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DE3315246C2 - Bauteil in Sandwichbauweise - Google Patents

Bauteil in Sandwichbauweise

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Publication number
DE3315246C2
DE3315246C2 DE3315246A DE3315246A DE3315246C2 DE 3315246 C2 DE3315246 C2 DE 3315246C2 DE 3315246 A DE3315246 A DE 3315246A DE 3315246 A DE3315246 A DE 3315246A DE 3315246 C2 DE3315246 C2 DE 3315246C2
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DE
Germany
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fiber composite
component
webs
cover layers
support core
Prior art date
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Expired
Application number
DE3315246A
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English (en)
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DE3315246A1 (de
Inventor
Claus Hohmann
Josef Kundinger
Martin 8850 Donauwörth Mühleck
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Airbus Helicopters Deutschland GmbH
Original Assignee
Messerschmitt Bolkow Blohm AG
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Publication date
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Priority to US06/597,931 priority patent/US4578303A/en
Priority to FR8406517A priority patent/FR2545037B1/fr
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Abstract

Um ein Faserverbund-Sandwichbauteil gekrümmter Oberfläche mit einem durch und durch homogenen Wärmeausdehnungsverhalten zu schaffen, ist der wabenförmige Sandwich-Stützkern 204 aus mit den Deckschichten 206, 208 materialgleichen, vorgefertigten, entsprechend der Querschnittsform des Stützkerns jeweils einzeln im gehärteten Zustand zugeschnittenen und dann unter gegenseitiger form- und/oder stoffschlüssiger Verbindung zusammengebauten Faserverbund-Elementen 222 mit sich kreuzender Faserorientierung zusammengesetzt, und auf den so fertiggestellten Stützkern 204 sind die Deckschichten auflaminiert und ausgehärtet, und zwar mit Hilfe eines Formwerkzeugs 224 gleicher Bauweise und aus dem gleichen Faserverbundwerkstoff wie das herzustellende Sandwichbauteil.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Bauteil in Sandwichbauweise nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 3.
Es ist bekannt (GB-PS 13 80 245), ein Sandwichbauteil der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art als Tragflügel eines Luftfahrzeugs aus einem aus jeweils einzeln entsprechend dem Tragflügelprofil zugeschnittenen Blechstegen zusammengesetzten Wabenkern und mit diesem verbundenen äußeren Deckblechen herzustellen. Ein solches Ganzmetall-Sandwichbauteil besitzt jedoch neben einem, bezogen auf die Steifigkeit, hohen Eigengewicht eine relativ geringe thermische Formbeständigkeit und Formgenauigkeit, vor allem wenn die Deckbleche für ein Bauteil mit räumlich gekrümmter Oberfläche ausgebildet werden müssen, so daß derartige Sandwichbauteile für Anwendungsfälle, wo es auf eine hochgradige Konturentreue und Formstabilität der Bauteiloberflache unter Temperaturschwankungen ankommt, ungeeignet sind. Bn solcher Anwendungsfall ist etwa ein Radioteleskopspiegel von mehr als IGm Durchmesser, der aus jeweils ein paraboloidförmiges Spiegelsegment bildenden Sandwichbauteilen zusammengesetzt ist und unter starken Temperaturdifferenzen eine gleichbleibend exakte Fokussierwirkung gewährleisten muß, oder wenn die Formwerkzeuge zur Herstellung solcher Spierelsegmente ihrerseits als unter Wärmeeinwirkung formbeständiges Sandwichbauteil ausgebildet werden sollen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Sandwichbauteil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so auszubilden, daß eine höhere Formgenauigkeit und Formstabilität zu erzielen ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das in Anspruch 1 gekennzeichnete Sandwichbautei! gelöst.
Das erfindungsgemäße Sandwichbauteil, das auf fertigungsmäßig äußerst einfache Weise durch und durch aus dem gleichen Faserverbundwerkstoff aufgebaut ist, verfügt über ein, bezogen auf die Festigkeit, sehr geringes Eigengewicht und eine hochgradige, thermische Formstabilität, weil die Deckschichten und der Wabenkern nicht nur für sich allein einen sehr niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten haben, sondern auch Formänderungen zwischen diesen aufgrund eines unterschiedlichen Wärmeausdehnungsverhaltens mit Sicherheit vermieden werden, mit der Besonderheit, daß die Faserverbundstege vor ihrem der Bauteilkrümmung entsprechenden Zuschnitt gehärtet sind, so daß auf komplizierte Formwerkzeuge, die zur Herstellung einer gekrümmten Faserverbund-Wabenstruktur aus einem Stück nötig sind, oder gar auf eine spanende Nachbearbeitung des fertiggestellten Wabenkerns, die, wenn überhaupt, nur mit sehr aufwendigen Schutzvorkehrungen für die bruchgefährdeten, dünnwandigen Faserverbundstege in Frage kommt, verzichtet wird, während die Faserverbund-Deckschichten im ungehärteten und mit hoher Genauigkeit formbaren Zustand auf den vorgefertigten, formstabilen Wabenkern auflaminiert sind. Im Hinblick auf einen last- und werkstoffgerechten Faserverlauf sind die Faserverbundstege gemäß Anspruch 2 vorzugsweise aus einer gehärteten Faserverbundplatte mit einer schräg zur Steglängsrichtung verlaufenden, multidirektionalen Faserorientierung ausgeschnitten.
Bekannt ist ferner ein Faserverbund-Sandwichbauteil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 3 (DE-OS 28 36 418), bei dem der wabenförmige Stützkern aus
so aufrechtstehenden Faserverbund-Rohrstücken zusammengesetzt ist, die im ungehärteten Zustand entsprechend der gekrümmten Oberflächenkontur des Stützkerns unterschiedlich lang zugeschnitten und zu einem Röhrchenblock gestapelt werden, der dann als Ganzes gehärtet und mit Faserverbund-Deckschichten versehen wird. Beim Aushärten des Röhrchenblocks sind jedoch Änderungen der Faserverbundstruktur und der Röhrchengeometrie an den einzelnen Rohrstücken kaum zu vermeiden, so daß sich Schwierigkeiten hinsichtlich der Formgenauigkeit der Bauteiloberfläche ergeben, wobei hinzu kommt, daß sich Formänderungen, die unter dem Einfluß von Temperaturdifferenzen aufgrund eines unterschiedlichen Wärmeausdehnungsverhaltens zwischen Deckschichten und Wabenkern entstehen, ebenfalls negativ auf die Formgenauigkeit und Formstabilität eines solchen Bauteils auswirken.
Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, ein Faserverbund-Bauteil nach dem Oberbegriff des Patentan-
LD ΖΊ-Ο
Spruchs 3 so auszubilden, daß eine erhöhte Formgenauigkeit und Formstabilität unter Beibehalt eines geringen Hersteüungsaufwandes gewährleistet wird.
Bei der alternativen, im Anspruch 3 gekennzeichneten Lösung dieser Aufgabe ergibt sich — analog zu der Lösung nach Anspruch 1 — ein durch und durch aus dem gleichen Faserverbundwerkstoff bestehendes, von thermisch bedingten Formänderungen zwischen Wabenkern und Deckschichten freies Sandwichbauteil, bei dem die einzelnen Profilstücke vor ihrem Zuschnitt gehärtet und dann in unterschiedlicher Länge zum fertigen Wabenkern verbunden werden, so daß wiederum auf komplizierte Formwerkzeuge, die zum Aushärten einer gekrümmten Faserverbund-Wabenstruktur in einem Stück erforderlich sind, oder gar auf eine spanende Nachbearbeitung des Wabenkerns verzichtet werden kann, während die Deckschichten im ungehärteten, mit hoher Genauigkeit formbaren Zustand auf den entsprechend gekrümmten Wabenkern auflaminiert und dann gehärtet werden, wodurch wiederum ein hochgradig formgenaues und unter Temperaturschwankungen formstabiles Faserverbund-Sandwichbauteil auf fertigungsmäßig äußerst einfache Weise erhallen wird.
Um die Stufensprünge zwischen benachbarvcn Profilstücken, die bei gleichbleibender Krümmung der Bauteiloberfläche durch das Deckschicht-Laminat ausgeglichen werden, nicht zu groß werden zu lassen, sind in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung gemäß Anspruch 4 in Bereichen mit stärkerer Steigung der Oberflächenkontur des Bauteils Profilstücke mit einem kleineren Profilquerschnitt als in den Bereichen mit geringerer Steigung vorgesehen, und zusätzlich können die Profilstücke an ihren Enden jeweils tangential zur Oberflächenkontur des Bauteils abgeschrägt sein.
Wegen seiner überlegenen mechanischen und thermisehen Materialeigenschaften wird gemäß Anspruch 5 vorzugsweise Carbonfaserverbundwerkstoff für die Einzelelemente des Wabenkerns und die Deckschichten gewählt, wobei es sich für extrem hohe Formgenauigkeitsanforderungen, etwa bei der eingangs erwähnten Anwendung für Radioteleskopspiegel empfiehlt, das Deckschicht-Laminat während der Verbindung mit dem Wabenkern auf einem entsprechend der Oberflächengeometrie des Bauteils gekrümmten Formwerkzeug aus- oder zumindest anhärten zu lassen.
Die Erfindung wird nunmehr anhand einiger Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt
F i g. 1 eine schematische, perspektivische Ansicht eines Faserverbund-Sandwichbauteils mit einem aus Einzelstegen zusammengesetzten Wabenkern, wobei die obere Deckschicht der Deutlichkeit halber teilweise gebrochen dargestellt ist;
F i g. 2 eisie perspektivische Darstellung zweier Einzelstege des Wabenkerns gemäß F i g. 1 vor dem Zusammenbau;
Fig.3 eine der Fig. 1 ähnliche, perspektivische Ansicht eines Faserverbund-Sandwichbauteils mit einem aus rohrförmigen Profilstücken zusammengesetzten Wabenkern; und
Fig.4 eine teilweise geschnittene Darstellung eines der Fig. 3 entsprechenden Sandwich-Bauteils beim Auflaminieren der Deckschicht.
Das in den Fig. 1 und 2 gezeigte Sandwichbauteil 2 besteht aus einem inneren, wabenfönnigen Stützkern 4 und auf diesen auflaminierten, oberen und unteren Deckschichten 6 unO 8 und besitzt an der oberen Deckschicht 6 eine räumlich gekrümmte, als Paraboloid-Teilfläche ausgebildete Oberflächenkontur. Der Wabenkern 4 ist aus dem gleichen Faserverbund-Werkstoff, nämlich vorzugsweise Carbonfaserverbundwerkstoff, wie die Deckschichten 6 und 8 hergestellt und zu diesem Zweck aus einzelnen, in sich kreuzender Anordnung zusammengesteckten, vorgefertigten, dünnwandigen Faserverbund-Quer- und Längsstegen 10. 12 zusammengesetzt, von denen die Querstege 10 im zur Symmetrieachse des Paraboloids senkrechten Ebenen angeordnet und dementsprechend an ihrem mit der oberen Deckschicht 6 verklebten Rand 14 kreisbogenförmig ausgebildet sind, während die Längsstege 12 zum Scheitelpunkt des Paraboloids hin konvergierend ausgerichtet und am oberen Rand 16 nach Maßgabe der Erzeugenden der Paraboloidfläche parabelförmig geformt sind. Vorgefertigt werden die Stege 10 und 12 aus einer dünnwandigen, gehärteten Faserverbundplatte mit sich kreuzender Faseranordnung, die entsprechend dem jeweiligen Zuschnitt der einzelnen Stege 10, 12 derart zersägt wird, daß die Verstärkungsfasern im Steg 10 bzw. 12 schräg zur Steglängsrichtung verlaufen, wie dies in F i g. 2 durch die Kreuzschraffur r. /gedeutet ist. Die Stege 10, Yl sind — mit Ausnahme dei äußeren Begrenzungsstege des Wabenkerns 4 — in regelmäßigen Abständen gegensinnig zueinander, d. h. die Querstege 10 vom oberen Rand 14 aus und die Längsstege 12 vom unteren Rand aus, mit Schlitzen 18 versehen (F i g. 2), so daß sie sich unter gegenseitiger formschlüssiger Verankerung ineinander stecken lassen, wobei sie an ihren Kreuzungsstellen zusätzlich noch verklebt werden, und somit im zusammengebauten Zustand einen formstabilen Wabenkern 4 bilden, der auf der Oberseite paraboloidförmig gekrümmt ist und nach dem Auflaminieren und Aushärten der Deckschichten 6,8 das fertige Sandwichbauteil 2 paraboloidförmiger Oberflächenkontur ergibt. Die vor dem Zusammenbau des Wabenkerns 4 in den Stegen 10,12 zwischen den Schlitzen 18 ausgebildeten Perforationen 20 sorgen für einen ungehinderten Druckausgleich der einzelnen Kammern des Wabenkerns 4 untereinander und zur Umgebung.
Das Sandwichbauteil gemäß F i g. 3, wo die dem ersten Ausführungsbeispiel entsprechenden Teile durch das gleiche, jedoch um 100 erhöhte Bezugszeichen gekennzeichnet sind, unterscheidet sich von diesem dadurch, daß der Wabenkern 104 nicht aus Quer- und Längsstegen 10, 12, sondern aus vorgefertigten, aufrechtstehenden Profilstücken 122 in Form aneinanderliegender Rohrstücke aus Carbonfaserverbundwerkstoff zusammengesetzt ist, die aus einem gehärteten Faserverbund-Endlosrohr in unterschiedlichen, jeweils der örtlichen Stützkernhöhe entsprechenden Längen abgetrennt, mit Perforationen 120 versehen und anschließend unter geseitiger Fixierung an ihren Berührungsstellen derart miteinander verklebt werden, daß sie in feinsti'figer Annäherung die gewünschte Oberflächenkontur des Wabenkerns 104 annehmen. Der auf diese Weise zu einem foimstabilen Wabenkern 104 zusammengebaute Rohrverbund wird dann seitlich auf das geforderte Endmaß beschnitten und mit den Randstegen 110, 112 versehen und ist nach dem Auflaminieren und Aushärten dei Deckschichten 106. 108 zu einem Sandwichbauteil 102 räumlich gekrümmter Oberflächengeometrie, das einschließlich des Wabenkerns 104 vollständig aus CarbonfaserverbundwerkMoff besteht, fertiggestellt.
In Fig.4, wo die den ersten Ausführungsbeispielen entsprechenden Bauelemente wiederum durch das gleiche, jedoch um 200 erhöhte Bezugszeichen gekenn-
zeichnet sind, ist ein ebenfalls aus Rohrstücken 222 zusammengesetzter Wabenkern 204 gezeigt, bei dem der Rohrdurchmesser, ausgehend von den mittleren, im Schnitt dargestellten Rohrstücken, nach außen hin. also zu den Bereichen größerer Tangentensteigung der Oberflächenkontur, abnimmt, so daß die an den Rohrenden vorhandenen Höhensprünge ein vorgegebenes Maß nicht überschreiten und durch das Deckschicht-Laminat 206 ohne Beeinträchtigung der — in diesem Fall konvexen — Oberflächenkontur des Bauteils 202 ausgeglichen werden. In den Bereichen größerer Tangentialsteigung der Oberflächenkontur ist es wahlweise oder zusätzlich auch möglich, die Rohrstücke 222 von dem Endlos-Profilstrang entsprechend schräg abzutrennen, um eine noch feinstufigere Anpassung an die Oberflä- is chenkontur zu erhalten.
Bei höheren Anforderungen an die Oberflächengenauigkeit des Bauteils werden die Deckschichten nicht mehr frei, sondern mit Hilfe einer in F i g. 4 für die Deckschicht 205 "e^ei^tori Ncütivforrn 2*^4 °uf!'*!Tii"i'*f't ?n
Diese wird mit dem Deckschicht-Laminat belegt, woraufhin der vorgefertigte, aus den miteinander verklebten Rohrstücken 222 bestehende Wabenkern 204 in das Laminat eingedrückt und dieses anschließend unter Druck- und Wärmeeinwirkung im Autoklaven ausgehärtet wird. Um dabei die aus Festigkeitsgründen erforderlichen Aushärttemperaturen und -zeiten einhalten zu können und ein unterschiedliches Wärmeausdehnungsverhalten von Faserverbund-Sandwichbauteil 202 und Negativform 224 auszuschließen, ist die Negativform 224 ihrerseits in gleicher Weise als Sandwich-Bauteil und aus dem gleichen Faserverbundwerkstoff wie das mit ihr zu fertigende Bauteil 202 hergestellt.
Zur Herstellung einer solchen Sandwichform, von der sich dann etwa die Bauteile 2 und 102 abformen lassen, wird nochmals auf die F i g. 4 Bezug genommen, wobei das Bauteil 202 nunmehr die herzustellende Sandwichform darstellt, während das Formteil 224, das hinsichtlich seiner Oberflächenkontur ein Urtnodell der mit der Sandwichform herzustellenden Bauteile ist, aus einem metallischen oder keramischen Werkstoff besteht.
Anders als bei der oben beschriebenen Heißhärtung wird die aus dem zunächst noch ungehärteten Deckschichtlaminat 206, 208 und dem aus gehärteten Faserverbundelementen 222 vorgefertigten Wabenkern 204 bestehende Sandwichform 202 auf dem Formteil 224 bei Raumtemperatur kalt abgeformt und anschließend bei mäßiger Temperatur, z. B. 40°, getempert, wodurch die Sandwichform 202 eine hochexakte, von thermischen Verzerrungen freie Oberflächenkontur erhält und die für die spätere Verwendung der Sandwichform 202 beim Heißhärten der mit ihr zu fertigenden Bauteile 2 oder 102 erforderliche Warmfestigkeit aufweist. Besteht das Formteil 224 aus Keramik mit etwa dem gleichen
bundwerkstoff, so kann die Sandwichform 202 wahlweise auch auf dem Formteil 224 mit normaler Härtungstemperatur (ca. 120°) — allerdings mit einem wesentlich verlangsamten Härtungszyklus, um unzulässige Wärmespannungen beim Aufheizen des Keramikteils 224 zu vermeiden — ausgehärtet werden.
In beiden Fällen, also sowohl beim Tempern als auch beim verlangsamten Heißhärten, ist die mechanische und therr Ische Standfestigkeit der so gefertigten Sandwichform 202 ausreichend, um mit ihr als Fernwerkzeug die beschriebenen Faserverbund-Sandwichbau:eile im Autoklaven unter Einhaltung üblicher Härtungstemperaturen und -zyklen mit höchsten Festigkeks- und Formgenauigkeitsanforderungen problemlos zu fertigen.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:
1. Bauteil in Sandwichbauweise mit gekrümmter Oberfläche, bestehend aus einer unteren und einer oberen Deckschicht und einem wabenförmigen Stützkern zwischen diesen, der aus einzeln entsprechend der jeweiligen Bauteilkrümmung zugeschnittenen und in sich kreuzender Anordnung zusammengesteckten Stegen besteht, dadurch gekennzeichnet, daß es als Faserverbundbauteil ausgebildet und als Material für die Deckschichten (6,8) und für die Stege (10,12} der gleiche Faserverbundwerkstoff vorgesehen ist und der der Stege vor deren Zuschnitt und der der Deckschichten nach dem Auflaminieren auf dem Stützkern (4) gehärtet ist
2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege (10,12) eine schräg zur Steglängsrichtung verlaufende, muitidirektionale Faserorientierung aufweisen.
3. Faserverbund-Bauteii in Sandwichbauweise mit gekrümmter Oberfläche, bestehend aus einer unteren und einer oberen Deckschicht und einem wabenförmigen Stützkern zwischen diesen, der aus einzelnen, entsprechend der Oberflächenkontur des Bauteils unterschiedlich lang zugescjmittenen und aneinandergereiht gegenseitig verbundenen Faserverbund-Profilstücken, z. B. Rohrstücken, zusammengesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für die Deckschichten (106,108; 206,208) und für die Profilstücke (122; 222) der gleiche Faserverbundwerkstoff vorgesehen ist und ifer der Profilstücke vor deren Zuschnitt und der der Deckschichten nach dem Auflaminieren auf dem Stutzern (104; 204) gehärtet ist.
4. Faserverbund-Bautei! nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in Bereichen mit stärkerer Steigung der Oberflächenkontur des Bauteils (102; 202) Profilstücke (122; 222) mit kleinerem Profilquerschnitt als in den Bereichen mit geringerer Steigung vorgesehen sind (F i g. 4).
5. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege (10, 12) bzw. Profilstücke (122; 222) und die Deckschichten (6,8; 106,108; 206,208) aus Carbonfaserverbundwerkstoff bestehen.
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