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Dokumentenidentifikation DE19734803C1 25.03.1999
Titel Faserverbundwerkstoff, aus einem Faserverbundwerkstoff hergestelltes Verbindungselement und Verfahren zu seiner Herstellung
Anmelder Hahlbrock GmbH, 31515 Wunstorf, DE
Erfinder Kacza, Martin, 31515 Wunstorf, DE
Vertreter Cohausz & Florack, 40472 Düsseldorf
DE-Anmeldedatum 12.08.1997
DE-Aktenzeichen 19734803
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 25.03.1999
Veröffentlichungstag im Patentblatt 25.03.1999
IPC-Hauptklasse B32B 25/10
IPC-Nebenklasse B32B 5/02   B32B 5/26   E04B 1/38   D03D 27/10   B29C 70/00   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft einen Faserverbundwerkstoff, welcher in der Lage ist, auch große Schubbelastungen ohne die Gefahr eines Auftrennens seiner Bestandteile aufzunehmen. Ein solcher Faserverbundwerkstoff besteht gemäß der Erfindung aus mindestens zwei Laminatschichten (3, 4) und mindestens einer zwischen den Laminatschichten (3, 4) angeordneten Zwischenschicht, welche aus zwei Gewebelagen (2a, 2b), von denen jeweils eine einer der Laminatschichten (3, 4) zugeordnet ist, und einem zwischen den Gewebelagen (2a, 2b) angeordneten und mit den Gewebelagen (2a, 2b) verbundenen Elastomer (6) gebildet ist, wobei von den Gewebelagen (2a, 2b) ausgehende Fäden (5) in das Elastomer (6) reichen. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Faserverbundwerkstoffs und ein Verbindungselement, welches eine dauerhaft elastische Verbindung zweiter Bauelemente ermöglicht und gleichzeitig große Relativbewegungen der verbundenen Bauelemente aufzunehmen vermag.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Faserverbundwerkstoff bestehend aus mindestens zwei Laminatschichten und mindestens einer zwischen den Laminatschichten angeordneten Zwischenschicht, ein aus Faserverbundwerkstoff hergestelltes Verbindungselement und ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoffes.

Bei im Leichtbau eingesetzten, an einem Auflager befestigten schalen- oder plattenförmigen Elementen aus Faserverbundwerkstoffen besteht häufig das Problem, die mechanisch oder thermisch induzierten Spannungen in den Auflagern so aufzunehmen, daß keine Überlastung entsteht. Dies betrifft vor allem Konstruktionen, bei denen der tragende Unterbau für die Faserverbundwerkstoff-Elemente dehnungssteifer ist als das Faserverbundwerkstoff- Formteil selbst oder eine sehr viel geringere bzw. größere Wärmedehnung aufweist. Beispiele für derartige Verbindungen sind Abdeckungen von Betonbecken aus glasfaserverstärkten Kunststoffen (GFK), Verkleidungen aus Faserverbundwerkstoff für Schienenfahrzeuge mit einem tragenden Gerüst aus Aluminium oder auch Leichtbaukonstruktionen im modernen Schiffs- und Groß- Yachtbau.

Vergleichbare Probleme bestehen bei der Entkopplung von Schwingungen und Vibrationen sowie der Behinderung der Körperschallweiterleitung in Faserverbundwerkstoff- Konstruktionen.

Zur Lösung der voranstehend erläuterten Probleme ist vorgeschlagen worden, eine nachgiebige, elastische Verbindung zwischen dem Unterbau und dem Faserverbundwerkstoff-Teil vorzusehen. Zu diesem Zweck kann die Verbindung entweder rein elastisch ausgebildet sein oder in Form eines Schiebesitzes ohne Rückstellkräfte. Es sind mehrere Möglichkeiten bekannt, um die Fügestelle zwischen einem Faserverbundwerkstoff- Bauteil und einem im Vergleich dazu starren Unterbau bzw. Fundament verschiebbar oder elastisch verschiebbar auszuführen.

Eine erste bekannte Art einer verschiebbaren Lagerung von Faserverbundwerkstoff-Bauteilen ist die aus der Baustatik bekannte "Fest-Los-Lagerung", wobei die "lose" Lagerungsstelle durch in das Faserverbundwerkstoff- Bauteil eingeklebte metallische Langlochhülsen realisiert wird. In der Langlochhülse gleitet ein Zylinderstift mit einer für den Anwendungsfall geeigneten Passung. Die Langlochhülsen sind für die Einleitung der Kräfte in das Faserverbundwerkstoff-Bauteil erforderlich, da der Faserverbundwerkstoff an der Stirnfläche der Bohrung selbst eine zu geringe Lochleibungsfestigkeit aufweist. Senkrecht zur Schiebeebene wird das Faserverbundwerkstoff-Bauteil zwischen dem Schiebesitz und einer auf den Zylinderstift aufgeschraubten Gewindemutter mit U-Scheibe geführt.

Nachteilig an dieser Art der Lagerung ist der hohe Fertigungsaufwand für die Herstellung und das Einkleben der Langlochhülsen, da diese zueinander genau parallel ausgerichtet sein müssen. Außerdem besteht nur ein Freiheitsgrad der Bewegung in der Schiebeebene. Aus Kostengründen wurden diese Lagerungen bisher nur selten eingesetzt, beispielsweise im Marine-U-Bootbau.

Aus der Montagetechnik im Bauwesen ist es darüber hinaus bekannt, Gewölbeschalen und Platten aus GFK zur Abdeckung von Betonbecken auf die Mauerkrone des Beckens aufzudübeln. Die Betondübel ragen in Gestalt eines Stehgewindebolzens aus dem Beton heraus. Die GFK-Schalen werden an den Dübelpositionen mit übergroßen Löchern versehen, die dem Stehbolzen mindestens den Weg der zu erwartenden Wärmedehnung bzw. den durch Lastaufbringung verursachten Verschiebeweg frei lassen. Die Befestigung der Glasfaserkunststoff-Schalen erfolgt dabei durch Muttern mit übergroßen Unterlegscheiben, die einseitig mit einer ca. 2-3 mm dicken Gummischeibe versehen sind.

Nachteilig bei dieser bekannten Fügemethode ist der sehr kurze Verschiebeweg. Bei einem medienbeständigen und vollelastischen Gummiwerkstoff beträgt der mögliche Verschiebeweg nur ein Bruchteil der Dicke der Gummischeibe. Soll eine dauerhaft gegen Lösen gesicherte Verbindung realisiert werden, muß die Mutter fest angezogen werden. Die elastische Gummischeibe wird dabei zusammengedrückt, wodurch der elastisch aufgenommene Schubweg im Gummi weiter verringert wird.

Im modernen Schiffbau, speziell bei Kreuzfahrtschiffen und bei Schnellfähren, werden Deckaufbauten und Verkleidungspanels aus Faserverbundwerkstoff verwendet. Die Anbindungen der Faserverbundwerkstoff-Teile an den Schiffskörper oder an die Deckaufbauten aus Metall müssen dabei so gestaltet sein, daß einerseits durch Windlasten verursachte Verformungen und Schwingungen in den Fügestellen sicher aufgenommen werden, andererseits Wärmedehnungen sowie Vibrationen durch den Schiffsantrieb kompensiert werden.

Als ein geeigneter Klebstoff für hochbelastete Klebeverbindungen wird seit einigen Jahren einkomponentiges Polyurethan (PUR) eingesetzt. Die Verklebung der Fügepartner erfolgt mit derartigem Klebstoff vor Ort, im Schiffsbau also auf der Werft. Vor der Verklebung müssen die Fügeflächen präpariert werden. Bei einer GFK-Aluminiumverbindung beispielsweise wird die GFK-Fläche angeschliffen, entstaubt, mit einem speziellen Reinigungsmittel gesäubert und mit einem Primer beschichtet. Auch die Aluminiumoberfläche wird entsprechend vorbehandelt. Anschließend erfolgt der Auftrag des PUR-Klebstoffs und der Fügevorgang.

Nachteilig bei diesem Fügeverfahren ist zum einen der hohe Aufwand für die Behandlung der Fügeflächen und die Zeitspanne von mehreren Stunden, die beispielsweise zwischen Primer- und Klebstoffauftrag eingehalten werden muß. Die Einhaltung einer Klebefuge konstanter Dicke ist zudem nur mit Hilfsmitteln wie Abstandshaltern oder Lehren zu gewährleisten und verursacht bei großen Faserverbundwerkstoff-Teilen mit mehreren Fügepunkten großen Aufwand. Die mechanische Festigkeit der Klebeverbindung hängt entscheidend von dieser Maßhaltigkeit ab, da unterschiedliche Dicken zu Spannungsspitzen in der Klebefuge führen. Unter Belastung sind diese Orte besonders anfällig für den Beginn des Abschälens des Klebstoffs von einer Kontaktfläche oder das Einreißen des Elastomers selbst.

Ein weiterer Nachteil ist die Fixierungsdauer der Verklebung. Abhängig von der Dicke und Breite der Fuge darf die Fügestelle erst nach zwei bis 10 Tagen nennenswert belastet werden. Ursächlich für die lange Härtezeit des PUR-Klebers ist die zur Vernetzungsreaktion erforderliche Diffusion von Wasserdampf in den PUR- Elastomer, die mit beginnender Aushärtung an den Rändern des PUR noch behindert wird. Im Laborversuch des Herstellers ermittelte Endfestigkeiten werden bei größeren Flächen erst nach über einem Monat erreicht. Eigene Versuche haben dies bestätigt.

Wird die Verklebung im Freien durchgeführt, besteht ein weiterer gravierender Nachteil durch den Einfluß der Witterungsbedingungen auf die Qualität der Verklebung. Speziell bei PUR-Verklebungen hängt die Endfestigkeit in der Klebefuge entscheidend von der Luftfeuchtigkeit, der Temperatur und dem Oberflächenzustand der Klebeflächen ab. Regen- oder Tautropfen sowie Staub müssen während der gesamten Flächenvorbehandlung und während des Fügevorgangs ferngehalten werden. Bei Verklebungen im Freien sind daher gleichförmig hohe Kennwerte der Verklebung nur mit hohem Aufwand zu realisieren.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Faserverbundwerkstoff zu schaffen, welcher in der Lage ist, auch große Schubbelastungen ohne die Gefahr eines Auftrennens seiner Bestandteile aufzunehmen. Darüber hinaus ist ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Faserverbundwerkstoffs anzugeben. Schließlich ist ein Verbindungselement zu nennen, welches eine dauerhaft elastische Verbindung zweier Bauelemente ermöglicht und gleichzeitig große Relativbewegungen der verbundenen Bauelemente aufzunehmen vermag.

Bezüglich des Werkstoffs wird diese Aufgabe durch einen Faserverbundwerkstoff gelöst, welcher aus mindestens zwei Laminatschichten und mindestens einer zwischen den Laminatschichten angeordneten Zwischenschicht besteht, welche aus zwei Gewebelagen, von denen jeweils eine einer der Laminatschichten zugeordnet ist, und einem zwischen den Gewebelagen angeordneten und mit den Gewebelagen verbundenen Elastomer gebildet ist, wobei von der Gewebelage ausgehende Fäden in das Elastomer reichen.

Bei dem erfindungsgemäßen Werkstoff sind, anders als bei bekannten, unter Verwendung von Elastomeren hergestellten Klebeverbindungen, die Laminatschichten nicht unmittelbar mit dem Elastomer benetzt. Statt dessen ist die die Klebeverbindung der Laminatschichten bildende Elastomerschicht über jeweils eine auf jede Laminatschicht auflaminierte Gewebelage mit den Laminatschichten verbunden. Auf diese Weise wird ein inniger Verbund von Laminatschicht, Gewebelage und Elastomer gebildet. Diese innige Verbindung wird dadurch unterstützt, daß von den Gewebelagen ausgehende Fäden in das Elastomer reichen. Diese Gewebefäden sorgen für eine zusätzliche Verklammerung von Elastomer und Gewebelage. Auf diese Weise ist sichergestellt, daß der Elastomer auch unter großer Schubbelastung nicht von den Laminatschichten abschält. Gleichzeitig kann durch eine entsprechende Auslegung der Dicke der Zwischenschicht die Elastizität des erfindungsgemäßen Werkstoffs und dessen Vermögen eingestellt werden, Relativbewegungen aufzunehmen.

Eine insbesondere bei wechselnden Belastungen gleicher Stärke bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Werkstoffs ist dadurch gekennzeichnet, daß die Fäden im wesentlichen rechtwinklig von der sie tragenden Gewebelage abstehen.

Vorteilhaft ist es auch, wenn die Fäden in regelmäßigen Abständen angeordnet sind und wenn jeder Faden der einen Gewebelage in einen zwischen zwei benachbarten Fäden der anderen Lage gebildeten Zwischenraum weist. Ein derart ausgebildeter Faserverbundwerkstoff weist eine besonders hohe Scherfestigkeit auf.

Eine weitere Verbesserung des Zusammenhalts von Elastomer und Laminatschicht kann dadurch erzielt werden, daß mindestens zwei Fäden von jeweils einem Knotenpunkt der jeweiligen Gewebelage ausgehen. In diesem Fall sind in jedem Knotenpunkt der Gewebelage die Fäden nach Art der Borsten einer Bürste angeordnet. Die so angeordneten Fäden gewährleisten aufgrund ihrer Vielzahl, ihres fächerartigen Eingreifens in den Elastomer eine besonders sichere Verbindung zwischen dem Elastomer und der Gewebeschicht.

Vorzugsweise wird als Elastomer ein PUR-Elastomer eingesetzt. Derartige Polyurethan-Kleber haben sich, wie oben erwähnt, in der Praxis bei der Herstellung von Klebeverbindungen zwischen GFK-Bauteilen bewährt.

Bezüglich des Verbindungselements wird die voranstehend genannte Aufgabe dadurch gelöst, daß ein solches Verbindungselement aus einem erfindungsgemäßen Faserverbundwerkstoff hergestellt ist. Wie erläutert, ist der erfindungsgemäße Faserverbundwerkstoff aufgrund dessen, daß die Laminatschichten nicht unmittelbar, sondern über eine Fäden tragende Gewebeschicht mit dem Elastomer verbunden sind, in der Lage, große Relativbewegungen zwischen den Laminatschichten aufzunehmen. Diese Eigenschaft ermöglicht es, mit dem erfindungsgemäßen Verbindungselement Bauteile mit anderen relativ zu dem ersten Bauteil sich bewegenden Bauelementen zu verbinden. Besonders geeignet ist das erfindungsgemäße Verbindungselement zur Verbindung von aus GFK oder anderen Faserverbundwerkstoffen hergestellten flächigen Bauelementen mit einem Baukörper, der aus anderen, andere Werkstoffeigenschaften, wie Ausdehnungsverhalten, Festigkeit etc., aufweisenden Baustoffen gefertigt ist.

Da das erfindungsgemäße Verbindungselement selbst in der Lage ist, große Verschiebewege der angeschlossenen Bauteile aufzunehmen, kann der Anschluß des Verbindungselements an die Bauteile auf einfache Weise beispielsweise mittels einer Klebung erfolgen, ohne daß die Gefahr eines Abscherens im Bereich der Klebefuge besteht.

Für eine Befestigung, die besonders hohen Belastungen ausgesetzt ist, oder für den Fall, daß die für das Kleben benötigte Zeit nicht zur Verfügung steht, kann es günstig sein, in den Laminatschichten Öffnungen vorzusehen, welche zur Aufnahme jeweils einer Befestigungsniete bestimmt sind. Alternativ oder ergänzend können die Laminatschichten auch Öffnungen aufweisen, welche zur Aufnahme jeweils einer Befestigungsschraube bestimmt sind.

Eine übermäßige Beeinträchtigung der Elastizität der Elastomerschicht und der Festigkeit der Laminatschicht durch die Öffnungen kann dadurch vermieden werden, daß die Öffnungen der einen Laminatschicht versetzt gegenüber den Öffnungen der anderen Laminatschicht angeordnet sind.

Um auch unter besonders ungünstigen Bedingungen einen Anschluß von Bauelementen über das erfindungsgemäße Verbindungselement zu ermöglichen, kann an mindestens eine der Laminatschichten seitlich ein Laschenabschnitt angeformt sein. Dabei kann eine besondere Festigkeit dieses Abschnitts dadurch erreicht werden, daß der Laschenabschnitt durch eine zusätzliche Laminatschicht verstärkt ist.

Soll das erfindungsgemäße Verbindungselement besonders große Verschiebewege bewältigen können, so kann dies auf einfache Weise dadurch bewerkstelligt werden, daß eine Mehrzahl von Zwischenschichten zwischen seinen Laminatschichten angeordnet ist.

Bezüglich des Verfahrens zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Verbindungselements wird die oben genannte Aufgabe dadurch gelöst, daß in einem ersten Arbeitsschritt ein erstes Verbundelement aus einer Laminatschicht und einer auf die Laminatschicht auf laminierten, Fäden tragenden Gewebelage, gebildet wird, indem auf die erste Laminatschicht ein Gewebe auflaminiert wird, welches sich bei einer Benetzung mit einem Harz aufrichtet und eine dreidimensionale Struktur mit zwei parallel zu der Laminatschicht angeordneten Gewebelagen und zwischen den Gewebe lagen positionierten und diese auf Abstand haltenden Fäden bildet, indem nach dem Anhärten des Gewebes auf die von der ersten Laminatschicht abgewandte Gewebelage eine zweite Laminatschicht auflaminiert wird, und indem anschließend eine der Gewebelagen von der anderen in einer parallel zu den Laminatschichten ausgerichteten Ebene derart abgetrennt wird, daß mindestens die von einer Gewebelage getragenen Fäden eine bestimmte Länge aufweisen. Anschließend wird in entsprechender Weise ein zweites Verbundelement hergestellt. Zuletzt werden die beiden Verbundelemente parallel zueinander ausgerichtet und mittels eines Elastomers miteinander verbunden, welcher auf die jeweilige die Fäden tragende Fläche der Verbundelemente aufgebracht wird.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß die Verbundelemente zum Herstellen der Elastomer-Verbindung in ein geschlossenes Formwerkzeug gelegt werden, in welchem sie parallel zueinander ausgerichtet und in einem bestimmten Abstand angeordnet sind und in welchen das Elastomer unter Druck in den zwischen den Verbundelementen gebildeten Raum gefüllt wird. Bei dieser Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Verbundelemente mit einem definierten Abstand zueinander in das Formwerkzeug eingelegt und der Elastomer mit hohem Druck eingespritzt. Dabei kann der Elastomer zur Verringerung der Viskosität vorgewärmt werden. Alternativ oder ergänzend kann auch das Formwerkzeug vorgewärmt werden. Durch diese Maßnahme wird die Vernetzungsreaktion im Elastomer beschleunigt und eine besonders hohe Abzugsfestigkeit des Elastomers erreicht.

Das unter Druck erfolgende Einspritzen des Elastomers gewährleistet, daß die Fäden und die sie tragenden Gewebelagen vollständig benetzt werden. Ein weiterer Vorteil liegt in der hohen Beschichtungsgeschwindigkeit sowie der einfachen Möglichkeit, den für eine Serienfertigung wichtigen konstanten Abstand der Verbundplatten während des Aufbringens des Elastomers zu gewährleisten.

Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß das Gewebe nach dem Auflaminieren der zweiten Laminatschicht in einer mittig zwischen den Laminatschichten angeordneten Ebene geteilt wird. Diese Vorgehensweise ermöglicht es, aus einer Gewebestruktur zwei Laminat-Gewebeverbunde herzustellen, bei denen die von der Gewebelage abstehenden Fäden eine ausreichende Länge aufweisen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen schematisch:

Fig. 1-4 Arbeitsschritte bei der Herstellung eines Verbindungselements, wobei das Verbindungselement jeweils in einem Längsschnitt dargestellt ist;

Fig. 5 eine mit Hilfe eines Verbindungselements hergestellte Verbindung zweier flächiger Bauelemente im Schnitt;

Fig. 6 eine zweite mit Hilfe eines Verbindungselements hergestellte Verbindung zweier flächiger Bauelemente in einem Schnitt entlang der Linie A-A der Fig. 7;

Fig. 7 eine unter Verwendung des in Fig. 6 gezeigten Verbindungselements hergestellte Verbindung in einer Draufsicht;

Fig. 8 eine dritte mit Hilfe eines Verbindungselements hergestellte Verbindung zweier flächiger Bauelemente in einem Schnitt entlang der Linie B-B der Fig. 9;

Fig. 9 eine unter Verwendung des in Fig. 8 gezeigten Verbindungselements hergestellte Verbindung in einer Draufsicht;

Fig. 10 ein weiteres Verbindungselement in einem Längsschnitt;

Fig. 11-12 Arbeitsschritte bei der Herstellung des Verbindungselements nach Fig. 10;

Fig. 13-17 jeweils eine alternative Ausgestaltung eines Verbindungselements im Schnitt.

Anhand der Fig. 1 bis 4 wird die Herstellung eines erfindungsgemäßen Faserverbundwerkstoffs beschrieben.

Ein sogenanntes "Abstandsgewebe" wird auf eine ebene Laminatschicht 3 aus GFK "naß-in-naß" auflaminiert. Bei einem solchen "Abstandsgewebe" handelt es sich um ein dreidimensional gewebtes, beispielsweise aus der DE 42 28 958 A1 bekanntes Glasfasermaterial. Ein solches Gewebe besteht aus zwei im wesentlichen parallel ausgerichteten, gewebten Gewebelagen 2a, 2b und Stegfäden 1, die wechselseitig in die Gewebelagen 2a, 2b eingewebt sind. Imprägniert man ein solches Gewebe mit Laminierharz, so stellen sich die Stegfäden 1 ohne äußere Krafteinwirkung auf und trennen die beiden Gewebelagen 2a, 2b. Es entsteht auf diese Weise eine dreidimensionale Gewebestruktur, bei der die Gewebelagen 2a, 2b in einem durch die Stegfäden 1 bestimmten Abstand gehalten sind.

Nach dem Anhärten der so gebildeten Gewebestruktur wird eine zweite Laminatschicht 4 aus GFK auf die der ersten Laminatschicht 3 gegenüberliegenden Gewebelage 2b auflaminiert. Die Dicke der zweiten Laminatschicht 4 entspricht dabei im wesentlichen der Dicke der ersten Laminatschicht 3. Auf diese Weise ist eine ebene, symmetrisch aufgebaute Platte gebildet, die einen flächigen, von den Stegfäden 1 durchzogenen Hohlraum aufweist (Fig. 1).

Nach Aushärten der Laminatschichten 3, 4 und der aus den Gewebelagen 2a, 2b und den Stegfäden 1 gebildeten Gewebestruktur wird diese parallel zur Ebene der Laminatschichten 3, 4 zerteilt. Dabei wird, sofern die Höhe h der Stegfäden 1 ausreicht, der Schnitt in einer mittig zwischen den Laminatschichten 3, 4 angeordneten Ebene geführt. Reicht die Höhe h der Stegfäden dagegen nicht aus, so wird nur eine der Laminatschichten 3 oder 4 mit der daran haftenden Gewebelage 2a bzw. 2b abgetrennt. Je nach Lage der Trennungsebene erfolgt dabei das Abtrennen beispielsweise durch Fräsen oder Sägen. Nach dem Auftrennen sind die Stegfäden 1 zu einzelnen Fäden 5 zerteilt, die ausgehend von jeweils einer der Gewebelagen 2a, 2b von der jeweiligen Laminatschicht 3, 4 wegweisend und gleichmäßig verteilt frei in den Raum stehen. Dabei gehen jeweils mehrere Fäden 5 wie Borsten einer Bürste von jeweils einem Knotenpunkt 5a des Gewebes aus. Durch das Auftrennen werden Verbundelemente V1, V2 gewonnen, die jeweils aus jeweils einer Fäden 5 tragenden Gewebelage 2a, 2b und einer Laminatschicht 3, 4 gebildet sind (Fig. 2).

Die mit den Fäden 5 versehenen Seiten der Verbundelemente V1, V2 werden entsprechend der Herstellerangaben für die Verklebung mit einkomponentigen PUR-Klebmassen vorbehandelt, d. h. entstaubt, gereinigt und grundiert. Dann wird ein PUR-Elastomer 6 aufgetragen (Fig. 3).

Anschließend werden die mit Elastomer 6 bestückten Verbundelemente V1, V2 in der Weise gefügt, daß die Fäden 5 des einen Verbundelements V1, V2 in den zwischen zwei Fädenknoten 5a vorhandenen Raum des jeweils anderen Verbundelements V2, V1 eingreifen (Fig. 4).

Nach Anhärten des PUR-Klebstoffs kann der in der voranstehend erläuterten Weise hergestellte Faserverbundwerkstoff zum Herstellen von Verbindungselementen 7I-7VI in flächige Stücke zerteilt werden, deren Abmessungen und Auslegung sich nach dem jeweiligen Anwendungsfall richten.

Die einfachste Möglichkeit einer Verbindung von zwei flächigen Bauelementen 8, 9 ist in Fig. 5 dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel wird das Verbindungselement 7I zwischen die zu fügenden Bauelemente 8, 9 geklebt. Handelt es sich bei den Bauelementen 8, 9 um GFK-Formteile, so wird dazu das Harz 10 eingesetzt, welches auch zur Imprägnierung der Laminatschichten 3, 4 verwendet wurde.

Bei schwierigen Umgebungsbedingungen, wie beispielsweise Feuchte und Staub am Montageort, kann ein dem Verbindungselement 7I in seinem Aufbau entsprechendes Verbindungselement 7II bzw. 7III mit den zu verbindenden Bauelementen 8, 9 vernietet oder verschraubt werden. Dabei spielt es keine Rolle, ob die Fügepartner ebenfalls aus GFK bestehen oder aus anderen Werkstoffen.

Zur Montage durch Vernieten (Fig. 6) werden Blindniete 11 wechselseitig von den Bauelementen 8 und 9 aus in gleichmäßigem Raster gesetzt (Fig. 7). Die Nietöffnung 12 geht dabei durch das jeweilige Bauelement 8, 9, durch die dem Blindniet 11 zugewandte Laminatschicht 3, 4 und die Gewebelage 2a, 2b. Durch eine entsprechende Dimensionierung der Verklebefläche ist in diesem Fall die Störung der Elastomerverklebung durch die Blindniete 11 berücksichtigt.

Eine Möglichkeit der reversiblen Verbindung von Bauelementen 8, 9 mittels eines den Verbindungselementen 7I, 7II entsprechenden Verbindungselements 7III zeigen Fig. 8 und 9. Dabei werden die flächigen Bauelemente 8, 9 wechselseitig mit dem Verbindungselement 7III verschraubt (Fig. 9). Die Schrauben 22 sind durch Öffnungen 13 des Verbindungselements 7III zugänglich. Auch in diesem Fall wird die Störung der Elastomerfläche durch die Öffnungen 13bei der Dimensionierung der Verklebefläche des Elastomers 6 berücksichtigt.

Für höchste Belastungen der Verbindung, beispielsweise bei dynamischer Beanspruchung, kann die durch die Öffnungen 12 bzw. 13 bei den Verbindungselementen 7II bzw. 7III hervorgerufene Störung der durch den Elastomer 6 gebildeten Klebefuge umgangen werden, indem ein Verbindungselement 7IV verwendet wird, das an zwei gegenüberliegenden Seiten eine Lasche 16 aufweist (Fig. 10). Zur Herstellung eines solchen Verbindungselements 7IV wird beim Auflaminieren der aus den Gewebelagen 2a, 2b und den Stegfäden 1 gebildeten Gewebestruktur auf die Laminatschicht 3 während des Laminiervorgangs ein Randstreifen 14 dieser Gewebestruktur zusammengedrückt (Fig. 11). Auf den zusammengedrückten Randstreifen 14 kann noch "naß-in-naß" ein oberes Verstärkungslaminat 15 aufgebracht werden. Dadurch entsteht die als Massivlaminat ausgebildete Lasche 16.

Nach Aushärten des Harzes wird die obere Gewebelage 2b auf der zur ersten Laminatschicht 3 gegenüberliegenden Seite in einem Abschnitt 17 abgefräst, der an den dem Randstreifen 14 gegenüberliegenden Rand angrenzt. Nach dem Abfräsen bleiben in diesem Abschnitt 17 die imprägnierten Fäden 5 in gewünschter Höhe stehen. Auf diese Weise ist ein erstes Halbelement H1 gebildet (Fig. 12).

Zwei einander entsprechende Halbelemente H1, H2 werden mit PUR-Klebstoff zusammengefügt, indem Elastomer 6mindestens auf die mit den Fäden 5 frei zugänglichen Abschnitte 17 aufgetragen wird und indem anschließend die freien Abschnitte 17 der Halbelemente H1, H2 mit aufeinander weisenden Fäden 5 aufeinander gelegt werden. Im Bereich der Laschen 16 kann das Element nun an beliebige Fügepartner geschraubt, genietet oder in anderer Weise befestigt werden. Andere Bauformen mit beidseitigen Laschen 16 für beide Fügepartner sind ebenfalls möglich.

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verbindungselements besteht darin, die "Federkonstante", also die Steifigkeit der Verbindung einzustellen. Dies wird einerseits durch die Wahl der zur Herstellung der die Fäden 5 tragenden Gewebelagen 2a, 2b benutzten Gewebestruktur ermöglicht. So können Gewebestrukturen gewählt werden, bei denen die Fäden 5 unterschiedliche Anordnung, Verteilung und Länge haben.

Je nach Anwendungsfall ist es sinnvoll, Gewebelagen 2a, 2b zu verwenden, deren Fäden 5 senkrecht von der jeweiligen Gewebelage 2a, 2b in den Raum stehen. Alternativ können jedoch auch X-förmig sich kreuzende Fäden oder webtechnische Kombinationen aus diesen Anordnungen eingesetzt werden.

Entscheidend ist auch der Abstand der Gewebelagen 2a, 2b und die Länge der zerteilten bzw. durch Abfräsen der oberen Decklage freigelegten Fäden 5. So ist beispielsweise das in Fig. 13 dargestellte Verbindungselement 7V, bei dem zwischen den Fäden 5 eine Elastomerschicht 6 größerer Dicke vorhanden ist, eine größere Nachgiebigkeit als das in Fig. 14 gezeigte Verbindungselement 7VI, bei dem die Fäden 5 wechselseitig ineinander kämmen.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Verbindungselemente besteht darin, daß auf einfache Weise mehrere Zwischenschichten zwischen den Laminatschichten angeordnet werden können. Auf diese Weise kann das Vermögen der Verbindungselemente, Relativbewegungen elastisch aufzunehmen, weiter verbessert werden. Ein mit einer einzelnen Zwischenschicht ausgestattetes Verbindungselement 7VII erfährt, wie in Fig. 15 verdeutlicht, unter einer durch eine Relativbewegung der angeschlossenen, hier nicht dargestellten Bauelemente hervorgerufenen Schubbelastung 18 eine bestimmte Verzerrung 19. Werden mehrere aus jeweils Fäden 5 tragenden Gewebelagen 2a, 2b und einem dazwischen positionierten Elastomer 6 gebildete Zwischenschichten angeordnet, wie in Fig. 16 und Fig. 17 gezeigt, vergrößern sich bei gleicher Belastung des Elastomers 6 die sicher ertragenen elastischen Verzerrungen 20, 21. Die einzelnen Zwischenlagen werden miteinander verklebt, vorzugsweise mit dem gleichen Harz 10, welches für die Imprägnierung der Gewebelagen 2a, 2b bzw. der Laminatschichten 3, 4 verwendet wurde.


Anspruch[de]
  1. 1. Faserverbundwerkstoff bestehend aus mindestens zwei Laminatschichten (3, 4) und mindestens einer zwischen den Laminatschichten (3, 4) angeordneten Zwischenschicht, welche aus zwei Gewebelagen (2a, 2b), von denen jeweils eine einer der Laminatschichten (3, 4) zugeordnet ist, und einem zwischen den Gewebelagen (2a, 2b) angeordneten und mit den Gewebelagen (2a, 2b) verbundenen Elastomer (6) gebildet ist, wobei von den Gewebelagen (2a, 2b) ausgehende Fäden (5) in das Elastomer (6) reichen.
  2. 2. Faserverbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fäden (5) im wesentlichen rechtwinklig von der sie tragenden Gewebelage (2a, 2b) abstehen.
  3. 3. Faserverbundwerkstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fäden (5) in regelmäßigen Abständen angeordnet sind und daß jeder Faden (5) der einen Gewebelage (2a, 2b) in einen zwischen zwei benachbarten Fäden (5) der anderen Gewebelage (2b, 2a) gebildeten Zwischenraum weist.
  4. 4. Faserverbundwerkstoff nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Fäden (5) von jeweils einem Knotenpunkt (5a) der jeweiligen Gewebelage (2a, 2b) ausgehen.
  5. 5. Faserverbundwerkstoff nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Elastomer (6) ein PUR-Elastomer ist.
  6. 6. Verbindungselement hergestellt aus einem Faserverbundwerkstoff nach einem der voranstehenden Ansprüche.
  7. 7. Verbindungselement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Laminatschichten (3, 4) Öffnungen (12) aufweisen, welche zur Aufnahme jeweils eines Befestigungsniets (11) bestimmt sind.
  8. 8. Verbindungselement nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Laminatschichten (3, 4) Öffnungen (13) aufweisen, welche zur Aufnahme jeweils einer Befestigungsschraube (22) bestimmt sind.
  9. 9. Verbindungselement nach einem der Ansprüche 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (12, 13) der einen Laminatschicht (3, 4) versetzt gegenüber den Öffnungen (12, 13) der anderen Laminatschicht (3, 4) angeordnet sind.
  10. 10. Verbindungselement nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß an mindestens eine der Laminatschichten (3, 4) seitlich ein Laschenabschnitt (16) ungeformt ist.
  11. 11. Verbindungselement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Laschenabschnitt (16) durch eine zusätzliche Laminatschicht verstärkt ist.
  12. 12. Verbindungselement nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Zwischenschichten zwischen den Laminatschichten (3, 4) angeordnet ist.
  13. 13. Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoffs nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
    1. - daß ein erstes Verbundelement (V1) aus einer Laminatschicht (3, 4) und einer auf die Laminatschicht (3, 4) auflaminierten, Fäden (5) tragenden Gewebelage (2a, 2b) gebildet wird,
    2. - indem auf die erste Laminatschicht (3) ein Gewebe auflaminiert wird, welches sich bei einer Benetzung mit einem Harz aufrichtet und eine dreidimensionale Struktur mit zwei parallel zu der Laminatschicht (3) angeordneten Gewebelagen (2a, 2b) und zwischen den Gewebelagen (2a, 2b) positionierten und diese auf Abstand haltenden Fäden (1) bildet,
    3. - indem nach dem Anhärten des Gewebes auf die von der ersten Laminatschicht (3) abgewandte Gewebelage (2b) eine zweite Laminatschicht (4) auflaminiert wird, und
    4. - indem anschließend eine der Gewebelagen (2a, 2b) von der anderen in einer parallel zu den Laminatschichten (3, 4) ausgerichteten Ebene derart abgetrennt wird, daß mindestens die von einer Gewebelage (2a, 2b) getragenen Fäden (5) eine bestimmte Länge aufweisen,
    5. - daß in entsprechender Weise ein zweites Verbundelement (V2) hergestellt wird, und
    6. - daß die beiden Verbundelemente (V1, V2) parallel zueinander ausgerichtet und mittels eines Elastomers (6) miteinander verbunden werden, welches auf die jeweilige die Fäden (5) tragende Fläche der Verbundelemente (V1, V2) aufgebracht wird.
  14. 14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbundelemente (V1, V2) zum Herstellen der Elastomer-Verbindung in ein geschlossenes Formwerkzeug gelegt werden, in welchem sie parallel zueinander ausgerichtet und in einem bestimmten Abstand angeordnet sind und in welchem das Elastomer unter Druck in den zwischen den Verbundelementen gebildeten Raum gefüllt wird.
  15. 15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Elastomer vor dem Einfüllen angewärmt wird.
  16. 16. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Formwerkzeug erwärmt wird.
  17. 17. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewebe nach dem Auflaminieren der zweiten Laminatschicht (3, 4) in einer mittig zwischen den Laminatschichten (3, 4) angeordneten Ebene geteilt wird.






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