DE3911691C2 - Verbundbefestigungselement und damit ausgebildete Verbundbefestigung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein faserverstärktes Verbundbe­ festigungselement gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, auf eine damit ausgebildete Verbundbefestigung und auf ein fa­ serverstärktes Verbundbefestigungselement gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 10. Damit zu befestigende Verbundbauteile können beispielsweise Schaufeln, Verstrebungen, Flügel oder dergleichen sein. Diese Verbundbauteile weisen ein an eine Strömung angepaßtes Profil auf, sind von Luft umströmt und aus einem Verbundwerkstoff hergestellt.

Die zunehmende Verwendung von Verbundbauteilen in der Primär- und Sekundärstruktur von Flugzeugen hat die Auf­ merksamkeit auf Verbesserungen deren genereller Qualität und lang andauernden Zuverlässigkeit unter Beibehaltung ei­ nes geringen Gewichts gerichtet. Umströmte Verbundbauteile, die oft hohl sind und verschiedenartige Aussteifungsstrukturen in Ihrem Inneren aufweisen, bestehen häufig aus einem Ver­ bundwerkstoff, beispielsweise einem Graphit-Epoxy-Werk­ stoff, einem Graphit-Glas-Epoxy-Werkstoff oder ähnlichen faserverstärkten Verbundwerkstoffen. Wenn ein Element der Struktur metallisch ist, ist die Gefahr einer galvanischen Korrosion sehr hoch; dies kann auch Aluminiumbefestigungen und selbst Befestigungen aus rostfreiem Stahl betreffen. Aus diesem Grunde werden häufig Titanbefestigungen verwen­ det.

Verbundbefestigungen für umströmte Verbundbauteile waren Gegen­ stand von früheren Entwicklungsprogrammen. Beispielsweise wurden faserverstärkte, thermoplastische Spritzguß-Niete und -Bolzen in einem U. S. Air Force Programm untersucht, über das in dem Report AFML-TR-79-4044, Project IR-453- 7(1), Juni 1979 berichtet wurde. Die Kurzfaser-Verstärkung begrenzt aber die Spannungseigenschaften derartiger vorge­ formter thermoplastischer Niete. Es ist deshalb weiterhin notwendig, eine einfache Verbundbefestigung mit verbesser­ ten mechanischen Eigenschaften zu entwickeln, um ein Ver­ bundmaterial mit einem anderen Verbundmaterial oder ein Verbundmaterial mit einem Metallmaterial beim Aufbau von umströmten Bauteilen oder anderen Flugzeugstrukturen zu entwickeln.

Ein gattungsgemäßes faserverstärktes Verbundbefestigungselement ist aus der US 4 687 395 A bekannt und weist einen Kopfab­ schnitt und einen Schaftabschnitt auf, die einstückig ausgebil­ det sind und im wesentlichen um eine Längsachse orientiert sind. Es dient ferner zum Befestigen eines ersten Elements und eines zweiten Elements eines Verbundbauteils, dessen Elemente von einer Öffnung durchdrungen sind, in die das faserverstärkte Verbundbefestigungselement eingesetzt ist.

Weitere Verbundbefestigungselemente sind aus der US 4 687 394 A, US 4 687 396 A, US 4 687 397 A und US 4 687 398 A bekannt.

Die FR 949 144 betrifft ein metallisches Niet, das ausschließ­ lich aus einem oder mehreren gewickelten dünnen Metallbändern besteht und ausschließlich zur Verbindung von metallischen Bau­ teilen verwendet wird. Die mit den gewickelten Metallbändern erzeugten Vorteile liegen darin, daß das gewickelte Niet besse­ re Eigenschaften bei Kälte hat und auch bei der Verbindung von dünnen Metallwänden geeignet eingesetzt werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein faserverstärktes Verbundbefestigungselement gemäß den Oberbegriffen der Patent­ ansprüche 1 und 10 so weiterzubilden, daß damit eine Verbundbe­ festigung mit einem konstruktiv einfachen Aufbau, guten mecha­ nischen Eigenschaften und einer hervorragenden Festigkeit er­ reicht wird.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 10 gelöst.

Erfindungsgemäß besteht das Verbundbefestigungselement entweder aus einer Vielzahl übereinander angeordneter Verbundlagen, die spiralförmig gewickelt sind, oder aus einer einzelnen spiral­ förmig gewickelten Verbundlage. Im Fall der Verwendung von meh­ reren Verbundlagen ist das Verbundbefestigungselement in einer vom Kopfabschnitt zum Schaftabschnitt verjüngenden Form gebil­ det. Im Fall der Verwendung einer einzelnen gewickelten Ver­ bundlage sind die freien Enden der gewickelten Verbundlage auf­ gespreizt und weisen eine darin ausgebildete Vertiefung auf, in die ein Stöpsel eingeklebt ist.

Eine mit dem erfindungsgemäßen Verbundbefestigungselement ge­ bildete Verbundbefestigung ist Gegenstand des Anspruchs 6.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentan­ sprüchen definiert.

In einer Ausführungsform betrifft die Erfindung eine Verbundbe­ festigung für Flugzeugbauteile oder Flugzeugtriebswerkskompo­ nenten wie Schaufeln, Verstrebungen, Flügel oder dergleichen. Vorzugsweise besteht die Verbundbefestigung aus einem wärme­ härtbaren oder thermoplastischen, mittels parallelen oder in einer Richtung ausgerichteten Fasern verstärkten Verbundlagenmaterial, das an einem Ende eine erhöhte Dicke aufweist und im wesentli­ chen um die Faserachse spiralförmig gewickelt ist, um ein sich verjüngendes oder konisches Faser-Verbundbefestigungs­ element mit einem einstückigen Kopf an einem Ende zu schaf­ fen. Bei der Befestigung eines Verbundmaterial mit einem anderen Verbundmaterial oder eines Verbundmaterials mit einem metallischen Material wird durch die zu verbindenden Materialien hindurch eine Öffnung bzw. ein Loch ausgebil­ det. In Abhängigkeit von weiteren konstruktiven Überlegun­ gen kann die Öffnung gegebenenfalls eine Ansenkung aufwei­ sen. Bevorzugterweise wird eine Vielzahl von Verbundbefe­ stigungselementen - üblicherweise aber zwei - von beiden bzw. entgegengesetzten Seiten oder Richtungen durch die Öffnung geschoben, wobei die dickeren Enden, d. h. die Köpfe, der Verbundbefestigungselemente an unterschiedlichen Enden des Durchgangsloches angeordnet sind, um die Verbundbefestigung zu bilden. Überschüssiges Material der Verbundbefestigungs­ elemente kann entfernt werden. Der Kopf jedes Verbundbefe­ stigungselementes kann dabei auch eine Ansenkung ausfüllen. Anschließend wird die konische Verbundbefestigung auf eine geeignete Temperatur erwärmt, um den wärmehärtbaren Werk­ stoff der Verbundlagen zu härten.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des erfindungsge­ mäßen Verfahrens umgibt eine elastische Hülle ein von Luft umströmtes Bauteil, das aus einer Vielzahl von Einzelbau­ teilen besteht, die vorübergehend mittels zumindest eines Paares von konischen Verbundbefestigungselementen miteinan­ der mechanisch verbunden sind, wie es im vorhergehenden be­ schrieben wurde. Die Luft innerhalb der elastischen Hülle wird dann entfernt. Anschließend wird ein Gas- oder Luft­ druck von der Außenseite der Hülle zusammen mit Wärme zuge­ führt, um beispielsweise die wärmehärtbaren konischen Ver­ bundbefestigungselemente zu härten und um bevorzugterweise die Oberfläche der Verbundbefestigung mit dem angrenzenden Verbund- oder Metallmaterial glatt bzw. bündig auszubilden.

Wenn das Loch keine Ansenkung aufweist, kann ein erwärmter Stempel oder ein Formwerkzeug über dem Kopf jedes Verbund­ befestigungselementes angeordnet werden, um eine pilzför­ mige Befestigung auszubilden.

Erfindungsgemäß ist somit eine vorteilhafte Verbundbefesti­ gung geschaffen, die einen konstruktiv einfachen Aufbau aufweist und bei Gebrauch gute mechanische Eigenschaften beibehält. Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß die koni­ schen Verbundbefestigungselemente dazu verwendet werden können, um ein Verbundmaterial mit einem anderen Verbundma­ terial oder mit einem metallischen Material mittels eines einfachen Vorgangs zu verbinden. Es liegt jedoch für den Fachmann auf der Hand, daß zahlreiche Abwandlungen und Änderungen ausführbar sind, ohne den in den Patentansprüchen definierten Schutzbereich der Erfindung zu verlassen.

Fig. 1 zeigt eine vereinfachte Seitenansicht eines umströmten Bauteils, das mit einer Verbundbefestigung gemäß der Erfin­ dung versehen ist,

Fig. 2 ist ein Querschnitt durch das umströmte Bauteil der Fig. 1 entlang der Linie 2-2,

die Fig. 3 bis 5 zeigen in Folge die Herstellung eines konischen Faser-Verbundbefestigungselementes, das aus wär­ mehärtbaren Verbundlagen mit parallelen Fasern besteht,

die Fig. 6 bis 8 sind teilweise geschnitten dargestellte Seitenansichten eines umströmten Bauteils und zeigen die Verbundbe­ festigungselemente im eingesetzten und im aushärtenden Zustand sowie die endgültige Struktur,

Fig. 9 zeigt ein gegenüber Fig. 7 alternatives Aushärtever­ fahren,

Fig. 10 zeigt ein weiteres Verfahren, wenn ein pilzförmiger Kopf an der Verbundbefestigung erwünscht ist,

die Fig. 11 bis 13 zeigen die Verwendung eines einzelnen Verbundbefestigungselementes in Befestigungsstrukturen,

die Fig. 14 und 15 zeigen die Verwendung eines geformten Verbundstöpsels in Verbindung mit der in den Fig. 11 bis 13 dargestellten, erfindungsgemäßen Verbundbefestigung und

Fig. 16 ist ein Diagramm, das die Scherfestigkeit der koni­ schen Verbundbefestigung gemäß der Erfindung und die einer herkömmlichen metallischen Befestigung zeigt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von bevorzugten Aus­ führungsbeispielen unter Bezugnahmen auf die beigefügten Zeichnungen ausführlich beschrieben.

Gemäß den Fig. 1 und 2 ist ein umströmtes Bauteil 10, z. B. eine Schaufel für ein nicht-ummanteltes Fan-Triebwerk, ein umströmtes Verbundbauteil, das einen Sparren bzw. einen Holm 12 zur Befestigung an einer drehbaren Nabe aufweist. Der Sparren 12 kann aus Titan oder einem anderen Metall bestehen. Die Schaufel 10 weist einen Metallstreifen 14 auf, der an sei­ ner Vorderkante angebracht ist, um vor Erosion und der Ein­ wirkung von in der Luft befindlichen Partikeln zu schützen. Eine Außenhaut 16 besteht aus einem faserverstärkten Ver­ bundwerkstoff, etwa einem Graphit/Epoxy-Werkstoff. Das Innere der Schaufel 10 enthält an der Vorderkante und der Hinterkante ein leichtgewichtiges, poröses Kernmate­ rial, beispielsweise aufgeschäumte Werkstoffe 18 und 20, die aus dem gleichen oder unterschiedlichen Materialien bestehen können. Die Verbund-Außenhaut 16 ist in herkömmli­ cher Weise mit den leichtgewichtigen Kernmaterialien bei­ spielsweise mittels Klebung verbunden. Bei diesem Ausfüh­ rungsbeispiel sind Metallbolzen, z. B. Titanbolzen 22 a-d und 24 a-d nahe dem Schaft der Schaufel 10 und nahe dem Sparren 12 angeordnet. Die vorhergehende Beschreibung einer Schaufel 10 stellt bloß eine beispielhafte Möglichkeit einer Vielzahl von Verbundkonstruktionen für ein umströmtes Bauteil dar, die in Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Lehre vorteilhaft angewendet werden können.

Verbundbefestigungen 26 a-i verbinden die entgegengesetzt angeordneten Abschnitte der Verbund-Außenhaut 16 und den dazwischenliegenden, aus Titan bestehenden Sparren 12, so daß diese Elemente zumindest teilweise mechanisch zusammengehalten sind und ein Verbundteil, etwa einen Turbomaschinenflügel oder eine Schaufel, bilden. Die Aus­ bildung eines Verbundbefestigungselementes der Verbundbefe­ stigung 26 gemäß den Fig. 1 und 2 ist in den Fig. 3 bis 5 dargestellt. Geeignet dimensionierte Verbundlagen 28, 30, 32 und 34 bestehen aus einsinnig oder parallel zueinander angeordneten, faserverstärkten Verbund­ werkstoffen, deren Fasern im wesentlichen entlang einer Faserachse ausgerichtet sind. Die Fasern, die die Verbund­ lagen bilden, können aus Glas, Graphit, Keramik, einem Polymer oder einem anderen, notwendigen, gewünschten oder geeigneten Werkstoff bestehen. Wenn ein wärmehärtbares Harz verwendet wird, kann der das wärmehärtbare Harz enthaltene Abschnitt, der die Verbundlagen umfaßt, aus jedem wärme­ härtbaren Harz einschließlich einem Epoxyharz, einem poly­ imidem Harz oder ähnlichem bestehen. Es ist wünschenswert, daß einige und bevorzugterweise alle Verbundlagen im wesentlichen parallel oder in einer Richtung verlaufende Fasern enthalten, die in Längsrichtung über die Länge jeder Verbundlage 28, 30, 32 und 34 verlaufen. Dies führt dazu, daß die Fasern in Längsrichtung des Verbundbefestigungsele­ mentes und letztendlich auch der Verbundbefestigung selbst orientiert sind. Es ist anzumerken, daß die Zwischenschal­ tung einer Verbundlage, deren Fasern anders, z. B. in Quer­ richtung orientiert sind, insbesondere im oberen Kopf­ abschnitt einer Kopfform ein alternatives Ausführungsbei­ spiel darstellen kann, mittels dessen spezielle Wirkungen erzielbar sind oder das in Zusammenhang mit anderen Anwen­ dungsgebieten verwendet werden kann. Wie in Fig. 4 gezeigt ist, werden die Vielzahl von Verbundlagen 28, 30, 32 und 32, die unterschiedliche Längen bis zu einer Länge L auf­ weisen, an ihren vorderen Rändern E gegenseitig ausgerich­ tet und im wesentlichen spiralförmig um eine Faserachse 39 herumgewickelt, so daß ein konisches Faser-Verbundbefesti­ gungselement 36 gebildet ist, wie es in Fig. 5 gezeigt ist. Das Verbundbefestigungselement 36 weist einen Kopfabschnitt 35 und einen Schaftabschnitt 37 auf, die von einer Vielzahl von spiralförmig gewickelten faserverstärkten Verbundlagen, deren Fasern entlang der Faserlängsachse 39 ausgerichtet sind, gebildet sind. Entgegen früheren Verbundbefestigun­ gen, die verschiedene Ausführungen von gehärteten Verbund­ befestigungen verwenden, ist das konische Faser-Verbundbe­ festigungselement 36 vor seiner Verwendung in einer Ver­ bundbefestigung zur Verbindung der gewünschten Materialien nicht gehärtet bzw. wärmegehärtet.

Die Fig. 6 bis 8 zeigen jeweils aufeinanderfolgende Verfah­ rensschritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem ein Paar von konischen Faser-Verbundbefestigungselementen 36 und 38 zur Verbindung einer Verbundhaut 40 und einer Verbundhaut 42 mit einem Titan-Sparren 44 durch eine Öff­ nung 45 hindurch verwendet wird. Es soll angemerkt werden, daß die zu befestigenden Teile weder in der gezeigten Reihenfolge noch der gezeigten Anzahl ver­ wendet werden müssen. Die Faser-Verbundbefestigungselemente 36 und 38 können auch einem Verbundwerkstoff mit einem anderen Verbundwerkstoff oder einen Verbundwerkstoff mit einem metallischen Werkstoff oder ähnlichem verbinden. Die speziellen Darstellungen in den Fig. 6 bis 8 folgen dem Aufbau der zuvor erläuterten Schaufel 10. Es ist zu ent­ nehmen, daß ein Paar von konischen Faser-Verbund­ befestigungselementen verwendet wird, um die Materialien 40 und 42 mit dem Titan-Sparren 44 zu verbinden. Es ist aber selbstverständlich auch möglich, mehr als zwei Faser-Ver­ bundbefestigungselemente zu verwenden, wenn dies notwendig, wünschenswert oder günstig sein sollte. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist in der Verbund-Außenhaut 40 eine Ansenkung bzw. Ausfräsung 46 und in der Verbund-Außenhaut 42 eine Ansenkung 48 ausgebildet. Die Köpfe der Faser-Ver­ bundbefestigungselemente 36 und 38 können die Ansenkungen 46 und 48 ausfüllen. Selbstverständlich sind derartige Ansenkungen oder Einkerbungen bei der Anwendung der Erfin­ dung nicht zwingend notwendig, wie später in Zusammenhang mit Fig. 10 erläutert wird.

Nachdem die Faser-Verbundbefestigungselemente 36 und 38 un­ ter Pressung durch die Öffnung 45, die die Verbundhäute 40 und 42 sowie das innere Metallteil, d. h. den Sparren 44, durchdringt, hindurchgezogen wurden, werden die vorstehen­ den, in ihren Abmessungen kleineren, konischen Enden abgeschnitten. Wie in Fig. 7 dargestellt ist, wird die gesamte Vorrichtung dann wünschenswerterweise in einer elastischen Hülle 50 zusammen mit einem Kunststoff-Form­ werkzeug 51, das beispielsweise aus Silikongummi besteht, angeordnet. In der Fig. 7 ist ein Gasdruck, z. B. von einem Druckbehälter, d. h. einem Autoklav, durch Pfeile 53 ange­ deutet. Anschließend wird die Luft aus der Hülle 50 ent­ fernt.

Zur Aushärtung der Harzabschnitte der Faser-Verbundbefesti­ gungselemente 36 und 38, die die Verbundbefestigung bilden, wird die Wärme eines Ofens oder eines Autoklavs verwendet, der eine geeignete Temperatur, die zur Härtung eines derar­ tigen Harzes notwendig ist, halten kann. Darüberhinaus kann der Autoklav einen geeigneten Druck, z. B. 3,45 bis 6,89 . 10⁵ Pa (50 bis 100 psig) Druck, während der Erwärmung der Vorrichtung aufweisen, um die gehärtete Verbundbefestigung weiter zu verdichten und um das glatte Anlegen der Befestigungsköpfe 41 und 43 an die anderen Oberflächen der Verbundhäute 40 und 42, wie es in Fig. 8 dargestellt ist, zu unterstützen. Es ist festzuhalten, daß eine endgültig gehärtete Verbundbefesti­ gung 52 eine integrale, d. h. einstückige Struktur ist, die die Vorrichtung zumindest in Teilbereichen mechanisch fest zusammenhält. Die gehärtete Verbundbefestigung 52 ist bei Verwendung von gleichen Werkstoffen im wesentlichen homogen in ihrer Zusammensetzung und besitzt eine hervorragende Festigkeit. Die zwei oder mehr Faser-Verbundbefestigungs­ elemente, die der Verbindung der Verbundhäute 40 und 42 mit dem Metall-Sparren 44 dienen, können aber auch unterschied­ lich in ihrer Zusammensetzung sein. Obwohl in Zusammenhang mit dem Verfahren gemäß den Fig. 6 bis 8 eine elastische Hülle 50 geeignet erscheint, können auch andere Verfahren angewandt werden. Beispielsweise können gemäß Fig. 9 ein Paar von gegenüberliegend angeordneten Wärme-Formwerkzeugen 54 und 56 verwendet werden.

Wenn Ansenkungen an einer oder beiden Außenoberflächen nicht erwünscht sind, können die Wärme-Formwerkzeuge 54 und 56 in der in Fig. 10 gezeigten Weise verwendet werden, um einen abgerundeten Kopf 55 oder einen Pilzkopf auszubilden. Die Werkzeuge sind mit geeignet geformtem Ausnehmungen ver­ sehen, in denen die Köpfe während der Aufbringung des Druckes ausgebildet werden.

Weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Fig. 11, 12, 13, 14 und 15 dargestellt. Diese verwenden ein einfach spiralförmig gewickeltes Verbundbefestigungs­ element 57 gemäß Fig. 11, das erste und zweite Enden 63A und 63B aufweist und in die Öffnung 45 eingesetzt ist. Wie dar­ gestellt ist, sind die Enden 63A und 63B über die Enden der Öffnung 45 zugänglich. Das Verbundbefestigungselement 57 wird dann durch Aufbringen von Druck unter Verwen­ dung geeignet geformter Werkzeuge 59A und 59B befestigt, wie es in Fig. 12 gezeigt ist. Die zu verbindenden Verbund­ teile werden vorgeheizt, um die Viskosität der Harzstruktur zu verringern oder das thermoplastische Material zu schmel­ zen. Dies ermöglicht es, daß die Verbundbefestigungsele­ mente 36 und 38 gemäß Fig. 6 sich während des Hindurchzie­ hens durch die Öffnung 45 verformen und ausweichen und daß das Harz die Öffnung 45 vollständig ausfüllt. Dies unter­ stützt die Befestigung der Verbundbefestigungselemente in der Öffnung und gegebenenfalls den Ansenkungen. Sowohl die Werkzeuge 59A und 59B gemäß Fig. 12 als auch die Werkzeuge 54 und 56 gemäß den Fig. 9 und 10 können erwärmt werden. Alternativ dazu können Silikongummi-Formwerkzeuge unter einer Druckhülle gemäß Fig. 7 verwendet werden. Die Werk­ zeuge 59A und 59B werden in Richtung der Pfeile 61A und 61B auf die jeweiligen Enden des Verbundbefestigungselementes 57 zu bewegt, um den Werkstoff des Verbundbefestigungsele­ mentes 57 in die Ansenkungen 46 und 48 gemäß den Fig. 12, 13 und 14 oder in dem Fall, daß keine Ansenkung verwendet wird und ein gerundeter Kopf gemäß Fig. 10 gewünscht ist, über die Oberfläche der Verbundhäute 40 und 42 gemäß Fig. 15 zu spreizen. Dieser Vorgang führt zu einer Anordnung, wie sie in den Fig. 13 und 15 gezeigt ist, wobei Randberei­ che 62 und 64 des Verbundbefestigungselementes 57 mit Aus­ nehmungen 66A und 66B versehen sind und eine verringerte Dicke aufweisen. Falls es wünschenswert ist, diese ausge­ sparten Bereiche beispielsweise aus aerodynamischen Gründen auszufüllen, können geeignet geformte Verbundstöpsel 58 und 60 gemäß Fig. 14 und 15 eingesetzt werden, die im wesentli­ che eine konische Form aufweisen, da Öffnungen mit einen im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt ausgefüllt werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung werden die Verbundstöpsel 58 und 60 in den jeweiligen Ausnehmungen an­ geordnet und an dem Verbundbefestigungselement mittels Wärme und Druck unter Verwendung von erwärmten Werkzeugen oder mittels der beschrieben Verfahren mit dem Autoklav an­ gebracht. Alternativ dazu können die Verbundstöpsel 58 und 60 während der Ausbildung des Verbundbefestigungselementes hinzugefügt und einstückig verbunden werden, falls dies notwendig oder gewünscht ist. Beispielsweise können die Stöpsel vorgefertigte konische Verbundstöpsel sein, die als ein Teil der Werkzeuge 59A und 59B gemäß Fig. 12 verwendet werden und die beim Abziehen der Werkzeuge nach dem ge­ wünschten Vorgang von diesen lösbar sind.

Um die hervorragende Festigkeit der Faser-Verbundbefe­ stigung gemäß der Erfindung zu demonstrieren, sind verschie­ dene mechanische Versuche unternommen worden. Der Werk­ stoff, der bei der Herstellung der faserverstärkten Ver­ bundbefestigungselemente verwendet wurde, war Scotchply 250-E36-RC der Minnesota Mining and Manufacturing Co., Minneapolis, Minnesota. Dieser Werkstoff ist ein Glas/Epoxy-Werkstoff mit vorgeformten parallelen Fasern, der 36% Harz, Typ E Glasfaser enthält und eine maximale Härtetemperatur von 121°C (250°F) aufweist. Als Vergleichsbeispiel wurde sowohl ein Titanbolzen als auch ein gehärteter Stahl­ bolzen untersucht.

Ein Scherversuch umfasste die Herstellung von Mustern des in den Fig. 8 und 9 gezeigten Typs und das gleichzeitige Ziehen der beiden äußeren Verbundhäute 40 und 42 in einer Richtung parallel zueinander, wobei der dazwischenliegende Titan-Sparren 44 in die entgegengesetzte Richtung gezogen wurde. Das Ergebnis dieses Scherversuchs ist in Fig. 16 dargestellt. In Fig. 16 repräsentiert die Säule A die Ver­ sagenslast einer Verbundvorrichtung, die mittels eines Bol­ zens aus einer Titanlegierung verbunden war; das Versagen trat dabei in dem Bolzen auf. Die Säule B repräsentiert die Versagenslast einer Vorrichtung, die mittels eines gehärte­ ten Stahlbolzens verbunden war; in diesem Fall war die Ver­ sagenslast durch ein lokales Versagen der mittels des Bol­ zens verbundenen Verbundmaterialien bestimmt. Die Säulen C und D repräsentieren jeweils die Versagenslast eines erfin­ dungsgemäßen Verbundbefestigung mit pilzförmigen bzw. glat­ ten Köpfen; in beiden Fällen trat das Versagen aufgrund ei­ nes Versagens der Befestigung ein. Es kann festgestellt werden, daß die Scherfestigkeit beider Arten der erfin­ dungsgemäßen Faser-Verbundbefestigung über der des Titan­ bolzens liegt, der üblicherweise bei der Verbindung von Verbundhäuten mit Titan verwendet wird. Die gute Scherfe­ stigkeit der erfindungsgemäßen Befestigung trat sowohl bei dem Typ mit Ausbildung eines Kopfes als auch bei dem glat­ ten Typ auf.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt in der verbesser­ ten Gestaltungsflexibilität der konischen Faser-Verbundbe­ festigungselemente gegenüber Bolzenverbindungen. Bei Bol­ zenverbindungen müssen die Oberflächen, an denen sich der Bolzen und die Mutter jeweils abstützen, parallel zueinan­ der verlaufen oder müssen konischen Oberflächen mit der gleichen Achse sein. Dies war bei den getesteten Bolzen, über die in Zusammenhang mit Fig. 16 berichtet wurde, der Fall. Diese Beschränkung hinsichtlich der axialen Aus­ richtung von Metallbolzen kann es erfordern, daß geeignete Ausbildungen der Lagerflächen, z. B. Ansenkungen, in den Bauteilen, etwa einem Flügel, ausgebildet werden müssen. Die erfindungsgemäße Verbundbefestigung hat derartige Be­ schränkungen nicht, d. h. die Flügelbefestigungslöcher konn­ ten an den äußeren Verbundoberflächen so angesenkt werden, daß die Ansenkungsachse senkrecht zu der Oberfläche und nicht parallel zu der Achse des Befestigungsschaftes ver­ lief. Eine derartige Flexibilität in der Gestaltung auf­ grund der Verwendung von konischen Faser-Verbundbefesti­ gungselementen erhöht die Brauchbarkeit gegenüber herkömm­ lichen metallischen Nieten oder Bolzen in vielen Anwen­ dungsgebieten.

Claims (10)

1. Faserverstärktes Verbundbefestigungselement mit einem Kopfabschnitt (35) und einem Schaftabschnitt (37), die einstückig ausgebildet sind und im wesentlichen um eine Längsachse (39) orientiert sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbundbefestigungselement aus einer Vielzahl übereinander angeordneter Verbundlagen (28, 30, 32, 34) gebildet ist, die Verstärkungsfasern aufweisen und spiralförmig um die Längsachse (39) gewickelt sind, wobei das Verbundbefestigungselement (36) eine vom Kopfabschnitt (35) zum Schaftabschnitt (37) sich ver­ jüngende Form bildet.

2. Verbundbefestigungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungsfasern im wesentlichen parallel zur Längsachse (39) ausgerichtet sind.

3. Verbundbefestigungselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die übereinander angeordneten Verbundlagen (28, 30, 32, 34) un­ terschiedliche Größe aufweisen und überwiegend am Kopfabschnitt (35) angeordnet sind.

4. Verbundbefestigungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbundlagen (28, 30, 32, 34) ein wärmehärtbares Harz auf­ weisen, in dem die Verstärkungsfasern angeordnet sind.

5. Verbundbefestigungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbundlagen (28, 30, 32, 34) ein thermoplastisches Harz aufweisen, in dem die Verstärkungsfasern angeordnet sind.

6. Verbundbefestigungselement nach Anspruch 1 zur Ausbil­ dung einer faserverstärkten Verbundbefestigung mit zumindest einem Paar von Verbundbefestigungselementen (36, 38), wobei die Kopf- und Schaftabschnitte (35, 37) eines Paares jeweils entge­ gengesetzt durch eine Öffnung (45) in einem Bauteil eingesetzt sind und wobei die Verbundbefestigungselemente (36, 38) in en­ gem Kontakt zueinander stehen und zusammen die Verbundbefesti­ gung (52) mit entgegengesetzten Kopfabschnitten (35) bilden.

7. Verbundbefestigung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungsfasern im wesentlichen in Längsrichtung der Verbundbefestigung ausgerichtet sind.

8. Verbundbefestigung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbundlagen (28, 30, 32, 34) ein wärmehärtbares Harz auf­ weisen, in dem die Verstärkungsfasern angeordnet sind.

9. Verbundbefestigung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbundlagen (28, 30, 32, 34) ein thermoplastisches Harz aufweisen, in dem die Verstärkungsfasern angeordnet sind.

10. Faserverstärktes Verbundbefestigungselement zum Befe­ stigen eines ersten Elements und eines zweiten Elements (40, 42, 44) eines Verbundbauteils, wobei das Verbundbauteil eine die beiden Elemente (40, 42, 44) durchdringende Öffnung (45) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbundbefestigungselement eine einzelne spiralförmig ge­ wickelte Verbundlage (57) mit ersten und zweiten Enden (63A, 63B; 62; 64) aufweist,
wobei die ersten und zweiten Enden (63A, 63B; 62, 64) ge­ spreizt sind, um das Befestigungselement in der Öffnung (45) zu befestigen, so daß die Bauteilelemente (40, 42, 44) aneinander gesichert sind,
wobei zumindest eines der ersten und zweiten gespreizten Enden (63A, 63B; 62, 64) eine darin ausgebildete Vertiefung (66A, 66B) aufweist, und
wobei ein Stöpsel (58, 60) in die Vertiefung geklebt ist.