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Faserverbund-Verankerungsstifte zur Verbindung von mehreren Bauteilen


Kurzfassung

Eine an der Universität Stuttgart entwickelte additive Verbindungstechnik ermöglicht es, Einzelkomponenten mittels faserverstärkter Stifte formschlüssig miteinander zu verbinden, ohne dass dabei Nachbearbeitungsschritte im Herstellungsprozess oder Fremdstoffe im Bauteil erforderlich sind. Dadurch eröffnet die Technologie sowohl in der Verbindung von Einzelkomponenten als auch in der interlaminaren Bauteilverstärkung neue Möglichkeiten.


Hintergrund

Für die Verbindung zweier faserverstärkter Festkörper miteinander werden nach heutigem Stand der Technik Kleb- oder Nietverbindungen genutzt.


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Problemstellung

Diese Verbindungen, insbesondere die Klebverbindungen, werden meist durch eine Oberflächenbehandlung mindestens einer der beiden Komponenten unterstützt, was eine Schädigung des Bauteils bereits während der Herstellung zur Folge haben kann. Im Fall auftretender Zugbelastungen kann eine genietete Verbindung sogar die Schwachstelle einer gesamten Bauteilgruppe sein.


Lösung

In dem an der Universität Stuttgart entwickelten Verfahren werden Verankerungselemente (Stifte) zeitgleich mit der textilen Trägerstruktur im Bauteil angelegt. Mit einer Nadel, die das Fasermaterial führt, wird durch den textilen Preform in den Schaum (Trägermaterial) eingestochen (Figur 1A). Das Fasermaterial verbleibt beim Heraus­ziehen der Nadel als Schlaufe im Schaum. Während der Imprägnierung des textilen Preforms dringt die Matrix nicht nur in das flächige Textil, sondern auch in die Ein­stichlöcher im Schaum ein und benetzt die Schlaufen.

Nach der Vernetzung des Matrixmaterials wird der Schaum gelöst und es entsteht ein Faserverbundbauteil –zwei- oder dreidimensional – mit integrierten Verbin­dungselementen (Figur 1B). Die Stifte ragen entweder in ein zu verfüllendes Bauteilinnere oder stehen aus der zweidimensionalen Ebene heraus. Durch die Verzahnung zweier gegenüberstehender Elemente kann der Form­schluss innerhalb einer Fügestelle erreicht werden.

Die Anzahl Stifte pro Flächeneinheit, ihre Größe, Aus­richtung und Anordnung sind flexibel einstellbar, so dass ein individuell an die Bauteilgruppe anpassbares Ver­bindungselement entsteht.


Vorteile

  • Verstärkung von FVK-Bauteilen und -Fügestellen
  • Kraftfluss und -übertrag im Verbundbauteil kontinuierlich gewährleistet
  • Resistenz gegen Temperaturschwankungen auf-grund von Materialhomogenität in der Verbindung
  • Hohe Qualität und Reproduzierbarkeit durch automatisierten Prozess gewährleistet
  • Zweidimensionale und dreidimensionale Bauteile durch die Verwendung von ebenem oder geschlitztem Schaum herstellbar

Anwendungsbereiche

Anwendungsbeispiel: Hinterkanten-Verklebung von Windenergie-Rotorblättern und Flugzeugflügeln

Insbesondere die Verbindung der Flügelhinterkanten von Rotorblättern (Windkraftanlagen), aber auch die Füge­stelle der innenliegenden Holmstege zur Außenhaut, sind dreidimensional belastete, strukturelle Bauteilbereiche. Derzeit werden diese Verbindungen direkt geklebt (Figur 2). Es werden angedickte duromere Harzsysteme verwendet, die keinen Formschluss der Fügestelle gewährleisten. Sofern Schubbelastungen in den verkleb­ten Bereichen auftreten, besteht folglich die Möglichkeit des Abscherens, wobei sich die Klebeverbindung löst und das Bauteil versagt.

Flügel einer Windkraftanlage oder eines Flugzeuges bestehen aus faserverstärktem Kunststoff, teilweise auch aus einer Sandwichstruktur mit Decklagen aus faserver­stärktem Kunststoff und einem eingeschlossenen Schaum- bzw. Wabenkern. Die Implementierung der Ver­stärkungsstifte als zusätzliches Bauteilelement wäre somit eine stoffschlüssige Möglichkeit zur Herstellung eines Formschlusses innerhalb der Klebeverbindung, um ein Scherversagen zu vermeiden.

Es ist angedacht, die zwei zu verbindende Halbschalen mit Verstärkungsstiften zu versehen, welche beim Verkle­ben der Halbschalen ineinandergreifen (Figur 3). Durch die Verzahnung entstünde eine dreidimensional verstärk­te Fügestelle, die auch dreidimensionalen Belastungen wie Schub und Scherung ausgesetzt werden kann. Die Festigkeit der Klebverbindungen solcher Bauteile könnte sich erwartungsgemäß vervielfachen.

 

Die Faserschlaufen der Verstärkungsstifte können bereits während der Herstellung der Halbschalen, im textilen Stacking-Prozess, automatisiert in definierten Bereichen eingebracht werden. Im gesamten Bauteil entsteht somit gleichzeitig eine Z-Verstärkung, eine Verbindung zwi -schen den einzelnen textilen und speziell den Sandwich-Lagen. Durch eine derartige interlaminare Verbindung lassen sich die Festigkeitseigenschaften eines Bauteils, speziell solche gegenüber Lastwechseln mit Durchbie­gungen, bei denen die Lagen gegeneinander auf Schub beansprucht werden, nachweislich verbessern.

Durch das Ergänzen der Bauteilstruktur um die vorge­stellten Verstärkungsstifte, könnte folglich ein dauerfestes High-Performance-Bauteil entstehen.

 

 


Service

Die Technologie-Lizenz-Büro GmbH ist mit der Verwer­tung der Technologie beauftragt und bietet Unternehmen die Möglichkeit der Lizenznahme oder des Patentkaufes.


Technologie-Lizenz-Büro (TLB) der Baden-Württembergischen Hochschulen GmbH

Dipl.-Ing. (FH) Klaus Röhm
+ 49 721 790 040
roehm@tlb.de
www.tlb.de
Adresse
Ettlinger Straße 25
76137 Karlsruhe



Patentsituation

  • DE 102018108745 A1 anhängig
  • EP 3552807 A1 anhängig

Stichworte

Faserverbundbauteile, stoffschlüssig, formschlüssig, automatisiert herstellbar

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Kontakt | Geschäftsstelle

TransferAllianz e. V.
Christiane Bach-Kaienburg
(Geschäftsstellenleiterin)

c/o PROvendis GmbH
Schloßstr. 11-15
D-45468 Mülheim an der Ruhr