DE60221236T2

DE60221236T2 - Gewebte vorform für eine konstruktionsverbindung

Info

Publication number: DE60221236T2
Application number: DE60221236T
Authority: DE
Inventors: Ronald P. Fort Worth SCHMIDT; David A. Arlington KAISER
Original assignee: Lockheed Corp; Lockheed Martin Corp
Current assignee: Lockheed Martin Corp
Priority date: 2001-09-12
Filing date: 2002-09-10
Publication date: 2008-04-10
Anticipated expiration: 2022-09-11
Also published as: US20030056847A1; WO2003023104A1; EP1379716B1; DE60221236D1; CA2449746A1; EP1379716A1; CA2449746C; US6874543B2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. BEZUGNAHME AUF VERWANDTE ANMELDUNG
Es wird hier der Nutzen des Anmeldedatums unter 35 USC § 119 und/oder § 120 und CFR 1.78 der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 60/322 205 , die am 12. September 2001 unter dem Titel "Vorformling-Webmuster" eingereicht wurde, beansprucht.
2. GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf gewebte Vorformlinge und insbesondere bezieht sie sich auf gewebte Vorformlinge, die beim Verbinden von Komponenten an strukturellen Verbindungsstellen verwendet werden.
3. BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK
Wenn Komponenten in einer strukturellen Verbindungsstelle verbunden werden, können Schichten aus Gewebe, die mit einem Polymerharz getränkt sind, zum Verbinden verwendet werden. Beispielsweise werden zwei Komponenten in die gewünschten Positionen und Orientierungen gebracht, und Schichten aus Verbundwerkstoffen werden an die äußeren Oberflächen der Komponenten angeklebt: ein Bereich des Gewebes klebt an der einen Komponente, ein anderer Bereich klebt an der anderen Komponente. Mehrere Schichten aus Gewebe werden übereinander angeordnet, um die Festigkeit der Verbindung zu erhöhen und einen gewünschten Krümmungsradius an der Schnittstelle zu bilden.
Während dieses Verfahren durchführbar ist, kann die Verbindung verbessert werden, indem Fasern sich durch die Schnittstelle der Komponenten hindurch erstrecken, wobei sie die Verbundwerkstoffschichten auf beiden Seiten der Verbindung verbinden. Ein dreidimensionaler (3D) gewebter, textiler Vorformling sieht Fasern vor, die sich durch die Schnittstelle einer Verbindung hindurch erstrecken. Der Vorformling wird mit einem Harz getränkt, das gehärtet wird, um eine starre Polymermatrix, die die Fasern des Vorformlings umgibt, zu bilden.
Webmuster für gewebte Verbundwerkstofftextilien wurden in der Vergangenheit verwendet, mit denen verschiedene Formen dreidimensionaler Vorformlinge erhalten werden können. Jedoch waren diese Webmuster typischerweise Einzelschichtverbinder, beispielsweise US-Patent Nr. 4 671 470 für Jonas, in welchem ein H-förmiger Verbinder zum Verbinden eines Flügelholms mit einer Sandwich-Hautstruktur offenbart ist. Auch wurden dreidimensionale Vorformlinge gewebt, um während des Aufschichtens von Verbundwerkstoffschichten in Schnittstellen mit engem Radius gebildete Spalte zu füllen. Ein Spaltenfüll-Vorformling ist im US-Patent Nr. 5 026 595 für Crawford, Jr. et al. offenbart.
Die US 4 922 968 offenbart ein Mehrfachgewebe, das zu Verstärkungszwecken verwendet werden kann und das eine Längenabmessung, eine Breitenabmessung und eine Dickenabmessung hat, Schussfasern, die sich in Breitenrichtung des Gewebes erstrecken, und Kettfasern, die sich in Längsrichtung des Gewebes erstrecken, enthält, wobei die Kettfasern mit den Schussfasern verwebt werden, um einen mittleren Gurt, im Querschnitt senkrecht zu der Breitenabmessung, zwischen entgegengesetzten Endbereichen zu erhalten, wobei jeder der entgegengesetzten Endbereiche einen mittleren Spalt hat, der jeden Endbereich in einen getrennten linken und rechten Flansch teilt, die auseinander gebogen werden können.
Jedoch waren diese Vorformlinge nach dem Stand der Technik begrenzt in ihrer Fähigkeit, hohen Lasten außerhalb der Ebene zu widerstehen, in einem automatischen Webstuhlvorgang gewebt zu werden und veränderlichen Dicken von Bereichen des Vorformlings vorzusehen. Die Webkonstruktion und die Automatisierung des Vorformlingwebens waren in ihren Anfängen und ergaben nur einen kleinen Vorteil gegenüber herkömmlichen laminierten, fasergewickelten oder geflochtenen Verbundwerkstoffen, wodurch die Vielseitigkeit der Vorformlinge beschränkt war.
Es besteht eine Notwendigkeit für einen verbesserten Vorformling mit einer modifizierten Webstruktur, die einen Vorformling mit symmetrischer Lasttragfähigkeit und symmetrischer Lastverteilung ergibt. Zusätzlich besteht eine Notwendigkeit für einen verbesserten Vorformling mit einem modifizierten Konus und einer Webfolge zur Bildung des Konus. Auch besteht eine Notwendigkeit für einen Vorformling mit Kennfasern zum Identifizierten ausgewählter Bereiche des Vorformlings oder ausgewählter Orte des Vorformlings.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein Vorformling für strukturelle Verbindungen hat eine dreidimensionale Webstruktur mit Schussfasern, die gewebt sind, um eine Schicht-zu-Schicht-Verzahnung von Schichten von Kettfasern sowie eine Verzahnung von Fasern innerhalb jeder Schicht vorzusehen. Der gewebte Vorformling überträgt eine Belastung außerhalb der Ebene durch gerichtete Fasern, um eine interlaminare Spannung zu minimieren. Der Vorformling hat eine Basis und zumindest zwei Beine, die sich von der Basis weg erstrecken, wobei die Basis und die Beine jeweils zumindest zwei Schichten aus Kettfasern haben.
Die Schussfasern folgen einer Webfolge, die sie durch einen Bereich der Basis, dann in die Beine, dann durch den entgegengesetzten Bereich der Basis und zurück durch die gesamte Basis trägt, um zu dem Startpunkt des Schleppmusters zurückzukehren. Die Beine sind an einer symmetrischen Schnittstelle mit verteilter Säule verbunden, mit einer ungeraden Anzahl von Säulen aus Kettfasern, die sich zwischen den Beinen befinden. Dies ermöglicht eine Symmetrie um eine mittlere Ebene in dem Webmuster, was eine symmetrische Lasttragfähigkeit ergibt. Die äußeren Enden der Basis und der Beine sind vorzugsweise konisch durch Beenden der Schichten von Kettfasern in einem gestuften Muster.
Kennfasern, die eine gefärbte Litze und eine für Röntgenstrahlen undurchlässige Litze aufweisen, befinden sich an ausgewählten Stellen in dem Vorformling als eine Kettfaser. Die gefärbte Litze hat vorzugsweise eine Farbe, die einen Kontrast zu den umgebenden Schuss- und Kettfasern aufweist, was dem Benutzer ermöglicht, einen ausgewählten Ort auf dem Vorformling visuell zu bestimmen oder einen Bereich des Vorformlings zu identifizieren. Die für Röntgenstrahlen undurchlässige Litze ermöglicht einem Benutzer, den Ort unter Verwendung eines Röntgenbildes des Vorformlings zu bestimmen. Beispielsweise können sich die Kennfasern am Anfang des jeweiligen Konus befinden, wodurch sie identifizieren, wo die Dicke des Beins oder der Basis abzunehmen beginnt, für eine genaue Dimensionsuntersuchung des Vorformlings. Auch können Kennfasern mit unterschiedlichen Farben bei verschiedenen Abschnitten des Vorformlings verwendet werden, wodurch dem Benutzer ermöglicht wird, die Beine und die Basis zu unterscheiden, um eine ordnungsgemäße Orientierung des Vorformlings in der Verbundwerkstoffstruktur sicherzustellen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die neuen Merkmale, die als charakteristisch für die Erfindung angesehen werden, werden in den angefügten Ansprüchen wiedergegeben. Die Erfindung selbst jedoch sowie eine bevorzugte Verwendungsart, weitere Aufgaben und Vorteile hiervon werden am besten verständlich durch Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung eines anschaulichen Ausführungsbeispiels, wenn sie in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen gelesen wird.
1 ist eine schematische Seitenansicht eines pi-förmigen Vorformlings, der unter Verwendung eines Schleppwebmusters gemäß der Erfindung gewebt ist.
2 ist eine vergrößerte schematische Seitenansicht des mittleren Bereichs des Vorformlings nach 1.
3 ist eine vergrößerte schematische Seitenansicht der rechten Seitenkante der Basis des Vorformlings nach 1.
4 ist eine isometrische Ansicht des Vorformlings nach 1 mit den Beinen in einer aufstehenden Position und die Orte von Kennfasern in dem Vorformling nach der Erfindung zeigend.
5 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht, die die Mehrfachlitzen der Kennfasern nach 4 zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die 1 bis 4 illustrieren ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines dreidimensionalen Vorformlings 11. Der Vorformling 11 ist gebildet durch Weben von einer oder mehreren Schussfasern 13 in einem Schleppmuster durch mehrere Kettfasern 15, wobei sich die Kettfasern 15 senkrecht zu der Ebene des Schleppmusters erstrecken. In den 1 bis 3 sind die Schussfasern 13 in der Betrachtungsebene gezeigt, während die Kettfasern 15 als senkrecht zu der Betrachtungsebene gezeigt sind. 1 illustriert das vollständige Schleppmuster, das zur Bildung des pi- förmigen Vorformlings 11 verwendet wird, während die 1 und 3 Bereiche des Musters in 1 illustrieren. Die Fasern 13, 15 sind in den schematischen Ansichten der Struktur als im Abstand voneinander angeordnet gezeigt, obgleich die Fasern 13, 15 dicht aneinander angeordnet sind, wenn sie tatsächlich in einem vollständigen Vorformling 11 gewebt sind.
Alle Kettfasern 15 im Vorformling 11 sind im Wesentlichen parallel zueinander, mit leichten Welligkeiten entlang der Längsrichtung jeder Faser 15, und sind im Allgemeinen in vertikalen Säulen angeordnet. Der Vorformling 11 ist vorzugsweise aus Materialien gewebt, die für typische Verbundwerkstoffstrukturen verwendet werden, beispielsweise Fiberglas- und Kohlenstofffasern, und er ist so gewebt, dass er eine Basis 17 und zumindest zwei Beine 19, 21, die sich von der Basis 17 erstrecken, hat, wobei er ein pi-förmiges Profil bildet. Die Basis 17 und die Beine 19, 21 weisen jeweils zumindest zwei Schichten aus Kettfasern 15 auf und sind so gezeigt, dass sie wahlweise abgeschrägte Kanten haben. Zur Erleichterung des Webens wird der Vorformling 11 mit den Beinen 19, 21 über die Basis 17 gelegt gewebt, obgleich die Beine 19, 21 zur Verwendung in einer aufrechten Position vorgesehen sind, wodurch sie einen Lastbügel bilden. Die Basis 17 ist mit ach Schichten aus Kettfasern 15 gezeigt, und die Beine 19, 21 sind mit vier Schichten aus Kettfasern 15 gezeigt.
Wahlweise haben, wie gezeigt ist, die Kettfasern 15 in der Basis 17 eine kleinere Querschnittsfläche als die Kettfasern 15 in den Beinen 19, 21. Dies ermöglicht die Verwendung einer größeren Anzahl von Kettfasern 15 beim Weben der Basis 17 derart, dass sie angenähert dieselbe Gesamtgröße wie die Basis 17 mit einer geringeren Anzahl von größeren Kettfasern 15 hat. Die zusätzlichen Säulen ergeben eine doppelte Verzahnung zwischen Schichten aus Kettfasern 15 in der Basis 17 und ergeben eine größere Auflösung bei den wahlweise abgeschrägten Kanten der Basis 17, wodurch glattere Abschrägungen geschaffen werden. Durch Verwendung kleinerer Kettfasern 15 nur in der Basis 17 und nicht in den Beinen 19, 21 wird die Zunahme der zum Weben der Struktur auf einem Webstuhl erforderlichen Zeit minimiert, während dennoch eine stärkere Basis 17 im Vorformling 11 durch eine stärkere Verzahnung durch Kettfasern 15 erhalten wird.
In 1 ist der Vorformling 11 mit dem Webmuster an der Position A, die auf der rechten Seite der Basis 17 gezeigt ist, beginnend und endend illustriert. In einem typischen Bereich der Webfolge geht die Schussfaser 13 während jedes Durchgangs nach links abwechselnd über und unter den Kettfasern 15 einer Schicht hindurch, wobei sie die Fasern 15 dieser Schicht verzahnt. Auch geht in einem typischen Bereich der Webfolge die Schussfaser 13 während jedes Durchgangs nach rechts abwechselnd über und unter den Kettfasern 15 von zwei benachbarten Schichten hindurch, wobei sie die Schichten miteinander verzahnt. Wie in den Figuren gezeigt und nachfolgend beschrieben ist, weichen Bereiche der Webfolge, enthaltend solche innerhalb des Beins 21, an den Kanten und an den äußeren Oberflächen des Vorformlings 11 von diesen allgemeinen Feststellungen ab.
Die allgemeine Webfolge beginnt mit der Schussfaser 13 an der Position A und erstreckt sich zu der Position C auf der linken Seite der Basis 17. Von der Position C aus erstreckt sich die Schussfaser 13 zu der Mitte der Basis 17 zu entweder der Position B1 oder der Position B2 hin, von der sich die Schussfaser 13 aufwärts aus der Basis 17 und in das Bein 19 zur Position D am linken Ende (oder am oberen Ende während des Gebrauchs) des Beins 19 erstreckt. Die Schussfaser 13 erstreckt sich dann zurück in die Basis 17 an der Position B1 oder B2, geht durch mittleren Säulen von Kettfasern 15 hindurch, die sich zwischen den Beinen 19, 21 befinden, dann aus der Position B3 oder B4 heraus und in das Bein 21 zur Position E. Die Schussfaser 13 erstreckt sich von der Position E zurück in die Basis 17 an der Position B3 oder B4 und kehrt zur Position A zurück. Um die Folge zu beenden, erfolgt ein anderer Durchgang von der Position A zur Position C, dann zurück zur Position A, ohne dass die Schussfaser 13 in die Beine 19, 21 eintritt. Endschichten von Kettfasern 15 in einem gestuften Muster bilden schräge Kanten an der Basis 17 und den Beinen 19, 21, wie die Schräge 22 an der rechten Seitenkante der Basis 17 und die Schräge 23 am Bein 21.
Um eine Einheitszelle oder vertikalen Schnitt zu vervollständigen, werden die Durchgänge der Schussfaser 13 über den Vorformling 11 für benachbarte Schichten von Kettfasern 15 wiederholt, bis alle Schichten verzahnt sind. Die vollständige in 1 gezeigte Struktur vom Anfang des Schleppmusterpfads bis zum Ende ergibt einen Vertikalschnitt, der angenähert 0,2 Zoll entlang der Längsrichtung misst, die parallel zu den Kettfasern 15 verläuft. Das Schleppmuster wird wiederholt, um benachbarte Vertikalschnitte zu bilden, wodurch kontinuierliche Längen des Vorformlings geschaffen werden. Einzelheiten von Schnitten der Webfolge sind in den 2 und 3 illustriert und werden nachfolgend weiter beschrieben.
2 ist eine vergrößerte Ansicht des mittleren Ab schnitts des Vorformlings 11, aufweisend die Matrix aus Säulen _a bis _l und Schichten 1 bis 12, und das Webmuster wird unter Verwendung der Matrix beschrieben. Beispielsweise wird die obere linke Kettfaser 15 in der Basis 17 als _a5 bezeichnet, während die untere rechte Kettfaser 15 gleich _l12 ist.
2 zeigt das zur Bildung der Beine 19, 21 und der Basis 17 in einen pi-förmigen Vorformling 11 verwendete Webmuster. Die Basis 17 wird mit acht Schichten aus Kettfasern 15 gezeigt, und die Beine 19, 21 sind mit vier Schichten von Kettfasern 15 gezeigt, obgleich das Muster modifiziert werden kann, so dass es mehr oder weniger Schichten aus Kettfasern hat. Das Webmuster liefert eine Verzahnung von Kettfasern 15 innerhalb einer Schicht wie im Faserbereich 24 in der Schicht 6, sowie eine Verzahnung zwischen Schichten aus Kettfasern wie im Faserbereich 25 in den Schichten 5 und 6. Benachbarte Schichten werden verzahnt durch Führen eines Bereichs von Schussfasern 13 über eine Kettfaser 15 in einer ersten Schichten in einer ersten Säule und unter einer Kettfaser in einer benachbarten, zweiten Schicht in einer benachbarten, zweiten Säule, wobei die zweite Schicht unterhalb der ersten Schicht liegt. Die Beine 19, 21 sind in einer übergelegten horizontalen Position gewebt, wie gezeigt ist, während das Muster gewebt wird. Während der Installation wird jedes Bein 19, 21 in eine vertikale, hoch stehende Position bewegt, wobei die Breite jedes Beins 19, 21, wenn es aufrecht steht, die Schichten 1, 2, 3 und 4 aufweist.
Der Vorformling 11 ist gegenüber früheren gewebten Vorformlingen dadurch verbessert, dass er hochsymmetrische, verteilte Schnittstellen der Beine 19, 21 mit der Basis 17 vorsieht. Pfeile werden verwendet, um die Richtung anzuzeigen, in der sich ein bestimmter Bereich der Schussfasern 13 in der Beschreibung der Figur fortbewegt, obgleich der Webvorgang auch in der umgekehrten Reihenfolge oder in einer geänderten Folge von Durchgängen zwischen der linken und der rechten Kante der Basis 17 durchgeführt werden kann. Die Basis 17 hat drei mittlere Säulen 27 aus Kettfasern, aufweisend die Säulen _e, _f und _g, und zwei getrennten Säulen aus Kettfasern, die Säulen _d und _h, die die benachbarten Säulen auf jeder Seite der mittleren Säulen 27 sind. Die Verwendung einer ungeraden Anzahl von mittleren Säulen 27 ermöglicht einen Webvorgang zur Bildung eines angenäherten Spiegelbildes zu jeder Seite einer mittleren Symmetrieebene, die die Säule _f teilt, wodurch die Symmetrie der Lastverteilung innerhalb der Basis 17 verbessert wird. Während er so gezeigt ist, dass er drei mittleren Säulen 27 hat, kann das bevorzugte Ausführungsbeispiel des Vorformlings 11 jede ungerade Anzahl von mittleren Säulen 27 haben, wobei die Anzahl von mittleren Säulen die nominelle Breite des gebildeten Bügels bestimmt, wenn die Beine 19, 21 in einer hoch stehenden Position sind.
Um symmetrisch Lasten aus den Beinen 19, 21 in die Basis 17 einzuführen, wie Lasten von einem Teil (nicht gezeigt), das zwischen den hoch stehenden Beinen 19, 21 befestigt ist, sind die Bereiche von Schussfasern 13, die die Beine 19, 21 verbinden, in Gruppen 29, 31, 33, 35 aus der gleichen oder im Wesentlichen der gleichen Anzahl von Faserbereichen geteilt. Jede Gruppe 29, 31, 33, 35 schneidet die Basis 17 zwischen einer von Trennsäulen _d, _h und mittleren Säulen 27 oder zwischen einer von Trennsäulen _d, _h und der verbleibenden rechten oder linken seitlichen Säule benachbart der Trennsäule _d, _h. Beispielsweise erstreckt sich die Gruppe 29 zwischen Schichten 2 und 4 des Beins 19 und der Basis 17, wobei sie die Basis 17 zwischen den Säulen _c und _d schneidet. In gleicher Weise schneidet die Gruppe 31 die Basis 17 zwischen den Säulen _d und _e, die Gruppe 33 schneidet die Basis 17 zwischen den Säulen _g und _h, und die Gruppe 35 schneidet die Basis 17 zwischen den Säulen _h und _i.
Obgleich sie an der bevorzugen Stelle ungefähr in der Mitte des Vorformlings 11 gezeigt sind, können die mittleren Säulen 27 Säulen aus Kettfasern 15 aufweisen, die seitlich von der Mitte des Vorformlings 11 angeordnet sind. Beispielsweise können die Säulen _b, _c und d die mittleren Säulen aufweisen, und die Säulen _a und _e können als die Trennsäulen wirken. Dies versetzt die Beine 19, 21 zu einer äußeren Kante der Basis 17 hin, obgleich noch die Symmetrie in dem Webmuster der Basis 17 hinsichtlich der Säulen _b, _c und _d erhalten wird und die symmetrische Verteilung der Last von den Beinen 19, 21 in die Basis 17 erhalten wird.
Wie durch die Pfeile in der Figur gezeigt ist, erzeugt die Webfolge innerhalb jeder Gruppe 29, 31, 33, 35 zwei Faserbereiche, die aus der Basis 17 austreten, und zwei Faserbereiche, die in die Basis 17 eintreten. Die Faserbereiche innerhalb jeder Gruppe erstrecken sich von abwechselnden Schichten 1, 2, 3, 4 der Beine 19, 21 und sind in die Webstruktur der Basis 17 zwischen Schichten 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 verteilt, wodurch die symmetrische Lastverteilung weiter verbessert wird. Beispielsweise schneiden die Faserbereiche der Gruppe 31 die Basis 17 zwischen den Säulen _d und _e, die Faserbereiche, die sich zu und von den Schichten 1 und 3 des Beins 19 erstrecken. Um die Aufnahme von Bereichen innerhalb der Gruppen 29, 31, 33, 35 in die Basis 17 zu illustrieren, wird der Webpfad von Bereichen 37, 39 der Gruppe 31 und Bereichen 41, 43 der Gruppe 33 nachfolgend beschrieben.
Das Webmuster des Vorformlings 11 in der Schicht 12 der Basis 17 setzt sich aufwärts weiter fort, bis alle Schichten miteinander verwebt sind, und das Muster beginnt wieder an der Kante der Basis 17, wie vorstehend beschrieben ist. Die Schussfaser 13 verläuft nach rechts, wobei sie die Schichten 10 und 12 an den Säulen _a, _b und _c verzahnt, taucht dann als Bereich 37 unter der Kettfaser _c11 auf und geht zwischen Fasern _d9 und _d10 hindurch. Der Bereich 37 erstreckt sich aufwärts und aus der Basis 17 heraus zwischen den Säulen _d und _e, dann in die Schicht 3 des Beins 19 für einen Durchgang nach links, wobei er die Kettfasern 15 nur der Schicht 3 verzahnt. Die Schussfaser 13 geht um die am weitesten links angeordnete Kettfaser 15 der Schicht 3 herum (wie in 1 gezeigt ist), kehrt dann nach rechts zurück, wobei sie die Schichten 3 und 4 des Beins 19 verzahnt. Die Schussfaser 13 taucht aus dem Bein 19 als Bereich 39 auf, geht über die Kettfaser _c3 hinweg und wendet sich abwärts in die Basis 17 zwischen den Säulen _d und _e. Der Bereich 39 geht unter der Kettfaser _e11 hindurch, setzt die Verzahnung der Schichten 10 und 11 innerhalb der mittleren Säulen 37 (_e, _f und _g) fort, und taucht als Bereich 41 zwischen den Säulen g und h auf. Der Bereich 41 erstreckt sich aufwärts aus der Basis 17 heraus in das Bein 21, wobei er die Kettfasern 15 nur der Schicht 3 verzahnt. Wenn der Bereich 41 die rechte seitliche Kante des Beins 21 erreicht, kehrt er als Bereich 43 zurück, der die Schichten 3 und 4 des Beins 21 verzahnt, und tritt dann wieder zwischen den Säulen _g und _h in die Basis 17 ein. Der Bereich 43 kreuzt die Säule h zwischen den Kettfasern _h9 und _h10, beginnt dann die Verzahnung der rechten seitlichen Kettfasern in den Schichten 10 und 11 der Basis, erstreckt sich zu der rechten seitlichen Kante, bevor er umkehrt, um den nachfolgenden Durchgang nach links durchzuführen. Die abwechselnde Verteilung von Bereichen von Fasern aus den Schichten 1, 2, 3 und 4 in die Gruppen 29, 31, 33, 35, sowie die versetzten Stellen, an denen Faserbereiche die Trennsäule _d, _h kreuzen, ergeben eine verbesserte Lastverteilung über die Schichten der Basis 17.
3 ist eine vergrößerte Ansicht des Webmusters, das verwendet wird zur Bildung der Schräge 22 an der rechten seitlichen Kante der Basis 17. Schrägen wie die Schräge 22 und die Schräge 23 (1) werden an einer äußeren Kante eines Vorformlings gebildet durch Beenden aufeinander folgender Schichten aus Kettfasern bei Längen, die kürzer als vorhergehende Schichten sind. Beispielsweise zeigt 2 die Schicht 11, die bei der Säule _v endet, während die Schicht 10 bei der Säule _u endet, wobei die Schicht 10 um eine Kettfaser 15 kürzer als die Schicht 11 ist. In gleicher Weise ist die Schicht 9 kürzer als die Schicht 10, und dieses Muster wiederholt sich für jede benachbarte obere Schicht. Ein Vorformling mit einer schrägen Kante hat einen höheren Widerstand gegen Abschällasten als ein Vorformling, bei dem die Kettfaserschichten sämtlich bei derselben Länge enden. Zusätzlich ergibt die Verwendung einer kleineren Schleppgröße für die Kettschleppschrägen einen glatteren, allmählicheren Übergang von dem Vorformling zu dem Verbundwerkstofflaminat, mit dem er verbunden ist. Das Webmuster nach 3 dient für die acht Schichten aus Kettfasern 15 der Basis 17. Dieselbe Verzahnungsfolge wie in 2 gezeigt und vorstehend beschrieben wird nach außen fortgesetzt zu Säulen _m bis _x.
Während des Hauptbereichs der Webfolge verzahnt jeder Durchgang der Schussfaser 13 nach rechts benachbarte Schichten aus Kettfasern 15 und endet an der Schräge 22, bildet eine Schleife für die Rückkehr durch die Basis 17 in einem Durchgang nach links in der benachbarten oberen Schicht. Wenn die Schussfaser 13 den Durchgang nach rechts beendet, richtet ein verbessertes Webmuster die Endbereiche in einer zwischen Schichten abwechselnden Endfolge. Beispielsweise ist der Faserbereich 45 der Endbereich des die Schichten 11 und 12 verzahnenden Durchgangs nach rechts, und der Bereich 45 umschlingt über der Kettfaser _u11 und unter der Kettfaser _v11. Der Faserbereich 45 bildet dann eine Aufwärtsschleife zur Schicht 10, geht unter _u10 und über _t10 hindurch, und beginnt den Durchgang nach links, der die Kettfasern 15 nur der Schicht 10 verzahnt. Diese Endfolge tritt auch bei den Schichten 7 und 9 auf.
Bei den Schichten 6, 8 und 10 findet die Endfolge mit dem Durchgang nach rechts statt, der kurz vor den Enden der Schichten anhält. Wenn beispielsweise die Schussfaser 13 nach rechts geht, während sie die Schichten 10 und 11 verzahnt, die an den Säulen _u bzw. _v enden, geht der Faserbereich 47 unter der Faser _t11 hindurch und erstreckt sich aufwärts zwischen die Säulen _t und _u. Der Bereich 47 geht über die Faser _t9 hinweg, beginnt dann einen Durchgang nach links, wobei er die Fasern nur der Schicht 9 verzahnt. Diese Folgen lassen die Fasern _q6, _s8 und _u10 auf der Außenseite der benachbarten Bereiche der Schussfasern 13.
Da die Webfolge für den Vorformling 11 mit der über die Kettfaser _x12 hinweggehenden Schussfaser 13 be ginnt, ist es auch erforderlich, dass die Folge durch Hinweggehen der Füllfaser 13 unter _x12 endet, um die Schussfaser 13 für den Wiederbeginn der Folge zu positionieren. Um die ordnungsgemäße Position zu erhalten und die Faser _q6, _s8 und _u10 einzufangen, wird eine spezifische Endfolge bevorzugt. Wenn die Webfolge beendet wird, macht die Schussfaser 13 einen letzten Durchgang nach rechts in den Schichten 5 und 6, wobei die Schussfaser 13 die Kettfasern 15 in den Schichten 5 und 6 über die obere Oberfläche 49 der Basis 17 verzahnt. Der Faserbereich 51 geht über die Faser _o5 hinweg, dann unter _p6 und über _q6. Dieser Typ von Folge setzt sich abwärts entlang der Schräge 22 fort, wobei der Bereich 51 über die Fasern _s8 und _u10 hindurchgeht und diese Kettfasern 15 in der Webfolge einfängt. Der Bereich 51 geht dann unter die Kettfaser _v12, über _w12, dann unter _x12 zu der Startposition der Webfolge.
Fertig gestellt ist der gewebte, pi-förmige Vorformling 11 in 4 gezeigt mit den Beinen 19, 21 in der vertikalen Position, wobei er einen U-förmigen Lastbügel 53 zwischen den Beinen 19, 21 bildet. Der Vorformling 11 ist gewebt durch Wiederholen der vollständigen Webfolge zur Bildung benachbarter vertikaler Abschnitte entlang der Länge des Vorformlings 11. Der Webvorgang erzeugt kontinuierliche Längen des Vorformlings 11, die dann für die Installation auf die gewünschten Längen geschnitten werden.
Ein zusätzliches Merkmal des Vorformlings 11 ist das Ersetzen von Kettfasern 15 an ausgewählten Stellen im Vorformling 11 durch Kennfasern 59, wie in 5 gezeigt ist. Nützliche Stellen enthalten die innere Grenze von Schrägen 22 an der Basis 17 und Schrägen 23 an den Beinen 19, 21 sowie an Stellen 55 und 57 von Schrägen 22 bzw. 23.
Gemäß 5 wird die Kennfaser 59 durch Vereinigen von zumindest zwei Litzen mit ausgewählten Eigenschaften gebildet. Das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Kennfaser 59 ist in der Figur gezeigt, wobei eine Litze 61 aus rostfreiem Stahl mit einer Litze 63 aus Aramid oder Kohlenstoff, die vorzugsweise aus Kevlar (eingetragene Marke) oder einem ähnlichen Material gebildet ist, verbunden ist. Die Litze 61 aus rostfreiem Stahl ist für Röntgenstrahlen undurchlässig, was eine Abbildung von Stellen 55, 57 zur Bestimmung der Punkte, an denen die Schrägen 22, 23 beginnen, ermöglicht. Dies ist besonders nützlich, wenn der Umfang der oberen Oberfläche 49 bestimmt wird, um Reparaturen bei der Installation des Vorformlings 11 nach dem Aushärten zu bewirken. Die Kevlar-Litze 63 hat eine Farbe, die vorzugsweise einen Kontrast mit der Farbe der umgebenden Schussfasern 13 und Kettfasern 15, die zur Bildung des Vorformlings 11 verwendet werden, bildet, wodurch einem Benutzer ermöglicht wird, die Kennfaser 59 visuell zu identifizieren. Dieses Merkmal kann verwendet werden, um ausgewählte Stellen an dem Vorformling 11 visuell zu identifizieren oder Bereiche des Vorformlings 11 zu identifizieren. Beispielsweise können Kennfasern 59 mit Kevlar-Litzen 63 unterschiedlicher Farbe an verschiedenen Stellen des Vorformlings 11 wie den Beinen 19, 21 oder der Basis 17 angeordnet sein, um visuell die Bereiche zu unterscheiden oder die rechte oder linke Seite zu identifizieren. Wahlweise können Kennfasern 59 nur an der Stelle 55 an der Basis 17 angeordnet sein, wobei eine gefärbte oder in anderer Weise visuell unterscheidbare Kettfaser 15 an der Stelle 57 in den Beinen 19, 21 verwendet wird. Dies erleichtert die Verifizierung der korrekten Orientierung eines installierten Vorformlings 11 während einer Röntgenuntersuchung nach der Installation, wobei Litzen 61 aus rostfreiem Stahl nur in der Basis 17 vorhanden sind.
Typischerweise werden Vorformlinge unter Verwendung eines Fasertyps gewebt, beispielsweise Kohlenstoff (Grafit)-Fasern, sowohl für die Kett- als auch die Schussfasern. Jedoch können Vorformlinge auch hybride Webmuster sein, die Fasern verwenden, die aus mehreren Materialien hergestellt sind, wie Kohlenstoff- und Glasfasern. Diese Muster können zu Vorformlingen mit höherer Zähigkeit, verringerten Kosten und optimierten thermischen Ausdehnungseigenschaften führen. Die Webmuster weisen alle Kettfasern aus einem Typ und alle Schussfasern aus einem anderen Typ auf, oder die Webstruktur kann Kett- und/oder Schussfasern von abwechselnden Typen haben, die in einem "Schachbrett"-Muster über die Schichten angeordnet sind.
Die Vorteile der vorliegenden Erfindung enthalten die Fähigkeit zum Weben eines leicht zu verwendenden Vorformlings hoher Festigkeit, um Komponenten in Strukturen zusammenzusetzen. Die verbesserte Webstruktur verzahnt die Kettfasern jeder Schicht und verzahnt die Schichten miteinander, während Lasten durch den Vorformling in einer hochsymmetrischen Weise verteilt werden. Indem eine ungerade Anzahl von Säulen aus Kettfasern in der Basis zwischen den Beinen des Vorformlings vorgesehen wird, kann ein Webmuster an einer mittleren Symmetrieebene gespiegelt werden. Kennfasern, die als Kettfasern an ausgewählten Stellen verwendet werden, ermöglichen einem Benutzer, Stellen auf dem Vorformling oder Bereiche des Vorformlings zu identifizieren.
Während die Erfindung nur in einigen ihrer Formen gezeigt wurde, ist sie nicht derart beschränkt, sondern empfänglich für verschiedene Änderungen und Modifikationen, ohne den Geist hiervon zu verlassen.

Claims

Dreidimensionale Vorformling(11)-Webstruktur, welche aufweist: mehrere benachbarten Schichten, wobei jede Schicht eine Vielzahl von Kettfasern (15) hat, die Kettfasern (15) im Allgemeinen parallel zueinander sind und im Allgemeinen vertikale Säulen bilden; eine Vielzahl von Schussfasern (13), die zwischen die Schichten von Kettfasern (11) gewebt sind, um eine Basis (17) und zwei sich von der Basis (17) weg erstreckende Beine (19, 21) zu bilden, welche dreidimensionale Vorformling(11)-Webstruktur dadurch gekennzeichnet ist, dass: die Basis (17) und jedes Bein (19, 21) sind aus mindestens zwei Schichten von Kettfasern (15) gebildet, wobei die Basis (17) eine erste Kante und eine zweite Kante hat und jedes Bein ein inneres Ende und ein äußeres Ende hat; worin jede Schussfaser (15) einen Anfang an der ersten Kante der Basis (17) hat, sich dann zu der zweiten Kante der Basis (17) erstreckt, sich dann zurück zu einem mittleren Abschnitt der Basis (17) erstreckt, dann aus den Schichten der Basis austritt und sich in die Schichten von einem der Beine (19, 21) erstreckt, bevor sie sich in die Schichten des anderen der Beine (19, 21) erstreckt, dann aus den Schichten der Beine (19, 21) heraustritt und sich zurück in die Schichten der Basis (17) erstreckt, um zu der ersten Kante der Basis (17) zurückzukehren, wobei die Schuss fasern (13) in jedes Bein (19, 21) an den inneren Enden jedes Beins (19, 21) eintreten und sich zu dem äußeren Ende jedes Beins (19, 21) erstrecken, bevor sie zu dem inneren Ende jedes Beins (19, 21) zurückkehren, die Schussfasern (13) die Schichten der Basis (17) verzahnen und die Schichten jedes Beins (19, 21) verzahnen und die Schussfasern auch die Kettfasern (15) innerhalb jeder Schicht verzahnen; und die Säulen von Kettfasern (15) mittlere Säulen (22) von Kettfasern (15) enthalten, die sich zwischen den eines der Beine (19, 21) mit der Basis (17) verbindenden Schussfasern (13) und den das andere der Beine (19, 21) mit der Basis (17) verbindenden Schussfasern (13) befinden, welche mittleren Säulen (27) eine ungerade Anzahl von Säulen aufweisen und ein im Wesentlichen spiegelbildliches Webmuster zu einer mittleren Symmetrieebene der Webstruktur ermöglichen.
Webstruktur nach Anspruch 1, bei der: die Säulen von Kettfasern (15) enthalten Trennsäulen von Kettfasern (15) benachbart gegenüberliegenden Seiten der mittleren Säulen (27), wobei jede Trennsäule Bereiche der Schussfasern (13) in zwei Gruppen teilt, eine Gruppe sich zwischen der Basis (17) und dem Bein (19, 21) von zwischen dem mittleren Satz von Säulen (27) und der benachbarten Trennsäule erstreckt, die andere Gruppe sich von zwischen der Trennsäule und den Säulen seitlich auswärts der Trennsäule erstreckt.
Webstruktur nach Anspruch 1, bei der: die Basis (17) zumindest vier der Schichten hat.
Webstruktur nach Anspruch 1, bei der: die Basis (17) mehr der Schichten als jedes der Beine (19, 21) hat.
Webstruktur nach Anspruch 1, bei der: die Schichten verzahnt sind durch Führen eines Teils eines Schussschleppmusters über eine Kettfaser (15) in einer ersten Schicht in einer ersten Säule und unterhalb einer Kettfaser (15) in einer benachbarten zweiten Schicht in einer benachbarten zweiten Säule, wobei die zweite Schicht sich unterhalb der ersten Schicht befindet.
Webstruktur nach Anspruch 1, bei der: jede Schussfaser (13) sich zusätzlich von der ersten Kante der Basis (17) zu der zweiten Kante der Basis (17) und zurück zu der ersten Kante der Basis (17) erstreckt, ohne in jedes Bein (19, 21) einzutreten.
Webstruktur nach Anspruch 1, bei der: zumindest ein Bereich der Kettfäden (15) Mehrlitzen-Kennfasern (59) aufweist zum Identifizieren ausgewählter Stellen in der Webstruktur, welche Kennfasern aus zumindest einer Litze (61), die für Röntgenstrahlen undurchlässig ist, und zumindest einer Litze (63), die eine zu der Farbe der umgebenden Kett-(15) und Schussfasern (13) kontrastierende Farbe hat, gebildet sind.
Webstruktur nach Anspruch 7, bei der: die Kennfaser (59) aus Litzen aus rostfreiem Stahl (61) und Aramid (63) gebildet ist.
Webstruktur nach Anspruch 7, bei der: die Kanten der Basis (17) konisch sind; und die Kennfasern (59) sich in der Basis (17) ent lang der inneren Kante von jeder der Konizitäten befinden.
Webstruktur nach Anspruch 1, bei der: zumindest ein Bereich der Kettfasern (15) in der Basis eine kleinere Querschnittsfläche als die Kettfasern (15) in den Beinen (19, 21) hat.
Gewebter Vorformling, welcher aufweist: eine Basis (17) mit einem mittleren Bereich und zwei seitlichen Kanten; zumindest zwei Beine (19, 21), die sich von einer Oberfläche der Basis (17) weg erstrecken; wobei der Vorformling mit einem dreidimensionalen Webmuster gewebt ist, die Basis (17) und jedes Bein (19, 21) aus Kettfasern (15) gebildet sind und zumindest eine Schussfaser (13) zwischen die Kettfasern (15) gewebt ist zum Verzahnen der Kettfasern (15) der Basis (17) miteinander und zum Verzahnen der Kettfasern (15) der Beine (19, 21) miteinander, welcher gewebte Vorformling dadurch gekennzeichnet ist, dass: zumindest zwei Schichten aus Kettfasern (15) bilden die Basis (17) und jedes Bein (19, 21), wobei die Kettfasern (15) im Allgemeinen in Säulen angeordnet sind; die Beine (19, 21) mit der Basis (17) an Kreuzungen durch Bereiche der Schussfaser (13), die sich zwischen jedem Bein (19, 21) und der Basis (17) erstrecken, verbunden sind, wobei zwei Gruppen von Bereichen von Schussfasern (13) jedes Bein (19, 21) mit der Basis (17) verbinden; eine ungerade Anzahl von mittleren Säulen (27), aus Schussfasern (15) in der Basis (17) zwischen den Kreuzungen der Beine (19, 21) und der Basis (17) angeordnet sind, wobei die ungerade Anzahl von Säulen (27) ein im Wesentlichen spiegelbildliches Webmuster zu einer mittleren Symmetrieebene des Vorformlings (11) ermöglicht; und Trennsäulen sich benachbart den mittleren Säulen (27) befinden, wobei eine der Gruppen von Bereichen für jedes Bein (19, 21) die Basis (17) benachbart einer Seite der entsprechenden Trennsäule kreuzt und die andere der Gruppen für jedes Bein (19, 21) die Basis (17) auf der entgegengesetzten Seite der entsprechenden Trennsäule kreuzt.
Vorformling (11) nach Anspruch 11, bei dem: die Schichten von Kettfasern (15) zumindest vier Schichten in der Basis (17) und in den Beinen (19, 21) aufweisen.
Vorformling (11) nach Anspruch 11, bei dem: die Basis (17) mehr Schichten aus Kettfasern (15) hat als jedes der Beine (19, 21).
Vorformling nach Anspruch 11, bei dem: zumindest ein Bereich der Kettfasern (15) Mehrlitzen-Kennfasern (59) zum Identifizieren ausgewählter Stellen in dem Vorformling (11) aufweist, welche Kennfasern (59) aus zumindest einer Litze (61), die durch Röntgenstrahlenabbildung erfassbar ist, und zumindest einer Litze (63), die eine zu der Farbe von umgebenden Fasern kontrastierende Farbe hat, gebildet sind.
Vorformling nach Anspruch 14, bei dem: die Kennfaser (59) aus rostfreiem Stahl (61) und Aramid(63)-Litzen gebildet ist.
Vorformling nach Anspruch 11, bei dem zumindest ein Bereich der Kettfasern (15) in der Basis (17) eine kleinere Querschnittsfläche als die Kettfasern (15) in den Beinen (19, 21) hat.
Verfahren zur Bildung eines gewebten Vorformlings (11), welches Verfahren die Schritte aufweist: (a) Vorsehen zumindest eines Paares von benachbarten Basisschichten aus Kettfasern (15) zur Bildung einer Basis (17), welche Kettfasern (15) im Allgemeinen parallel zueinander und im Allgemeinen in Säulen angeordnet sind; (b) Vorsehen von zumindest zwei Schichten aus benachbarten Beinschichten aus Kettfasern (15) zum Bilden eines Paares von Beinen (19, 21), wobei die Kettfasern (15) im Allgemeinen parallel zueinander und im Allgemeinen in Säulen angeordnet sind; (c) Weben zumindest einer Schussfaser (13) zwischen die Basisschichten und die Beinschichten zum Verzahnen der Kettfasern (15) jeder Basisschicht miteinander und zum Verzahnen der Kettfasern (15) der Beinschichten miteinander, welches Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass im Schritt (c) die Beine (19, 21) mit der Basis (17) an Kreuzungen durch Bereiche der Schussfaser (13), die sich zwischen jedem Bein (19, 21) und der Basis (17) erstrecken, verbunden werden, zwei Gruppen von Bereichen der Schussfaser (13) jedes Bein (19, 21) mit der Basis (17) verbinden; und das Verfahren weiterhin die Schritte aufweist: (d) Anordnen einer ungeraden Anzahl von mittleren Säulen (27) aus Kettfasern (15) in der Basis (17) zwischen den Kreuzungen der Beine (19, 21) und der Basis (17), wobei die ungerade Anzahl von Säulen (27) ein im Wesentlichen spiegelbildliches Webmuster zu einer mittleren Symmetrieebene des Vorformlings (11) ermöglicht; und (e) Anordnen von Trennsäulen benachbart den mittleren Säulen (27), wobei eine der Gruppen von Bereichen der Schussfaser (13) für jedes Bein (19, 21) die Basis (17) benachbart einer Seite der entsprechenden Trennsäule kreuzt und die andere der Gruppen von Bereichen der Schussfaser (13) für jedes Bein (19, 21) die Basis (17) auf der entgegengesetzten Seite der entsprechenden Trennsäule kreuzt.
Verfahren nach Anspruch 17, bei dem: Schritt (a) das Vorsehen von zumindest einer Mehrlitzen-Kennfaser (59) innerhalb des Vorformlings zum Identifizieren einer ausgewählten Stelle auf dem Vorformling aufweist.
Verfahren nach Anspruch 17, bei dem: Schritt (a) das Vorsehen von zumindest einer Mehrlitzen-Kennfaser (59) innerhalb des Vorformlings, die röntgenstrahlenundurchlässig ist, zum Identifizieren einer ausgewählten Stelle auf dem Vorformling aufweist.