BÜCHLER, Dirk (Franz Parr Platz 7, Güstrow, 18273, DE)
| Ansprüche 1. Stabwickelstruktur in Compositebauweise mit einem Spantengerüst, welche aus getränkten Fasersträngen in einem kontinuierlichen Wickel- und Legevorgang gebildet werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Spanten Vollspanten (2) oder aus Fasersträngen (3) vorgefertigte Gitterstruktur-Spanten (5) sind, welche Knotenpunkte enthalten, über die die getränkten Fasersträngen (3) abwechselnd und schrittweise diagonal, horizontal und vertikal bis zur gewünschten Strangstärke abgelegt sind, und dass die Stabwickelstruktur bei Bedarf teilbar ist. 2. Stabwickelstruktur nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Form der Spanten sich am äußeren Profil der Stabwickelstruktur orientiert und die Stabwickelstruktur durch die Spanten in Abschnitte unterteilt wird, wobei der Abstand der Spanten von der Gesamtstruktur und deren Festigkeitsanforderung abhängig ist. 3. Stabwickelstruktur nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Vollspanten aus Faserverbundwerkstoffen oder Aluminium oder anderen leichten Materialien bestehen. 4. Stabwickelstruktur nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass als Knotenpunkte zu den äußeren Rändern der Spanten gerichtete, sich jeweils gegenüberliegende Öffnungen (4) angeordnet sind, welche gleichmäßig über den gesamten Spant verteilt sind und einen Durchmesser aufweisen, welcher sich nach der endgültigen Dicke der einzulegenden Faserstränge (3) richtet, wobei die Öffnungsbreite der Knotenpunkte nach außen kleiner als der zu erwartende endgültige Faserstrangquerschnitt ist. 5. Stabwickelstruktur nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass als Knotenpunkte Befestigungsteile an den Spanten angeordnet sind. 6. Stabwickelstruktur nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsteile konkave, zylindrische Teile mit einem gebördelten oder anderweitig verdickten Rand sind. 7. Stabwickelstruktur nach Anspruch 5 oder 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsteile mit einer mittigen Bohrung versehen oder als zylindrische Hohlteile ausgeführt sind. 8. Stabwickelstruktur nach einem der Ansprüche 5 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsteile nach der Fertigung aus dem Bauteil entfernt werden oder als zusätzliche Tragstruktur in dem Bauteil verbleiben. 9. Stabwickelstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass die Spanten als Profilflansch (8) ausgebildet sind, indem auf ihrer äußeren Seite zwischen jeweils zwei Öffnungen (4) oder Befestigungsteilen (7) eine Nut (6) verläuft, in welche die Faserstränge (3) eingelegt sind. 10. Stabwickelstruktur nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass zwei Spanten miteinander verbunden sind, wodurch eine Gesamtstruktur gebildet wird. 11. Stabwickelstruktur nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Spanten über eine Verschraubung (9) der Profilflansche (8) miteinander verbunden sind. 12. Stabwickelstruktur nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass im Fußbereich der Stabwickelstruktur ein Metallflansch (10) mit über den Umfang verteilten Schraubstiften (11) quer zu den zu wickelnden Fasersträngen (3) angeordnet ist. 13. Stabwickelstruktur nach Anspruch 12 dadurch gekennzeichnet, dass die Form des Metallflanschs (10) kreisförmig ist. 14. Stabwickelstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 13 dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtstruktur umwickelt, beplankt, umgössen oder verschäumt ist. 15. Stabwickelstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 14 dadurch gekennzeichnet, dass diese als Rotorblatt für Windkraftanlagen oder als Tragflügel für Flugzeuge oder Schiffe angewendet wird. 16. Stabwickelstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 14 dadurch gekennzeichnet, dass diese als Schiffsrumpf, Deckshaus, Fahrzeugkarosserie, Triebwerkswagen, oder Flugzeugrumpf angewendet wird. 17. Stabwickelstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 14 dadurch gekennzeichnet, dass diese als Stützstruktur für ein Solarspiegelpaneel angewendet wird. |
Beschreibung
[0001] Die Erfindung befasst sich mit Stabwickelstrukturen in
Compositebauweise, welche beispielsweise für Tragflügel oder
Rotorblätter aber auch in anderen Bereichen, bei denen eine
Leichtstruktur gefragt ist wie beispielsweise für Schiffsrümpfe,
Fahrzeugkarosserien, Stützstrukturen für Solarspiegelpaneele u.a.
eingesetzt werden können.
Stand der Technik
[0002] Für die Fertigung von Tragflügeln und Rotoren z.B. im Flugzeugbau oder für Windkraftanlagen aber auch im Bootsbau werden üblicherweise Schalenbauweisen verwendet. Dabei wird um einen meist zentral gelegenen Holm die Außenfläche als Schale aufgespannt. Die Schale kann einen erheblichen Anteil der Kräfte aufnehmen.
[0003] Diese Bauweise hat den Nachteil, dass Sie nur mit einem erheblichen manuellen Aufwand umgesetzt werden kann. So müssen alle
Einzelbauelemente zugeschnitten, positioniert und letztlich verbunden werden. Damit ist die Reproduzierbarkeit verkompliziert und die
Herstellungskosten sind hoch.
[0004] Zudem ist eine Optimierung der Schalenstärken nur eingeschränkt
möglich, da der technologische Aufwand sonst übermäßig wächst. Das Massegewicht ist daher nicht optimal.
[0005] Verbindungen und Anschlüsse insbesondere zu metallischen
Konstruktionselementen oder bei Teilungen auch untereinander sind nur eingeschränkt und aufwendig möglich. Auch die Anbindung von
zusätzlichen Bauteilen ist kompliziert.
[0006] Eine gezielte eingeprägte Funktionalität wie z.B. lastabhängige Torsion der Bauteile ist nur mit vielen Einschränkungen möglich.
[0007] Eine Alternative verspricht die Lösung wie in WO 2008/115265 A1
aufgeführt. Eine Reihe voneinander beabstandeter Profilteile, welche die Profilform bilden, werden durch eine Vielzahl von Holmen und Querträgern aus stranggezogenen Glasfaserwerkstoffprofilen fachwerkmäßig zusammengehalten.
[0008] Allerdings ist der technologische Aufwand auch hier erheblich, müssen die Einzelteile doch manuell zugeschnitten, positioniert und verbunden werden, und kommt einer industriellen Fertigung nicht wesentlich entgegen.
[0009] Eine Alternative bietet die Fertigung mittels Stabwickelstrukturen nach
Patent DE 102006038130 B3. Hier werden ein Verfahren zur Herstellung tragender Strukturen und die damit hergestellte tragende Struktur offenbart. Getränkte Kohlefaserstränge werden in einem einzigen kontinuierlichen Wickel- und Legeverfahren um Befestigungsteile, welche in einem Raster angeordnet sind, horizontal, vertikal und diagonal gewickelt. Werden keine Befestigungsteile verwendet, können die getränkten Kohlefaserstränge oberhalb und unterhalb bereits gewickelter bzw. gelegter Kohlefaserstränge verlegt werden. Es entsteht ein
Gitternetz, welches sehr stabil und belastbar ist.
[0010] Die Anwendung für Tragflügeln und Rotoren, Schiffsrümpfe,
Fahrzeugkarosserien und Stützstrukturen für Solarspiegelpaneele ist hierbei nicht vorgesehen. Darstellung der Erfindung
[0011] Aufgabe der Erfindung ist es, ausgehend vom Stand der Technik die
Stabwickelstrukturen so weiter zu entwickeln, dass diese auch für die Herstellung von Tragflügeln oder Rotorblättern geeignet sind.
[0012] Erfindungsgemäß wird ein komplexes dreidimensionales Gitter aus vorab getränkten Fasersträngen über Knotenpunkte gelegt und bildet dabei den Grundkörper des zu fertigenden Bauteils.
[0013] Die Stabwickelstruktur in Compositebauweise mit einem Spantengerüst, welche aus getränkten Fasersträngen in einem kontinuierlichen Wickel- und Legevorgang gebildet werden, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Spanten Vollspanten oder aus Fasersträngen vorgefertigten Gitterstruktur- Spanten sind, welche Knotenpunkte enthalten, über die die getränkten Fasersträngen abwechselnd und schrittweise diagonal, horizontal und vertikal bis zur gewünschten Strangstärke abgelegt sind, und dass die Stabwickelstruktur bei Bedarf teilbar ist. Die Vollspanten bestehen aus Faserverbundwerkstoffen oder Aluminium oder anderen leichten
Materialien.
[0014] Die Form der Spanten orientiert sich am äußeren Profil der
Stabwickelstruktur und die Stabwickelstruktur wird durch die Spanten in Abschnitte unterteilt, wobei der Abstand der Spanten von der
Gesamtstruktur und deren Festigkeitsanforderung abhängig ist.
[0015] In einer Ausführungsform sind die Knotenpunkte zu den äußeren Rändern der Spanten gerichtete, sich jeweils gegenüberliegende Öffnungen, welche gleichmäßig über den gesamten Spant verteilt sind und einen Durchmesser aufweisen, welcher sich nach der endgültigen Dicke der einzulegenden Faserstränge richtet, wobei die Öffnungsbreite der
Knotenpunkte nach außen kleiner als der zu erwartende endgültige Faserstrangquerschnitt ist.
[0016] Eine weitere Ausführungsform bevorzugt als Knotenpunkte an den
Spanten angeordnete Befestigungsteile. Die Befestigungsteile sind konkave, zylindrische Teile mit einem gebördelten oder anderweitig verdickten Rand. Sie sind mit einer mittigen Bohrung versehen oder als zylindrische Hohlteile ausgeführt. Beispielsweise können sie aus
Aluminium sein. Die Befestigungsteile können nach der Fertigung aus dem Bauteil entfernt werden oder als zusätzliche Tragstruktur in dem Bauteil verbleiben.
[0017] In einer weiteren Ausführungsform sind die Spanten als Profilflansch
ausgebildet, indem auf ihrer äußeren Seite zwischen jeweils zwei
Öffnungen oder Befestigungsteilen eine Nut verläuft, in welche die Faserstränge eingelegt sind. So können zwei Spanten miteinander verbunden werden, wodurch eine Gesamtstruktur gebildet wird. Die Verbindung erfolgt über eine Verschraubung der Profilflansche
miteinander.
[0018] Im Fußbereich der Stabwickelstruktur ist ein Metallflansch mit über den Umfang verteilten Schraubstiften quer zu den zu wickelnden
Fasersträngen angeordnet.
[0019] Die Gesamtstruktur ist umwickelt, beplankt, umgössen oder verschäumt.
[0020] Die erfindungsgemäße Stabwickelstruktur kann als Rotorblatt für
Windkraftanlagen oder als Tragflügel für Flugzeuge oder Schiffe angewendet werden.
[0021] Der Fertigungsvorgang selbst kann automatisiert und von
Handhabungsrobotern ausgeführt werden. Nach Abschluss des
Fertigungsvorgangs wird das Material ausgehärtet und bildet das
Festigkeitsgerüst. Durch das Einwickeln von Buchsen und/oder Stiften vorzugsweise aus Metall kann eine exzellente Verbindung zu anderen Bauteilen/ Anbauten hergestellt werden.
[0022] Die entstandenen Tragwerksstruktur kann in einem anschließenden
Arbeitsgang beplankt oder in einer Form mit einem Schaumstoff umschäumt werden. Dabei bildet sich dann die gewünschte Geometrie und Oberflächenqualität. Zur Erhöhung der Abriebfestigkeit oder für Dekorzwecke kann noch die Beschichtung mit einer Folie und oder eine Lackierung erfolgen.
Ausführung der Erfindung
[0023] Die Erfindung wird anhand von Zeichnungen näher erläutert. Hierzu
zeigen
Figur 1 schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der
Erfindung als Rotorblatt in der Stabwickelstruktur in Compositebauweise
Figur 2 Vollspanten mit Umwicklung aus Fasersträngen
Figur 3 Vollspant mit Nuten und Öffnungen
Figur 4 Verbindung der Spanten untereinander über eine
profilflanschartige Verschraubung
Figur 5 Verbindung zu einem Metallflansch im Fußbereich des
Rotorblattes (schematische Darstellung)
Figur 6 Verbindung zu einem Metallflansch im Fußbereich eines Rotorblattes mit Vollspanten
Figur 7 Verbindung zu einem Metallflansch im Fußbereich eines Rotorblattes mit aus Fasersträngen vorgefertigten gewickelten
Gitterstruktur-Spanten
Figur 8 Rotorblatt (Ausschnitt) mit schalenförmiger Umschäumung zur
Außenkontur und Versiegelung
Figur 9 Schiffsrumpf in Tragwerksstruktur
Figur 10 Deckshaus in Tragwerksstruktur
Figur 11 Stützstruktur für ein Solarspiegelpaneel.
[0024] Die erfindungsgemäße Lösung kann überall dort angewendet werden, wo Leichtbaustrukturteile benötigt werden. Erläutert wird die Erfindung an einem Rotorblatt für Windkraftfanlagen als ein Ausführungsbeispiel. Es ist aber ebenso vorstellbar, dass beispielsweise Tragflügel für Flugzeuge nach dem gleichen Prinzip hergestellt werden. [0025] Erfindungsgemäß wird ein komplexes dreidimensionales Gitter aus vorab getränkten Fasersträngen, z.B. Kohlefasern oder Glasfasern, über Knotenpunkte gelegt und bildet dabei den Grundkörper des zu fertigenden Bauteils. Als Knotenpunkte werden die Punkte auf den Spanten
bezeichnet, in denen mehrere Faserbündel zusammenlaufen. Die
Knotenpunkte können beispielsweise durch nach außen offene Öffnungen direkt in den Spanten gebildet werden.
[0026] Andere Knotenpunkte können aus Befestigungsteilen gebildet werden, welche als konkave, zylindrische Teile mit einem gebördelten oder anderweitig verdickten Rand ausgeführt sind. Die zylindrischen Teile können mit einer mittigen Bohrung versehen oder als zylindrische
Hohlteile ausgeführt sein. Als Material wird Aluminium bevorzugt, es ist aber auch anderes leichtes und dabei belastbares Material vorstellbar.
[0027] Die Form des Rotorblattes 1 in Figur 1 wird aus einem Spantengerüst aus Vollspanten 2 (Figur 2) oder aus getränkten Fasersträngen ebenfalls vorgefertigten gewickelten Gitterstruktur-Spanten 5 (siehe Figur 7) gebildet. Das Material der Vollspanten 2 ist variabel. Vorstellbar sind sowohl Faserverbundwerkstoffe als auch Aluminium oder andere leichte Materialien. Die Form der Spanten orientiert sich am äußeren Profil des Rotorblatts 1. Die Spanten unterteilen das Rotorblatt 1 in Abschnitte.
[0028] Die Spanten weisen zu den äußeren Rändern gerichtete, sich jeweils gegenüberliegende Öffnungen 4 (Knotenpunkte) auf, welche hier gleichmäßig über den gesamten Spant verteilt sind. Die Abstände zwischen den Knotenpunkten können auch variieren. Die Öffnung 4 hat einen vorab berechneten Durchmesser, welcher sich nach der endgültigen Dicke der einzulegenden Faserstränge 3 richtet. Die Öffnungsbreite der Knotenpunkte 4 ist nach außen kleiner als der zu erwartende endgültige Faserstrangquerschnitt.
[0029] Alternativ sind als Knotenpunkte auf den Spanten Befestigungsteile 7 angeordnet, die nach der Fertigung aus dem Bauteil entfernt werden oder auch als zusätzliche Tragstruktur in dem Bauteil verbleiben können. [0030] Zwischen den Spanten, welche voneinander in einem definierten Abstand, der aus der Gesamtlänge des Rotorblattes und der geforderten Festigkeit berechnet wird (im Beispiel zwischen 10 cm und 500 cm), angeordnet sind, werden getränkte Faserstränge 3 in einem kontinuierlichen Wickel- und Legevorgang in die Öffnungen 4 oder über die Befestigungsteile 7 abwechselnd und schrittweise diagonal, horizontal und vertikal abgelegt. Dabei erfolgt die Ablage solange verteilt über die einzelnen Knotenpunkte, bis die gewünschte Strangstärke erreicht ist. Die zeitliche Reihenfolge der Ablage der Faserstränge 3 wird dabei so berechnet, dass ein weitgehend kontinuierlicher Prozess über alle Knotenpunkte erfolgt. Der Abstand zwischen den einzelnen Spanten kann konstruktionsbedingt
unterschiedlich sein.
[0031] Wenn das Rotorblatt 1 geteilt werden soll, um beispielsweise
Transportprobleme zu vermeiden, kann gezielt an den zu verbindenden Enden jeweils ein Profilflansch 8 als Spant eingesetzt werden. Dieser wird in Figur 3 gezeigt. Auf der äußeren Seite des Profilflansches 8 verläuft zwischen jeweils zwei Öffnungen 4 bzw. Befestigungsteilen 7 eine Nut 6. Durch die Nut 6 liegen die Faserstränge 3 nicht auf der Oberfläche sondern schließen mit der Oberfläche des Profilflansches 8 ab, so dass eine Verbindung von zwei Spanten ohne Zwischenraum erfolgen kann.
[0032] Die Verbindung der Einzelabschnitte des Rotorblattes 1 untereinander erfolgt über eine Verschraubung 9 der Profilflansche 8 (Figur 4). Die einzelnen Faserlängsstränge 3 werden dabei um den Profilflansch 8 zurückgeführt und umschließen diesen. Auf der Berührungsfläche zum Gegenflansch sind die Faserstränge 3 in den Flansch versenkt und ermöglichen so das plane Aufliegen der beiden Flanschhälften. Durch diese Ausführung ist es auch denkbar, die Konstruktion so
auszugestalten, dass die Spanten auswechselbar sind.
[0033] In Figur 5 wird schematisch eine Verbindung zu einem Metallflansch 10 im Fußbereich des Rotorblattes 1 gezeigt. Der Metallflansch 10 stellt eine Sonderform eines Spants dar. Die Form des Metallflanschs 10 ist entsprechend der Anwendung gestaltet. Bei einem Rotorblatt 1 für
Windkraftanlagen ist sie in der Regel kreisförmig. Andere Querschnitte sind aber genauso herstellbar. Der Metallflansch 10 besitzt über den Umfang verteilt Schraubstifte 11 quer zu den zu wickelnden Fasersträngen 3. Um diese Schraubstifte 11 werden die Faserstränge 3 gelegt. Dadurch wird eine sehr gleichmäßige und hochbelastbare Verbindung erzielt.
[0034] Figur 6 zeigt die Verbindung zu einem Metallflansch 10 im Fußbereich eines Rotorblattes 1 mit Vollspanten 2 als eine Ausführungsform und Figur 7 zeigt die Verbindung zu einem Metallflansch 10 im Fußbereich des Rotorblattes 1 mit aus Kohlefasersträngen vorgefertigten gewickelten Gitterstruktur-Spanten 5 als eine zweite Ausführungsform.
[0035] Abschließend wird, wie in Figur 8 gezeigt, die gesamte Gitterstruktur oder Teile der Struktur mit einem Schaum oder Kunststoff umschäumt, vergossen oder ausgeschäumt. Es ist auch möglich, mehrere Techniken zu kombinieren. Die Umschäumung 12 kann dabei die Konstruktion voll ausfüllen oder schalenförmig zur Außenkontur ausgeführt werden. Auf der äußeren Oberfläche kann eine Versiegelung 13 durch eine wetter- und erosionsfeste Folie erfolgen. Alternativ kann aber auch ein
Compositelaminat oder eine metallische Oberflächenbeplattung verwendet werden.
[0036] Soll die Konstruktion beispielsweise als Tragflügel für Flugzeuge oder auch Schiffe (z.B. Bodeneffektfahrzeuge, Tragflügelboote) verwendet werden, ändern sich lediglich die Form der Spanten und deren Abstände zueinander. Die Grundkonstruktion ist demnach ähnlich und bedarf daher keiner ausführlichen Erläuterung.
[0037] In den Figuren 9 bis 11 werden weitere Beispiele für mögliche
Anwendungen gezeigt. Mit der Erfindung ist es möglich, auch so
komplizierte Tragwerksstrukturen wie für einen Schiffsrumpf (Figur 9) oder auch eine Fahrzeugkarosserie, Waggons und Triebwerkswagen,
Flugzeugrümpfe herzustellen. Für einen Schiffsrumpf nach Figur 9 werden die Faserstränge 3 in hier nicht weiter gezeigte, aber wie in Figur 2 folgende erläuterte Öffnungen auf Spanten, die über die Rumpflänge verteilt sind abgelegt. Die Außenhaut wird als Laminat mit der
Gitterstruktur verklebt. Die Spanten selbst können in der Struktur verbleiben oder als wiederverwendbares Werkzeug ausgeführt werden.
[0038] Figur 10 zeigt ein Deckshaus, welche in identischer Art und Weise gefertigt werden kann. Vorteilhafter Weise sollten hier einzelne Wandelemente
Längsseite/ Querseite, Decke separat gefertigt werden und die Spanten 14 im Bauteil verbleiben. Die Spanten 14 können auch als Wickelstruktur ausgeführt werden.
[0039] Das Deckshaus in Figur 10 wie auch die Stützstruktur für ein Solarspiegelpaneel (Figur 1 1 ) sind weitere Beispiele der möglichen Umsetzung. Für das
Solarspiegelpaneel (Figur 1 1 ) besteht die Struktur aus einzelnen vorab eben gewickelten Gitterkomponenten (Spanten 15). Diese werden auf Profile (hier Rohre) zentral und außen aufgeschoben und verklebt. Als Profile kommen metallische Rohre oder pultrudierte Kunststoffrohre zum Einsatz
[0040] Diese Aufzählung soll nicht abschließend sein, mögliche andere
Anwendungen sind in allen Bereichen der Technik zu finden.
Bezugszeichen
1 Rotorblatt
2 Vollspanten
3 Faserstränge
4 Öffnungen
5 gewickelte Gitterstruktur-Spanten
6 Nut
7 Befestigungsteile
8 Profilflansch
9 Verschraubung
10 Metallflansch
11 Schraubstifte
12 Umschäumung
13 Versiegelung
14 Spanten Deckshaus
15 Spanten Solarspiegelpaneel