vorherrschend in Schussrichtung verlaufende Schicht 18 und die vorherrschend in Kettrichtung verlaufende Schicht 14 definiert ist.
Wie aus 2 ersichtlich, wird der rechte Rand des zweiten Materialstücks 12 nach unten gepresst, bevor die beiden Materialstücke manuell oder maschinell zusammengebracht werden. Das Niederpressen erfolgt durch Verdünnung des rechten Randes des zweiten Materialstücks 12. Schließlich werden die beiden Materialstücke 10 und 12, wie aus 3 ersichtlich, aneinandergepasst, so dass der rechte Rand des zweiten Materialstücks 12 von der Ausnehmung 20 des ersten Materialstücks 10 aufgenommen wird, wobei die 0°-Schicht 14 eines jeden Materialstücks 10, 12 stumpf gegeneinander gefügt wird und die Teile 10a, 12a der beiden ±45°-Schichten 16, 18 der Materialstücke 10, 12 eine Überlappungsverbindung 21 bilden. Vorzugsweise liegen die oberen Oberflächen der Materialstücke 10, 12, die von den ±45°-Schichten gebildet werden, im Wesentlichen in der gleichen Ebene P mit praktisch keiner Unterbrechung der Dicke des Bauteils.
Nachdem die Materialien zusammengebracht sind, wird eine geeignete Bindermatrix aufgebracht, um das Material derart zu imprägnieren, dass die Schichten miteinander verbunden werden und die Verbindung 21 und der Spalt 22, die aus 3 ersichtlich sind, ausgefüllt werden. Das Verbundmaterial wird dann in einen Autoklaven überführt, wo die Matrix unter Wärme und Druck ausgehärtet wird.
Wie in 3 dargestellt, können weitere erste und zweite Materialstücke 10a, 12a umgekehrt und gegen die ersten und zweiten Materialstücke 10, 12 gelegt werden, bevor eine Aushärtung in dem Autoklaven erfolgt, um die Dicke des Verbundmaterials zu verdoppeln. Auch dies geschieht wieder, ohne dass die Gesamtdicke des Bauteils infolge der Überlappungsverbindung 21 unterbrochen wird. Dadurch, dass die Materialstücke 10, 12, 10a, 12a gemäß 3 angeordnet werden, wird eine ausgeglichene Auflage erreicht, die gewünschte Merkmale besitzt. In dem dargestellten Fall sind die Schichten von oben nach unten in 3 betrachtet wie folgt ausgeglichen:
+45°, –45°, 0°, 0°, –45°, +45°
Zwei oder mehrere ausgeglichene Auflagen gemäß 3 können, falls erforderlich, übereinander angeordnet werden, um eine Verbundaußenhaut mit erhöhter Dicke zu schaffen, die dann unter Wärme und Druck ausgehärtet wird.
Die Erzeugung des in der Dicke verminderten Abschnitts am rechten Rand eines jeden Materialstücks 10, 12 und die Erzeugung der Ausnehmung 20 erfolgt zweckmäßigerweise als Teil des Auflageverfahrens für die Materialstücke 10, 12. Bei bestehenden mehrachsigen Stoffherstellmaschinen beträgt die maximale Breite eines jeden Materialstücks 10, 12 1,7 m. Flugzeugoberflächen, wie beispielsweise Tragflügel, erfordern üblicherweise Stoffbahnen mit einer Breite von mehr als 1,7 m. Der einzige Weg, um eine größere Breite zu erreichen, besteht darin, zwei Materialstücke miteinander zu verbinden, und die in den 1 bis 3 dargestellten Verfahren ergeben nur eine minimale Unterbrechung der Dicke der Bauteile. Wenn nicht mehr als zwei Materialstücke 10, 12 miteinander verbunden werden, dann brauchen die linken und rechten Enden dieser Materialstücke nicht wie dargestellt ausgebildet werden, sondern sie könnten einfach mit geradem Rand ausgebildet werden, wie strichliert in 2 dargestellt.
Im Folgenden wird auf 4 Bezug genommen. Die ersten und zweiten Materialstücke 10, 12 sind unterschiedlich hergestellt. Anstelle der Erzeugung eines verdünnten Bereichs 19 am Rand des zweiten Materialstücks 12 sind bei beiden Materialstücken 10, 12 ihre 0°-Schichten 14 im Abstand zueinander angeordnet, wobei dazwischen ein dünneres vorherrschend in Kettrichtung verlaufendes Materialstück 24 (wiederum vorzugsweise unter 0°) angeordnet ist. Der dünnere Abschnitt 24 besteht aus einer größeren Zahl von Fasern oder Fasern mit höherem Modul. Auf diese Weise wird erreicht, dass, obgleich der Abschnitt 24 dünner ist als die 0°-Schichten der Materialstücke 10, 12, die Natur des Materials 24 derart ist, dass dadurch wenigstens das Fehlen des dickeren vorherrschend in Kettrichtung verlaufenden Materials kompensiert wird, das an dieser Stelle fehlt. Die Benutzung des dünneren Abschnitts 24 erzeugt wirksam eine Ausnehmung 26, die durch den dünneren Abschnitt 24 und die 0°-Schichten 14 der Materialstücke 10, 12 definiert wird. Falls erforderlich, kann der dünnere 0°-Materialabschnitt 24 am Rand eines Materialstücks 10 ausgebildet und stumpf an den Rand des zweiten Materialstücks 12 angelegt werden, um die Ausnehmung 26 zu erzeugen.
Wie aus 4 ersichtlich, weisen die ±45°-Schichten 16, 18 des zweiten Materialstücks 12 einen Teil 12b auf, der im Wesentlichen die Ausnehmung 26 ausfüllt und eine Stufe 30 belässt. Der Teil 10b der ±45°-Schichten 16, 18 des ersten Materialstücks 10 nimmt die Stufe 30 ein und bildet eine Überlappungsverbindung 32 mit dem Materialstück 12b. Falls der dünnere 0°-Abschnitt 24 das Fehlen der dickeren 0°-Schicht, wie oben beschrieben, nicht vollständig kompensiert, kann eine 0°-Schichtkappe 34 auf der oberen Oberfläche der ±45°-Schichten angeordnet werden, um eine volle Kompensation zu erreichen, wie dies in 4 dargestellt ist. 4 ist eine schematische Darstellung, und die 0°-Schichtkappe 34 hat normalerweise schräg abfallende Seiten 35, wie dies schematisch in 6 dargestellt ist, und zwar im typischen Fall unter einem Gradienten von 1 : 20.
5 zeigt, dass der Abschnitt 24 nicht so breit wie in 4 dargestellt ist und ein Materialstück 10c aus ±45°-Schichten 16, 18 des ersten Materialstücks 10 stufenweise auf den ±45°-Schichten 16, 18 des Materialstücks 12c des zweiten Materialstücks 12 liegt, um eine Überlappungsverbindung 33 zu schaffen. Der Teil 10c unterstützt die Kompensation hinsichtlich des Festigkeitsverlustes wegen der Benutzung des dünneren 0°-Abschnitts 24. Wenn irgendeine weitere Kompensation erforderlich ist, dann kann eine Schichtkappe 34a, die dünner als die Kappe 34 gemäß 4 ist, aufgebracht werden. Es ist klar, dass die Kappe 34a schräg nach unten verläuft, wie dies in 6 angedeutet ist. Falls erforderlich, können mehrere Materialschichten aufeinander gefügt werden, und es wird dann eine einzige Kappe auf der Oberfläche der ±45°-Schichten aufgelegt. Wie in 6 dargestellt, kann die Kappe 34 durch mehrere Schichten 37 aus 0°-Material hergestellt werden, wenn die gleiche Zahl von Schichten aus Verbundmaterial aufgebaut ist, um die volle Bauteildicke zu erzeugen.
Wenn das zusammengefügte Verbundmaterial beispielsweise als Tragflügel-Außenhaut für ein Flugzeug benutzt wird, ist es wichtig, dass nur eine minimale Unterbrechung der äußeren Oberfläche der Außenhaut zustandekommt.
Deshalb sollte möglichst der Bauteil, der die Außenhaut bildet, mit der Kappe 34 oder 34a nach der Innenseite des Tragflügels gerichtet bleiben, wobei die 0°-Schichten verbleiben und eine im Wesentlichen ununterbrochene Oberflächenschicht auf der äußeren Oberfläche der Tragflügel-Außenhaut zustandekommt.
In den 4 und 5 können die 0°-Schichten 14, 24 einstückig durch eine einzige Arbeitsweise in einer Auflagemaschine hergestellt werden, und zwei getrennte ±45°-Schichten werden danach der Maschine zugeführt, um die Überlappungsverbindungen 32, 33 zu erzeugen. Auf diese Weise sind nicht zwei getrennte Verbundmaterialstücke 10, 12 erforderlich, obgleich zwei getrennte ±45°-Schichten vorgesehen und einer Auflagemaschine zugeführt werden, um die Überlappungsverbindung 32 zu erzeugen.
Es sind Maschinen bekannt, die eine Zweirichtungsauflage der Fasern bewirken, beispielsweise unter 0° und unter 90°. Diese Maschinen erzeugen Stoffbahnen mit einer Breite bis zu 5 m. Daher kann durch Benutzung des in Verbindung mit 4 und 5 beschriebenen Verfahrens, wo zwei ±45°-Schichten der Maschine zugeführt werden, diese Maschine benutzt werden, um Mehrachsen-Stoffbahnen herzustellen, die eine Breite besitzen, die wesentlich größer ist als 1,7 m.
Nunmehr wird auf 7 Bezug genommen. Es wird eine vorherrschend in Kettrichtung angeordnete 0°-Schicht 14 auf einer zweiachsigen Auflagemaschine auf einer vorherrschend in Schussrichtung verlaufenden 90°-Schicht 40 erzeugt. Die 0°-Schicht 14 wird während des Auflageverfahrens mit einer nutartigen Ausnehmung 47 erzeugt. Zwei ±45°-Schichten 44, 46, die die Schichten 16, 18 bilden, werden auf einer mehrachsigen Auflagemaschine der zweiachsigen Auflagemaschine derart zugeführt, dass sie, wie in 7, einander überlappen, um eine Überlappungsverbindung 48 herzustellen. Die Hinzufügung der 90°-Schicht und die Überlappung der beiden ±45°-Schichten 44, 46 unterstützen die Kompensation der dünneren 0°-Schicht, wo die Ausnehmung 26 ausgebildet ist. Falls erforderlich, kann jedoch eine Kappe, wie oben beschrieben, über der Verbindung 48 angebracht werden.
8 zeigt ein Flugzeug 50 mit Tragflügeln 52, die jeweils mit einer Außenhaut 54 versehen sind, welche aus einem Verbundmaterial bestehen, das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist. Die Verbindung ist bei 21 in 8 dargestellt und drei Schichten 14, 16 und 18 sind hierbei angegeben. Im typischen Fall erstrecken sich die 0°-Fasern der vorherrschend in Kettrichtung verlaufenden Schicht 14 in Spannrichtung der Tragflügel 52, während die Fasern der Schichten 16, 18 unter ±45° verlaufen.
Es ist klar, dass ein Verfahren gemäß der Erfindung die Möglichkeit schafft, eine Maschine, die zur Herstellung von zweiachsigen Stoffbahnen bis zu 5 m Breite geeignet ist, benutzt werden kann, um eine mehrachsige Stoffbahn gleicher Breite zu erzeugen. Bisher war dies nicht möglich.

Claims

Verfahren zur Konstruktion eines Verbundwerkstoffes, der aus einem Laminat von Schichten besteht, das eine vorherrschend in Kettrichtung verlaufende Schicht und eine vorherrschend in Schussrichtung verlaufende Schicht aufweist und das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass eine Ausnehmung (20; 26; 47) in einer äußeren Oberfläche eines Materialstückes ausgeformt wird, wobei die Ausnehmung wenigstens teilweise von einer vorherrschend in Kettrichtung verlaufenden Schicht (14) der Konstruktion definiert wird, dass ein erstes Materialstück (10) der Konstruktion längs einem zweiten Materialstück (12) der Konstruktion angeordnet wird, wobei wenigstens ein Teil (12a; 12b; 12c) des zweiten Materialstücks (12) in der Ausnehmung (20; 26; 47) und wenigstens ein Teil (10a; 10b; 10c) des ersten Materialstücks (10) überlappend angeordnet wird, um eine Überlappungsverbindung (21; 32; 33; 48) zu bilden, wobei der Teil (12a; 12b; 12c) des zweiten Materialstücks (12) in der Ausnehmung (20; 26; 47) und der überlappende Teil (10a; 10b; 10c) des ersten Materialstücks vorherrschend in Schussrichtung verlaufende Schichten aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der ersten und zweiten Materialstücke (10, 12) aus einem Laminat von Schichten besteht, das vorherrschend in Kettrichtung verlaufende Schichten (14) und vorherrschend in Schussrichtung verlaufende Schichten (16, 18) aufweist, wobei das Verfahren die Anordnung von zwei Materialstücken (10, 12) in Längsrichtung zueinander aufweist, wobei die Ränder der vorherrschend in Kettrichtung verlaufenden Schicht (14) eines jeden Stückes sich in der gleichen Richtung erstrecken.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (20) in einem Rand des ersten Stückes (10) aus Verbundwerkstoff ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der entsprechende Rand des zweiten Stückes aus Verbundmaterial (12) in der gleichen Weise geformt wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (12) dadurch gebildet wird, dass der Rand der vorherrschend in Kettrichtung verlaufenden Schicht (14) des ersten Stückes (10) von dem benachbarten Rand der vorherrschend in Schussrichtung verlaufenden Schicht (16, 18) zurückversetzt wird, um einen Teil der Überlappungsverbindung (21) zu schaffen.
Verfahren nach den Ansprüchen 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der vorherrschend in Kettrichtung verlaufenden Schicht (14) des zweiten Materialstücks (12) benachbart zu dem Rand vermindert wird, damit die vorherrschend in Schussrichtung verlaufende Schicht (16, 18) und ein Restteil der vorherrschend in Kettrichtung verlaufenden Schicht (14) in die Ausnehmung (20) eingefügt werden können, um die Überlappungsverbindung (21) zu schaffen.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der entsprechende Rand des ersten Materialstücks (10) in der gleichen Weise geformt wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rand des Restteiles der vorherrschend in Kettrichtung verlaufenden Schicht (14) des zweiten Stückes (12) an den Rand der vorherrschend in Kettrichtung verlaufenden Schicht (14) des ersten Materialstücks (10) angelegt wird, wenn die Überlappungsverbindung (21) hergestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (26) dadurch hergestellt wird, dass eine Länge eines dünneren vorherrschend in Kettrichtung verlaufenden Materials (24) zwischen den Rändern der vorherrschend in Kettrichtung verlaufenden Schichten (14) oder innerhalb der Breite einer vorherrschend in Kettrichtung verlaufenden Schicht (14) angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 9 in Abhängigkeit von Anspruch 2, bei dem eine dünnere Länge aus einem vorherrschend in Kettrichtung verlaufendem Material (24) am Rand der vorherrschend in Kettrichtung verlaufenden Schicht (14) des ersten Materialstücks (10) angeordnet wird, wobei die dünnere Länge (24) gegen den Rand der vorherrschend in Kettrichtung verlaufenden Schicht (14) des zweiten Materialstücks (12) angelegt wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des dünneren vorherrschend in Kettrichtung verlaufenden Materials (24) aus einer größeren Zahl von Fasern oder Fasern mit höherem Modul gebildet wird im Vergleich mit den Fasern, die benutzt werden, um die vorherrschend in Kettrichtung verlaufende Schicht oder die Schichten (14) zu konstruieren.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Überlappungsverbindung (32) derart gebildet wird, dass ein Teil (12b; 12c) der vorherrschend in Schussrichtung verlaufenden Schicht (16, 18) nur eines der Stücke (12) in der Ausnehmung (26) zu liegen kommt, während ein Teil (10b; 10c) der anderen vorherrschend in Schussrichtung verlaufenden Schicht (16, 18) des anderen Stückes wenigstens einen Abschnitt hiervon überlappt.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Teil (10c) der anderen vorherrschend in Schussrichtung verlaufenden Schicht (16, 18) des anderen Stückes (10) derart angeordnet wird, dass der gesamte Teil (12c) der vorherrschend in Schussrichtung verlaufenden Schicht (16, 18) des einen Materialstücks (12) überlappt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lage (34, 34a) des vorherrschend in Kettrichtung verlaufenden Materials auf der Außenseite der Überlappungsverbindung (32, 33) angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (47) als Nut in einer Oberfläche der vorherrschend in Kettrichtung verlaufenden Schicht (14) ausgebildet wird und dass eine weitere vorherrschend in Schussrichtung verlaufende Schicht (40) auf der gegenüberliegenden Oberfläche der mit Ausnehmung versehenen vorherrschend in Kettrichtung verlaufenden Schicht (14) angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Materialstücke (10, 12) einer Maschine derart zugeführt werden, dass die Überlappungsverbindung (21; 32; 33) erfolgt, wobei die vorherrschend in Kettrichtung verlaufende Schicht (14) und die weitere vorherrschend in Schussrichtung verlaufende Schicht (40) in einem einzigen Auflage-Arbeitsvorgang zugeführt werden.
Tragflügel mit einer Außenhautpaneele, bestehend aus einem Material, das durch das Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche verbunden wurde.
Flugzeug mit einer Außenhautpaneele, die aus einem Material geformt wurde, welches durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16 hergestellt wurde.
Verbundwerkstoff-Konstruktion, bestehend aus einem Laminat von Schichten, die eine vorherrschend in Kettrichtung verlaufende Schicht und eine vorherrschend in Schussrichtung verlaufende Schicht aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Konstruktion eine Ausnehmung (20; 26; 47) aufweist, die wenigstens teilweise durch eine vorherrschend in Kettrichtung verlaufende Schicht (14) der Konstruktion definiert wird und dass ein erstes Materialstück (10) längs eines zweiten Materialstücks (12) angeordnet wird, wobei wenigstens ein Teil (12a, 12b, 12c) des zweiten Materialstücks (12) in der Ausnehmung (20; 26; 47) zu liegen kommt und der erste Teil (12a; 12b; 12c) des zweiten Materialstücks (10) in der Ausnehmung wenigstens einen Teil (10a; 10b; 10c) des ersten Materialstücks (10) überlappt, um eine Überlappungsverbindung (21; 32; 33; 48) zu schaffen, wobei der mit Ausnehmung versehene Teil (12a; 12b; 12c) des zweiten Materialstücks (12) in der Ausnehmung und der überlappte Teil des ersten Materialstücks (10) vorherrschend in Schussrichtung verlaufende Schichten aufweisen.