DE102006031335A1

DE102006031335A1 - Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils für die Luft- und Raumfahrt

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Publication number: DE102006031335A1
Application number: DE102006031335A
Authority: DE
Inventors: Torben Jacob; Joachim Piepenbrock
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2006-07-06
Filing date: 2006-07-06
Publication date: 2008-01-10
Anticipated expiration: 2026-07-07
Also published as: RU2009102870A; US8500085B2; US20090166921A1; JP5583969B2; RU2437762C2; JP2009542460A; BRPI0713560A2; WO2008003767A1; CN101466514A; CN101466514B; CA2651498A1; EP2038099A1; DE102006031335B4

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils (1), insbesondere für die Luft- und Raumfahrt, mit folgenden Verfahrensschritten: Ausbilden eines Formkerns (4) mit einem Hohlprofil (15) aus Segmenten (16a...d) zum Festlegen einer äußeren Geometrie des Formkerns (4), wobei die Segmente (16a...d) des Formkerns (4) sich jeweils entlang einer Längsachse des Formkerns (4) erstreckend und jeweils um wenigstens eine Längsachse des Formkerns (4) zwischen einer zusammengefalteten Stellung (A) und einer auseinandergefalteten Stellung (B) des Hohlprofils (15) des Formkerns (4) verschwenkbar ausgebildet werden; wenigstens abschnittsweise Ablegen von wenigstens einem Faserhalbzeug (3) auf dem ausgebildeten Formkern (4) zur Formgebung von wenigstens einem Formabschnitt (14) des herzustellenden Faserverbundbauteils (1); und Beaufschlagen des wenigstens einen Formabschnitts (14) mit Wärme und/oder Druck zum Herstellen des Faserverbundbauteils (1); sowie ein entsprechender Formkern (4) und ein entsprechendes Faserverbundbauteil (1).

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils, insbesondere für die Luft- und Raumfahrt, auf einen Formkern zur Herstellung eines derartigen Faserverbundbauteils und auf ein Faserverbundbauteil mit wenigstens einem Stringer, welches mittels eines solchen Formkerns und/oder eines solchen Verfahrens hergestellt ist.
Obwohl auf beliebige Faserverbundbauteile anwendbar, werden die vorliegende Erfindung sowie die ihr zugrunde liegende Problematik nachfolgend mit Bezug auf flächige, stringerversteifte Kohlefaserkunststoff (CFK)-Bauteile, beispielsweise Hautschalen eines Flugszeugs, näher erläutert.
Es ist allgemein bekannt, CFK-Hautschalen mit CFK-Stringern zu versteifen, um den hohen Belastungen im Flugzeugbereich bei möglichst geringem zusätzlichen Gewicht standzuhalten. Dabei werden im Wesentlichen zwei Arten von Stringern unterschieden: T- und Ω-Stringer.
Der Querschnitt von T-Stringern setzt sich aus der Basis und dem Steg zusammen. Die Basis bildet die Verbindungs fläche zur Hautschale. Die Verwendung von T-Stringer versteiften Hautschalen ist im Flugzeugbau weit verbreitet.
Ω-Stringer weisen in etwa ein Hutprofil auf, wobei dessen Enden mit der Hautschale verbunden sind. Ω-Stringer können entweder im ausgehärteten Zustand auf die ebenfalls ausgehärtete Schale geklebt, oder gleichzeitig mit der Schale Nass-in-Nass ausgehärtet werden. Letzteres wird angestrebt, weil dies prozesstechnisch günstiger ist. Zur Nass-in-Nass-Herstellung von mit Q-Stringer versteiften Hautschalen sind jedoch Stütz- bzw. Formkerne notwendig, um die formlabilen Faserhalbzeuge während des Herstellungsprozesses in der gewünschten Ω-Form zu fixieren und abzustützen. Hautschalen mit Ω-Stringern weisen gegenüber T-Stringern den Vorteil einer besseren Infiltrierbarkeit während eines Infusionsverfahrens zum Einbringen einer Matrix, beispielsweise eines Epoxidharzes, in die Faserhalbzeuge auf. Infusionsverfahren können gegenüber anderen bekannten Verfahren zur Herstellung von Faserverbundbauteilen, wie beispielsweise dem Prepreg-Verfahren, kostengünstig, weil dies die Verwendung von kostengünstigeren Faserhalbzeugen erlaubt.
Es besteht jedoch bei der Herstellung von Ω-Stringern das Problem, dass das gegenwärtig für den Stütz- bzw. Formkern verwendete Material kostenintensiv ist und nach dem Ausbilden der Ω-Stringer nur schwierig entfernt werden kann, so dass das in den Stringern verbleibende Material zu dem Gesamtgewicht des Flugzeugs nachteilig beiträgt.
Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein kostengünstigeres und leichteres Faserverbundbauteil, insbesondere für die Luft- und Raumfahrt, bereitzustellen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, einen Formkern mit den Merkmalen des Patentanspruchs 17 und/oder durch ein Faserverbundbauteil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 28 gelöst.
Demgemäß wird ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils, insbesondere für die Luft- und Raumfahrt, mit folgenden Verfahrensschritten: Ausbilden eines Formkerns mit einem Hohlprofil aus Segmenten zum Festlegen einer äußeren Geometrie des Formkerns, wobei die Segmente des Formkerns sich jeweils entlang der Längsrichtung des Formkerns erstreckend und jeweils um die Längsrichtung des Formkerns zwischen einer zusammengefalteten Stellung und einer auseinandergefalteten Stellung des Hohlprofils des Formkerns verschwenkbar ausgebildet werden; wenigstens abschnittsweise Ablegen von wenigstens einem Faserhalbzeug auf dem ausgebildeten Formkern zur Formgebung von wenigstens einem Formabschnitt des herzustellenden Faserverbundbauteils; und Beaufschlagen des wenigstens einen Formabschnitts mit Wärme und/oder Druck zum Herstellen des Faserverbundbauteils.
Ferner wird ein Formkern zur Herstellung eines Faserverbundbauteils, insbesondere eines Stringers an einem Basisbauteil in der Luft- und Raumfahrt, mit einem Hohlprofil aus Segmenten zum Festlegen einer äußeren Geometrie des Formkerns, wobei die Segmente des Formkerns sich jeweils entlang der Längsrichtung des Formkerns erstrecken und jeweils um die Längsrichtung des Formkerns zwischen einer zusammengefalteten Stellung und einer auseinandergefalteten Stellung des Hohlprofils des Formkerns verschwenkbar ausgebildet sind, bereitgestellt.
Weiterhin wird ein Faserverbundbauteil mit wenigstens einem Stringer, insbesondere für die Luft- und Raumfahrt, welches mittels des erfindungsgemäßen Formkerns und/oder des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt ist, bereitgestellt.
Somit weist die vorliegende Erfindung gegenüber den eingangs genannten Ansätzen den Vorteil auf, dass das Faserverbundbauteil mittels eines kostengünstigen Formkerns herstellbar ist. Anstelle von kostenintensiven herkömmlichen Materialien wird vorteilhaft ein Formkern aus einem Hohlprofil mit untereinander verschwenkbaren Segmenten verwendet, der durch Verschwenken der Segmente mit einhergehender Querschnittsreduktion vorteilhaft einfach entformbar ist. Ein weiterer Vorteil besteht in der Wiederverwendbarkeit eines solchen Formkerns.
In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der vorliegenden Erfindung.
In einer bevorzugten Ausführung ist vorgesehen, dass die Segmente des Formkerns zum miteinander Verschwenktwerden zwischen der zusammengefalteten Stellung und der auseinandergefalteten Stellung des Hohlprofils und zum Bilden eines geschlossenen Hohlprofils miteinander über Verbindungen gekoppelt werden. Diese Verbindungen ermöglichen ein Verschwenken der Segmente um die Längsachse des Formkerns, wobei die Verbindungen zusammen mit den Segmenten einstückig ausgebildet sind. Dabei bilden die Segmente und die Verbindungen ein geschlossenes Hohlprofil. Dieses kann aus Kunststoff in einem Extrusionsvorgang in einfacher Weise kostengünstig hergestellt werden.
In einer alternativen Ausführung werden die Segmente des Formkerns zusammen mit ihren verschwenkbaren Verbindungen als offenes Profil, beispielsweise aus einem Kunststoff, ausgebildet, welches zum Bilden eines geschlossenen Hohlprofils verschweißt wird. Daraus ergibt sich ein besonde rer Vorteil darin, dass offene Profile generell einfacher und mit engeren Toleranzen hergestellt werden können, weil die Innenflächen besser durch Stütz- und Formwerkzeuge erreicht werden können.
Die Herstellung des offenen Profils ergibt weiterhin einen Vorteil, indem die Verbindungen in einer vorgespannten Weise so ausgeführt werden, dass das daraus gebildete Hohlprofil mit einer Vorzugsstellung, entweder die zusammengefaltete oder die auseinandergefaltete Stellung, versehen wird.
In einer weiteren alternativen Ausgestaltung werden die Verbindungen aus einem anderen Material als die Segmente ausgebildet, welches den Anforderungen an eine flexible Verbindung und gewünschte Vorspannungen besser gerecht wird. Dieses andere Material kann beispielsweise durch Koextrusion eingebracht werden.
In weiterer bevorzugter Ausführung ist vorgesehen, dass zumindest ein Segment wenigstens zwei Untersegmente aufweist, welche durch eine zweite Verbindung in ihrer Längsrichtung verschwenkbar verbunden sind. Dadurch lässt sich das Hohlprofil besonders vorteilhaft so zusammenfalten, dass nur noch die Eckbereiche beim Entformen mit dem Inneren des Formabschnitts eine Art Linienberührung in Form von Gleitschienen aufweisen, wobei ein vorteilhaft geringer Reibungswiderstand beim Herausziehen erzielt wird.
Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn ein Untersegment in seiner Breite über die zweite Verbindung hinaus als Nase zum Bilden eines Anschlags verlängert wird. Dadurch kann die auseinandergefaltete Stellung vorteilhaft präzise ohne Überfahren ihrer Endlage eingenommen werden.
Das Annehmen der jeweiligen Stellung kann durch Beaufschlagung des erfindungsgemäßen Formkerns mit einem Innendruck erfolgen. Der Innendruck wird vorzugsweise anhand eines Sollwertes so geregelt, dass reproduzierbare Stellungen von dem Hohlprofil einnehmbar sind.
Der erfindungsgemäße Formkern wird in einer weiteren Ausführung im eingefalteten Zustand mit einer Kernhülle, beispielsweise einem Schlauch, überzogen. Dieser Schlauch besitzt einen derartigen Umfang, dass er im Zustand „Formkern eingefaltet" leicht übergeschoben werden kann, und anschließend im Zustand „Formkern aufgefaltet" sich glatt um diesen spannt. Alternativ kann ein unter Wärmeeinwirkung schrumpffähiger Schlauch verwendet werden. Der Schlauch bildet eine trennende und/oder dichtende Schicht zwischen dem Faseverbundbauteil und dem Formkern. Dadurch wird während der Härtung ein ungewollter Stoffaustausch erreicht, und das Entformen des Formkerns wird erleichtert.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind im Bereich scharfkantig auszubildender Übergänge der äußeren Geometrie des auszubildenden Formkerns innerhalb und/oder außerhalb der Kernhülle Verstärkungsmittel angeordnet. Diese Eckprofilteile können auch Bestandteil der Segmentenden oder Verbindungen sein.
Vorzugsweise wird eine Trennschicht auf die Kernhülle aufgebracht, welche ein Anhaften des ausgehärteten Faseverbundbauteils vermindert. Dadurch wird ein Entfernen der Kernhülle nach dem wenigstens teilweisen Aushärten des mittels des Formkerns geschaffenen Abschnitts des Faserverbundbauteils erleichtert.
Unter Faserhalbzeugen sind Gewebe, Gelege und Fasermatten zu verstehen. Dieser wird mit einer Matrix, beispielswei se einem Epoxidharz, versehen und anschließend beispielsweise mit Hilfe eines Autoklaven ausgehärtet.
Gemäß einer weiter bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird der Formkern auf einem Basisteil aus Faserverbundhalbzeugen angeordnet und/oder mit Faserhalbzeugen zum Ausbilden wenigstens eines Abschnitts des Faserverbundbauteils wenigstens teilweise umgeben. Somit können vorteilhaft Basisteile, beispielsweise Hautschalen, Druckkalotten etc, mit Ω-Stringern ausgebildet werden. Alternativ oder zusätzlich können auch separate Faserverbundbauteile hergestellt werden, die gänzlich in ihrer Form durch den Formkern definiert werden, hergestellt werden.
Die Kernhülle wird, beispielsweise bei der Herstellung eines Ω-Stringers, aus diesem in Längsrichtung des Stringers herausgezogen. Folglich trägt dann diese wie der Kern nicht mehr zu dem Gesamtgewicht des Flugzeugs bei und kann somit die Nutzlast des Flugzeugs erhöhen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand des in den schematischen Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen dabei:
1 eine schematische perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines Faserverbundbauteils beim Herstellen gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren;
2 eine schematische Schnittdarstellung eines allgemeinen Formkerns des Faserverbundbauteils nach 1;
3A eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Formkerns des Faserverbundbauteils nach 1 in einer zusammengefalteten Stellung;
3B eine schematische Schnittdarstellung des erfindungsgemäßen Formkerns nach 3A in einer auseinandergefalteten Stellung;
4A eine Schnittdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Formkerns nach 3A in der zusammengefalteten Stellung;
4B eine Schnittdarstellung des ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Formkerns nach 4A in der auseinandergefalteten Stellung;
5 eine perspektivische Darstellung des ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Formkerns nach 4A;
6A eine Schnittdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Formkerns in einer ersten Stellung;
6B eine Schnittdarstellung des zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Formkerns in einer zweiten Stellung; und
7 eine schematische perspektivische Ansicht des Faserverbundbauteils nach 1 beim Entfernen eines erfindungsgemäßen Formkerns gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren.
In allen Figuren der Zeichnung sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente – sofern nichts anders angegeben ist – mit jeweils den gleichen Bezugszeichen versehen worden.
1 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines Faserverbundbauteils 1 beim Herstellen gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren.
Zwei Formkerne 4 mit einem in etwa trapezförmigen Querschnitt, deren Herstellung weiter unten erläutert wird, werden mit ihrer Basis 5 anliegend auf einem Basisteil 2 angeordnet. Das Basisteil 2 weist wenigstens eine Schicht eines Faserhalbzeuges auf.
In einem weiteren Schritt werden weitere Faserhalbzeuge auf den Formkernen 4 abgelegt. Die Faserhalbzeuge 3 liegen dabei mit einem mittleren Abschnitt an der äußeren Oberfläche der Formkerne 4 und mit ihren Enden auf dem Basisteil 2, also beispielsweise einer Flugzeughaut, an.
Es können verschiedene Fertigungsverfahren zum Herstellen des Faserverbundbauteils angewendet werden. Vorzugsweise wird das Infusionsverfahren gewählt, um eine Matrix, also beispielsweise Epoxidharz, in die Faserhalbzeuge 3 einzubringen. Das Prepreg-Verfahren ist hier genauso anwendbar.
In einem weiteren Schritt wird vorteilhaft das Basisteil 2 mit den Formkernen 4 und den Faserhalbzeugen 3 je nach Verfahren in einem Ofen oder Autoklav unter Einwirkung von Wärme und Druck ausgehärtet.
Die Faserhalbzeuge 3 härten beispielsweise in einem geeigneten Ofen oder Autoklav (nicht dargestellt) zu Stringern 20 aus. Das wenigstens teilweise ausgehärtete Faserverbundbauteil 1 weist nach dem Aushärten folglich die zwei Ω-Stringer 20 auf.
2 zeigt eine schematische, allgemeine Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Formkerns 4 des Faserverbundbauteils 1 nach 1 in einem Querschnitt.
Der Formkern 4, auf dessen Aufbau weiter unten ausführlich eingegangen wird, weist einen Querschnitt 6 auf, welcher in einem Formwerkzeug 8 verkörpert ist und in diesem in herkömmlicher Weise in die gewünschte Form, hier eine etwa trapezförmige Gestalt, gebracht wird, beispielsweise unter Wärme und Druck. In diesem Beispiel ist der Formkern 4 mit einer Kernhülle 9 umgeben, welche den Formkern 4 vollständig umschließt. Sie verhindert den direkten Kontakt von Formkern 4 zum Faserverbundbauteil 1. So wird ein möglicher ungewünschter Stoffaustausch zwischen 1 und 4 verhindert und die spätere Entformung von Formkern 4 wird erleichtert, da er nicht an Faserverbundbauteil 1 anhaften kann. Hierbei ist es wichtig, dass die Kernhülle 9 der Prozesstemperatur und dem Prozessdruck zuverlässig standhält. Mit ihrer Innenseite 11 liegt sie direkt auf den Oberflächen des Formkerns 4 an, wobei in diesem Beispiel ihre Außenseite 10 mit einer Trennschicht (nicht gezeigt) beschichtet ist, die auch aus einer zusätzlichen Hülle bestehen kann. Die Trennschicht dient zur späteren Trennung der Kernhülle 9 vom Faserverbundbauteil 1, wenn nach der Entformung von Formkern 4 auch noch die Kernhülle 9 entfernt werden soll.
Der erfindungsgemäße Formkern 4 besteht aus einzelnen, sich in Längsrichtung des Formabschnitts 14 (1) erstreckenden Segmenten 16a...d. Ein Querschnitt eines derartigen Formkerns 4 ist in den 3A und 3B schematisch dargestellt.
Hierbei ist mit der gestrichelten Umrandung der Quer schnitt 6 des aufgefalteten Formkerns 4 bzw. eines Hohlprofils 15 angedeutet. Die Seitenflächen dieses Hohlprofils 15 werden von den Segmenten 16a...d gebildet. In der in 3A gezeigten zusammengefalteten Stellung A des Formkerns 4 sind die Segmente 16a...d in ihren Eckpunkten bzw. Eckgelenken über erste Verbindungen 18a...d gelenkig verbunden. Weiterhin sind die Segmente 16a, 16b und 16d jeweils in zwei Untersegmente 17a/17b, 17c/17d und 17e/17f aufgeteilt, die ihrerseits in hier mittigen Punkten (Mittengelenke) gelenkig über zweite Verbindungen 19a...c verbunden sind. Jeweils eins der jeweils zwei Untersegmente 17a/17b, 17c/17d und 17e/17f ist über die jeweilige zweite Verbindung 19a...c hinaus verlängert und bildet jeweils eine Nase 21a...c.
In dieser zusammengefalteten Stellung A sind die zweiten Verbindungen 19a...c zur Mitte des Hohlprofils 15 hin gefaltet. Somit ergibt sich ein zusammengefaltetes Profil, das einen kleineren Querschnitt als das Hohlprofil 15 aufweist. Es ist in 3 einerseits eindeutig zu sehen, dass die ersten Verbindungen 18a und 18b des Formkerns 4 mit dem Inneren des Formabschnitts 14, der leicht anstelle des Querschnitts 6 zu denken ist, nur jeweils eine Linienberührung in Art von Gleitschienen aufweisen, was beim Entformen, das heißt Herausziehen des Formkerns 4 aus dem Formabschnitt 14, von Vorteil ist. Andererseits ist aus 3 ersichtlich, dass der Formkern 4 in der zusammengefalteten Stellung A kleiner als das Hohlprofil 15 und somit kleiner als der Querschnitt des Formabschnitts 14 ist, wobei es somit leicht entformbar ist.
Zur Bildung der auseinandergefalteten Stellung B wird der Innenraum 22, den die Segmente 16a...d bilden, mit einem Druck p beaufschlagt, welcher die Segmente 16a...d auseinanderfaltet, wie in 3B gezeigt ist. In dieser auseinandergefalteten Stellung B liegen die freien Enden der Nasen 21a...c auf dem jeweiligen korrespondierenden Untersegment 17a, 17d, 17e auf, wobei sie jeweils einen Anschlag für diese Stellung bilden.
Ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Formkerns 4 mit verschwenkbaren Segmenten 16a...d ist korrespondieren zu den 3A und 3B in den 4A und 4B dargestellt, wobei die 5 eine perspektivische Darstellung des ersten Ausführungsbeispiels zeigt. 4A zeigt die zusammengefaltete Stellung A und 4B die auseinandergefaltete Stellung B.
Die Segmente 16a...d sind mit den ersten Verbindungen 18a...d und die Untersegmente 17a...f mit den zweiten Verbindungen 19a...c aus einem Werkstoff einstückig hergestellt. Die Verbindungen 18a...d und 19a...c sind hierbei als Folienscharniere ausgebildet. Diese Folienscharniere sind in ihrer Geometrie (Breite und Dicke) in diesem Beispiel so abgestimmt, dass eine genügende Vorspannung gewährleistet ist und eine Bewegung stets im elastischen Bereich des Scharnierwerkstoffes erfolgt. Dadurch bleiben die Eigenschaften, insbesondere die Vorspannung und das erforderliche Faltmoment, über mehrere Faltvorgänge hinweg konstant. Folglich ist eine Wiederverwendung möglich. Die Folienscharniere sind so abgestimmt, dass die Nasen 21a...c alle gleichzeitig (bei gleichem Innendruck) ihre Anschläge erreichen. Die Geometrie des Formkerns 4 ist so ausgelegt, dass die Nasen 21a...c sich untereinander nicht behindern können. Durch die Gestaltung der Dicke der Verbindungen 18a...d und 19a...c ist ein Aufbringen einer Vorspannung unter den Segmenten 16a...d und Untersegmenten 17a...f dergestalt möglich, dass beim Zusammen- und Auseinanderfalten eine bestimmte Reihenfolge erzielt wird.
Zur Ausbildung von scharfen Ecken zeigt 6 zwei Verstärkungsmittel 13 in Form von Eckprofilen. Diese können nachträglich an den jeweiligen Kanten des Hohlprofils 15 angebracht werden. Es ist auch möglich, dass die Segmente 16a...d und/oder die Untersegmente 17a...f und/oder die Verbindungen 18a...d zur Bildung derartiger Eckprofile verlängert ausgebildet sind.
Das aus den Segmenten 16a...d gebildete Hohlprofil 15 weist einen geschlossenen Querschnitt auf und wird daher als geschlossenes Hohlprofil 15 bezeichnet. Die Herstellung des Hohlprofils 15 kann beispielsweise durch Extrusion erfolgen.
Eine Alternative als zweites Ausführungsbeispiel in Form eines offenen Profils 24 zeigen 6A und 6B in zwei Stellungen für unterschiedliche Vorspannungen.
Das offene Profil 24 weist neben den weiter oben genannten Punkten den Vorteil auf, dass bei der Herstellung die einzelnen Verbindungen zur Erzeugung von gewünschten Vorspannungen exakt ausgeführt werden können, Weiterhin ist die Extrusion in unterschiedlichen Stellungen möglich, von denen 6A und 6B zwei möglichen zeigen.
Weiterhin kann das offene Profil 24 im Gegensatz zu einem geschlossen mit engeren Toleranzen hergestellt werden.
Das offene Profil 24 wird nach Herstellung zu einem geschlossenen Profil 15 verarbeitet, indem in dem hier gezeigten Beispiel zwei Halbsegmente 25a, b zur Bildung eines Segmentes, beispielsweise des Segmentes 16c aus 3A, 3B, 4A, 4B, zusammengefügt werden. Diese kann beispielsweise durch Schweißen erfolgen, wobei in diesem Beispiel zueinander korrespondierende dritte Verbindungen 23a, b in Form von Längsnasen an den gegenüber liegenden, freien Rändern der Halbsegmente 25a, b angeordnet sind.
7 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht des fertig gestellten Faserverbundbauteils 1 nach 1 mit als Stringern 20 ausgebildeten Formabschnitten 14.
Auf der linken Seite ist ein Formabschnitt 14 gezeigt, bei welchem ein Ende des Hohlprofils 15 des Formkerns 4 angedeutet ist, das mit einer Anschlussvorrichtung 26 mit einer Leitung 27 zur Beaufschlagung mit dem Innendruck p verbunden ist. Das andere Ende des Hohlprofils 15 ist mit einem Verschluss im zusammengefalteten Zustand verschlossen. Dies ist erforderlich, um ein Entformen in Richtung des unteren Bildendes zu ermöglichen. Der Übergangsbereich auf den Aufgefalteten Zustand (Länge des Überganges etwa zweifache Formkernbreite) kann nicht zur Formgebung verwendet werden. Entsprechend weit muss der Formkern über das Ende von Stringer 20 hinragen.
Durch Variation des Innendrucks p kann das Hohlprofil 15 auseinander- und zusammengefaltet werden. Es kann aber auch mit einer weiteren Anschlussvorrichtung 26 versehen sein. Der Innendruck p kann an geeigneter Stelle für seine Regelung gemessen werden. Auch eine Öffnung der Kernhülle 12 ist außerhalb des Formabschnitts 14 angeordnet.
Beim Entformen wird das Hohlprofil 15 über die Anschlussvorrichtung 26 mit einem solchen Innendruck (Vakuum) beaufschlagt, bei dem das Hohlprofil 15 die zusammengefaltete Stellung A annimmt.
Wird das Entformen, z.B. im Anschluss an eine Härtung in einem Druckbehälter/Autoklav innerhalb dieses Druckbehälters vorgenommen, ist es möglich, ein entsprechend höheres Vakuum von zum Beispiel 10 bar aufzubringen. Dies kann in Betracht kommen, wenn eine Geometrie eines Hohlprofils 15 verwendet wird, bei der für das Falten das einfache Atmosphärenvakuum nicht ausreicht. Ein solcher Vorgang ist vorzugsweise automatisiert.
Es ist weiterhin möglich, einen Druck auf die Außenseite des Hohlprofils 15 zwischen Innenseite des Formabschnitts 14 oder Innenseite der Kernhülle 9 und Außenseite des Hohlprofils 15 aufzubringen, um das Hohlprofil 15 zusammenzufalten. Dieser Druck kann auch unterstützend zum Innendruck p aufgebracht werden.
Der so zusammengefaltete Formkern 4 kann aus dem gehärteten Formabschnitt 14 herausgezogen und wieder verwendet werden. Die Kernhülle 9 wird ebenfalls herausgezogen, was bei einer vorhandenen Trennschicht besonders vorteilhaft einfach und leicht erfolgen kann. Das Faserverbundbauteil 1 kann nun weiter verarbeitet werden. Im Falle der Verwendung von Verstärkungsmitteln 13 können diese ebenfalls mit ausgezogen werden oder verbleiben im Faserverbundbauteil 1.
Somit ist ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils, ein entsprechender Formkern und ein entsprechendes Faserverbundbauteil geschaffen, welches gegenüber der Verwendung von herkömmliche Materialien für den Stütz- bzw. Formkern eine deutliche Materialkostensenkung erzielen kann. Der Formkern wird vollständig entfernt, wodurch das Gewicht des Faserverbundbauteils gegenüber dem Stand der Technik verringert werden kann. Der Formkern 4 kann voraussichtlich mehrmals wieder verwendet und anschließend recycled werden, wodurch sich eine Kostenreduktion ergibt.
Die Erfindung ist nicht auf das in den Figuren dargestellte, spezielle Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils im Flugzeugbereich beschränkt.
So ist beispielsweise der vorliegende Erfindungsgedanke auch auf Faserverbundbauteile im Sportgeräte- oder Motorsportbereich, anwendbar.
Ferner ist die einzelne Abfolge einzelner Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens auf vielfältige Arten veränderbar. Auch die Ausgestaltung der einzelnen Verfahrensschritte kann modifiziert werden.
Weiterhin ist die Geometrie des Formkerns auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.
Ferner können auch mehrere Formkerne verwendet werden, um einen einzigen Formkern auszubilden, der mit Faserverbundmatten umlegt wird. Dabei ist es das Ziel, eine komplexere Geometrie mittels der Vielzahl an Formkernen zu schaffen. Folglich können komplexere Faserverbundbauteile hergestellt werden.
So ist ein zum Beispiel möglich, auch das Segment 16c (3A, 3B, 4A, 4B) in zwei Untersegmente mit einem Mittengelenk aufzuteilen. Auch mehrere Untersegmente eines Segments sind denkbar.

1: Faserverbundbauteil
2: Basisplatte
3: Faserhalbzeug
4: Formkern
5: Basis des Formkerns
6: Querschnitt des Formkern
7: Kernwerkstoff
8: Formwerkzeug
9: Kernhülle
10: Außenseite der Kernhülle
11: Innenseite der Kernhülle
12: Öffnung der Kernhülle
13: Verstärkungsmittel
14: Formabschnitt
15: Hohlprofil
16a, b, c, d: Segmente
17a, b, c, d, e, f: Untersegmente
18a, b, c, d: erste Verbindung (Eckgelenk)
19a, b, c: zweite Verbindung (Mittengelenk)
20: Stringer
21a, b, c: Nasen
22: Innenraum
23a, b: Dritte Verbindung
24: Profil
25a, b: Halbsegmente
26: Anschlussvorrichtung
27: Leitung
A: Zusammengefaltete Stellung
B: Auseinandergefaltete Stellung
p: Druck

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils (1), insbesondere für die Luft- und Raumfahrt, mit folgenden Verfahrensschritten: – Ausbilden eines Formkerns (4) mit einem Hohlprofil (15) aus Segmenten (16a...d) zum Festlegen einer äußeren Geometrie des Formkerns (4), wobei die Segmente (16a...d) des Formkerns (4) sich jeweils entlang seiner Längsachse des Formkerns (4) erstreckend und jeweils um die wenigstens eine Längsachse des Formkerns (4) zwischen einer zusammengefalteten Stellung (A) und einer auseinandergefalteten Stellung (B) des Hohlprofils (15) des Formkerns (4) verschwenkbar ausgebildet werden; – wenigstens abschnittsweise Ablegen von wenigstens einem Faserhalbzeug (3) auf dem ausgebildeten Formkern (4) zur Formgebung von wenigstens einem Formabschnitt (14) des herzustellenden Faserverbundbauteils (1); und – Beaufschlagen des wenigstens einen Formabschnitts (14) mit Wärme und/oder Druck zum Herstellen des Faserverbundbauteils (1).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente (16a...d) des Formkerns (4) zum miteinander Verschwenktwerden zwischen der zusammengefalteten Stellung (A) und der auseinandergefalteten Stellung (B) des Hohlprofils (15) und zum Bilden eines geschlossenen Hohlprofils (15) miteinander über Verbindungen (18a...d, 19a...c) gekoppelt werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die verschwenkbaren Segmente (16a...d) des Formkerns (4) zusammen mit ihren Verbindungen (18a...d, 19a...c) als geschlossenes Hohlprofil (15), beispielsweise aus einem Kunststoff, einstückig ausgebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente (16a...d) des Formkerns (4) zusammen mit ihren verschwenkbaren Verbindungen (18a...d, 19a...c) als offenes Profil (24), beispielsweise aus einem Kunststoff, ausgebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das offene Profil (24) von Segmenten (16a...d) zu dem Hohlprofil (15) gefaltet und verbunden, beispielsweise verschweißt, wird.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente (16a...d) aus einem ersten Werkstoff zusammen mit zumindest einem Bauteil, das zumindest eine Verbindung (18a...d, 19a...c) bildet, aus einem zweiten Werkstoff ausgebildet werden.
Verfahren nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente (16a...d) derart miteinander verschwenkbar verbunden werden, dass sie mit einer vorbestimmten Vorspannung zum Annehmen der zusammen gefalteten Stellung (A) oder auseinandergefalteten Stellung (B) des aus ihnen gebildeten Hohlprofils (15) beaufschlagt werden.
Verfahren nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kernhülle (9), beispielsweise ein Schlauch, auf das Hohlprofil (15) aufgebracht wird, welche in der auseinandergefalteten Stellung (B) des Hohlprofils (15) gespannt wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Trennschicht, beispielsweise eine Hülle, auf den Formkern (4) aufgebracht wird, welche ein Anhaften des Faserhalbzeugs (3) und/oder einer Matrix an diesem verhindert.
Verfahren nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkern (4) beim wenigstens abschnittsweise Ablegen von wenigstens einem Faserhalbzeug (3) auf einem Basisbauteil (2) aus Faserverbundhalbzeugen angeordnet wird und/oder mit Faserhalbzeugen (3) zum Ausbilden des wenigstens einen Formabschnitts (14) des Faserverbundbauteils (1) wenigstens teilweise umgeben wird, wobei das Hohlprofil (15) in Abhängigkeit von der Stellung (A, B) der verbundenen Segmente (16a...d) mit einem vorher festlegbaren Innendruck (p) beaufschlagt wird, um die äußere Geometrie des Formkerns (4) in der auseinandergefalteten Stellung (B) anzunehmen.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der vorher festlegbare Innendruck (p) anhand eines vorgebbaren Sollwertes geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Beaufschlagung mit dem Innendruck (p) über eine Anschlussvorrichtung (26) an beiden Enden des Hohlprofils (15) oder an einem Ende des Hohlprofils (15) erfolgt, wobei im letzteren Fall das andere Ende des Hohlprofils (15) mit einem Verschluss versehen wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Matrix in das wenigstens eine Faserhalbzeug (3) mit dem Formkern (4) eingebracht wird und anschließend unter Druck und/oder Wärme wenigstens teilweise ausgehärtet wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Beaufschlagen mit Wärme und/oder Druck der Innendruck (p) des Hohlprofils (15) so verändert wird, dass die Segmente (16a...d) des Hohlprofils (15) des Formkerns (4) zum Entfernen des Formkerns (4) aus dem Formabschnitt (14) in die zusammengefaltete Stellung (A) des Hohlprofils (15) verschwenken.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zum Verändern des Innendrucks (p) des Hohlprofils (15) oder anstelle des Veränderns des Innendrucks (p) das Hohlprofil (15) zwischen seiner Außenseite und der Innenseite des Formabschnitts (14) mit einem Druck zum Zusammenfalten der Segmente (16a...d) beaufschlagt wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zur Herstellung des Faserverbundbauteils (1) als Handlaminier-, Prepreg-, Spritzpress- und/oder Vakuuminfusionsverfahren ausgebildet wird.
Formkern (4) zur Herstellung eines Faserverbundbauteils (1), insbesondere eines Stringers (20) an einem Basisbauteil (2) in der Luft- und Raumfahrt, mit einem Hohlprofil (15) aus Segmenten (16a...d) zum Festlegen einer äußeren Geometrie des Formkerns (4), wobei die Segmente (16a...d) des Formkerns (4) sich jeweils entlang einer Längsachse des Formkerns (4) erstrecken und jeweils um wenigstens eine Längsachse des Formkerns (4) zwischen einer zusammengefalteten Stellung (A) und einer auseinandergefalteten Stellung (B) des Hohlprofils (15) des Formkerns (4) verschwenkbar sind.
Formkern (4) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Segment (16a...d) wenigstens zwei Untersegmente (17a...f) aufweist, welche durch eine zweite Verbindung (19a...c) um wenigstens eine Längsachse verschwenkbar sind.
Formkern (4) nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Untersegment (17a...f) eine Erwei terung in seiner Breite aufweist, welche sich über die zweite Verbindung (19a...c) hinaus erstreckt, und einen Anschlag für die auseinandergefaltete Stellung (B) bildet.
Formkern (4) nach wenigstens einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente (16a...d) und Untersegmente (17a...f) einen Kunststoff, beispielsweise ein Polysulfon, aufweisen, und die ersten und zweiten Verbindungen (18a...d, 19a...c) den gleichen Werkstoff oder einen für die erforderlichen Eigenschaften der Verbindungen besonders geeigneten zweiten Werkstoff aufweisen.
Formkern (4) nach wenigstens einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Hohlprofil (15) mit einer umschließenden Kernhülle (9), beispielsweise einen Schlauch, versehen ist.
Formkern (4) nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Kernhülle (9) eine Trennschicht aufweist, welche eine äußere Oberfläche des Formkerns (4) bildet.
Formkern (4) nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Kernhülle (9) aus einem für Prozesstemperatur und Prozessdruck geeigneten Kunststoff ausgebildet ist, insbesondere aus einem Polyamid und/oder einem PTFE-Kunststoff.
Formkern (4) nach wenigstens einem der Ansprüche 17 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Hohlprofil (15) des Formkerns (4) im Bereich scharfkantig auszubildender Übergänge seiner äußeren Geometrie Verstärkungsmittel (13) aufweist.
Formkern (4) nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsmittel (13) als Eckprofilteile aus Metall und/oder Kunststoff ausgebildet sind.
Formkern (4) nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsmittel (13) Bestandteile der Segmente (16a...d) oder/und der Verbindungen (18a...d) sind.
Formkern (4) nach wenigstens einem der Ansprüche 17 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Geometrie des Formkerns (4) in der auseinandergefalteten Stellung (B) des Hohlprofils (15) Ω-förmig, trapezförmig, dreiecksförmig, ringförmig und/oder wellenförmig ausgebildet ist.
Faserverbundbauteil (1) mit wenigstens einem Stringer (20), insbesondere für die Luft- und Raumfahrt, welches mittels eines Formkerns (4) nach wenigstens einem der Ansprüche 17 bis 27 und/oder eines Verfahrens nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 16 hergestellt ist.