DE102007004314B4

DE102007004314B4 - Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils mit wenigstens einem durchsetzten Bereich für ein Luft- oder Raumfahrzeug

Info

Publication number: DE102007004314B4
Application number: DE102007004314A
Authority: DE
Inventors: Dr. Ing. Lengsfeld Hauke; Dipl.-Ing. Brandenburg Roland; Dipl.-Ing. Schröder René
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2007-01-29
Filing date: 2007-01-29
Publication date: 2012-02-23
Anticipated expiration: 2027-01-30
Also published as: DE102007004314A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils (93) mit wenigstens einem durchsetzten Bereich (42) fur ein Luft- oder Raumfahrzeug, mit folgenden Verfahrensschritten: Bilden wenigstens eines Durchbruchs (19) in einem Tapegelege (3); Umformen des Tapegeleges (3) im Bereich des wenigstens einen Durchbruchs (14) zum Bilden des wenigstens einen durchsetzten Bereichs (42); und Aushärten des Tapegeleges (3) zum Bilden des Faserverbundbauteils (43); dadurch gekennzeichnet, dass das Tapegelege (3) vor dem Umformen vakuumdicht eingepackt und danach mit Vakuum beaufschlagt wird; dass das Tapegelege (3) mittels eines Positiv- oder Negativwerkzeugs (32) umgeformt wird; und dass fur das Umformen ein zwischen dem vakuumdicht eingepackten Tapegelege (3) und dem Positiv- oder Negativwerkzeug (32) ausgebildeter Raum (37) mit Vakuum zum Durchsetzen des Bereichs beaufschlagt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils mit wenigstens einem durchsetzten Bereich für ein Luft- oder Raumfahrzeug nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Obwohl für die Herstellung beliebiger Faserverbundbauteile geeignet, werden die vorliegende Erfindung sowie die ihr zugrunde liegende Problematik in Bezug auf eine mit Handlöchern versehene Rippe eines Flugzeugs näher erläutert.
Solche mit Handlöchern versehenen Rippen werden gewöhnlich zur Versteifung einer Flugzeugstruktur eingesetzt. Die Handlöcher dienen dazu, eine Handhabung der Rippen zu erleichtern, das Gewicht der Rippen zu reduzieren und die Rippen auszusteifen.
Ein der Anmelderin bekanntes Verfahren zur Herstellung solcher Rippen mit Handlöchern in Faserverbundbauweise sieht folgende Verfahrensschritte vor:
Zunächst wird ein unteres Werkzeug mit baumstumpfartigen Erhebungen, welche sich von der Oberfläche des Werkzeugs erstrecken, bereitgestellt.
Um die Erhebungen herum werden in einem weiteren Schritt Prepreg-Gewebeabschnitte auf der Oberfläche drapiert. Somit ergibt sich ein runder ausgesparter Bereich zwischen den Prepreg-Gewebeabschnitten, wobei ein Handloch ausgebildet wird.
In einem weiteren Verfahrensschritt wird ein oberes Werkzeug auf das untere Werkzeug aufgefahren, wobei die drapierten Prepreg-Gewebeabschnitte zwischen den Werkzeugen angeordnet sind und von diesen in Position gehalten werden.
In einem noch weiteren Verfahrensschritt werden das untere und obere Werkzeug zusammen mit den Prepreg-Gewebeabschnitten in einen Vakuumaufbau eingepackt und mit Vakuum beaufschlagt. Im Anschluss daran wird der Vakuumaufbau in einem Autoklaven mit Druck und Hitze beaufschlagt, wobei die Prepreg-Gewebeabschnitte zu dem Faserverbundbauteil ausgehärtet werden.
Problematisch bei dem oberhalb beschriebenen, bekannten Verfahren ist, dass solche Faserverbundbauteile aus Gewebe eine vergleichsweise geringere Festigkeit aufweisen.
Ein weiteres Problem bei dem oberhalb beschriebenen Verfahren ist, dass ein unteres und ein oberes Werkzeug benötigt werden, was einen hohen Kostenaufwand für die Bereitstellung derartiger Werkzeuge bedeutet.
Die Druckschrift FR 2 692 520 A1 offenbart ein Verfahren, bei welchem CFK-Lagen auf einem Dorn abgelegt werden, wodurch diese ihre endgültige Form erhalten.
Die Druckschrift WO 2006/069989 A1 beschreibt das Umformen eines Tapegeleges zum Ausbilden eines durchsetzten Bereichs mittels eines Stempels.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein kostengünstigeres Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils mit wenigstens einem durchsetzten Bereich für ein Luft- oder Raumfahrzeug bereitzustellen, wobei die hergestellten Faserverbundbauteile eine höhere Festigkeit aufweisen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils mit wenigstens einem durchsetzten Bereich für ein Luft- oder Raumfahrzeug mit folgenden Verfahrensschritten bereitgestellt. Zunächst wird ein Durchbruch in einem Tapegelege gebildet. In einem weiteren Verfahrensschritt wird das Tapegelege in dem Bereich des wenigstens einem Durchbruchs zum Bilden des wenigstens einen durchsetzten Bereichs umgeformt. Anschließend wird das Tapegelege zum Bilden des Faserverbundbauteils ausgehärtet.
Eine Idee besteht darin, anstelle von Gewebe, wie bei dem bekannten Verfahren, Tape zu verwenden. Dadurch, dass sich die Fasern innerhalb von Tapes in lediglich einer Raumrichtung erstrecken, können diese derart abgelegt werden, dass die Fasern für einen bestimmten Lastfall optimiert ausgerichtet sind. Dadurch ergeben sich Vorteile hinsichtlich der Festigkeit des hergestellten Faserverbundbauteils.
Ein Drapieren von Tape um eine Erhebung, wie bei dem bekannten Verfahren, ist nicht möglich, da dies zu einem Knittern des Tapes und somit zu einer schlechten Faserverbundbauteilqualität führen würde. Deshalb sieht das erfindungsgemäße Verfahren vor, dass ein Durchbruch in dem Tapegelege gebildet wird.
In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung.
Unter ”Tape” sind vorliegend Streifen aus unidirektionalen Fasern, insbesondere Kohlenstoffkunststoff(CFK)-fasern, die mit einer Matrix, insbesondere Epoxidharz, vorimprägniert sind, zu verstehen.
Unter einem ”Durchbruch” ist vorliegend eine in bereits abgelegtes Tapegelege eingebrachte Durchgangsöffnung zu verstehen.
Gemäß einer weiter bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird das Tapegelege vor dem Bilden des wenigstens einen Durchbruchs automatisiert mittels eines Tapelegers aufgebaut. Dabei legt ein Tapeleger mit vorzugsweise wenigstens drei Freiheitsgraden diesem zugeführtes Tape auf einer Laminiervorrichtung bzw. auf einem Positiv- und/oder Negativwerkzeug ab und baut so Schicht für Schicht das Tapegelege auf. Eine solche Automatisierung führt zu einem sehr rationellen Verfahren. Dagegen müssen bei dem eingangs beschriebenen bekannten Verfahren die Gewebeabschnitte aufgrund der sehr komplexen Drapierung manuell abgelegt werden. Demnach können durch diese Weiterbildung Personalkosten eingespart werden.
Der Vorteil das Tapegelege gleich auf einem Positiv- und/oder Negativwerkzeug und nicht zunächst auf einer Laminiervorrichtung aufzubauen, würde darin liegen, dass eine Verlagerung des Tapegeleges von der Laminiervorrichtung auf das Positiv- und/oder Negativwerkzeug entfällt.
Bei einer weiter bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der wenigstens eine Durchbruch mittels Ausschneiden und/oder Ausstanzen gebildet. Diese Verfahren lassen sich sehr einfach, insbesondere auch automatisiert, realisieren. Insbesondere können dabei Durchbrüche mit beliebiger Gestalt, beispielsweise rund, hexagonal, viereckig und/oder elliptisch, ausgebildet werden.
Gemäß einer weiter bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird das Tapegelege vor dem Umformen wenigstens im Bereich des wenigstens einen Durchbruchs auf eine vorbestimmte Umformtemperatur aufgewärmt. Ein derartiges Aufwärmen führt zum Fließen der Matrix in dem Tapegelege und erleichtert somit ein Umformen desselben bzw. macht eine plastische Verformung desselben erst möglich.
Das Tapegelege wird vor dem Umformen vakuumdicht eingepackt und danach mit Vakuum beaufschlagt. Die Beaufschlagung mit Vakuum führt zu einer Kompaktierung des Tapegeleges und verbessert somit die Verteilung der Matrix zwischen den Fasern. Ferner können so in der Matrix eingeschlossene Gase abgeführt werden. Die Qualität des herzustellenden Faserverbundbauteils kann damit verbessert werden.
Bei einer weiter bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Tapegelege vor dem Umformen in ein Einfach- oder Doppeldiaphragma wenigstens im Bereich des wenigstens einen Durchbruchs eingepackt. Im Fall eines Einfachdiaphragmas wird das auf der Laminiervorrichtung bzw. auf dem Positiv- und/oder Negativwerkzeug befindliche Tapegelege oberseitig mit dem Einfachdiaphragma vakuumdicht abgedeckt. Bei der Verwendung eines Doppeldiaphragmas wird das Tapegelege zwischen zwei Diaphragmen vakuumdicht eingepackt. Vorteilhaft ist, dass das Doppeldiaphragma mit dem darin befindlichen Tapegelege einfach gehandhabt werden kann. Die Handhabung kann dabei beispielsweise den Transport des Doppeldiaphragmas mit dem darin befindlichen Tapegelege von einer Arbeitsstation zum Aufwärmen des Tapegeleges auf die Umformtemperatur zu einer Arbeitsstation, bei welcher das Umformen des Tapegeleges erfolgt, umfassen, wenn auch vorzugsweise das Aufheizen und Umformen auf derselben Arbeitsstation stattfinden. Weiterhin vorteilhaft ist, dass das Doppeldiaphragma für eine sehr gute Durchwärmung des Tapegeleges und damit für eine gleichmäßige Verflüssigung der Matrix in dem Tape sorgt, was wiederum in einer guten Bauteilqualität resultiert.
Das Tapegelege wird mittels eines Positiv- und/oder Negativwerkzeugs umgeformt. Unter einem ”Positivwerkzeug” ist eine Vorrichtung zu verstehen, welche eine Oberfläche aufweist, auf der das Tapegelege ablegbar ist, wobei auf dieser Oberfläche Erhebungen vorgesehen sind. Unter einem ”Negativwerkzeug” ist eine Vorrichtung mit einer Oberfläche, auf welcher das Tapegelege ablegbar ist, zu verstehen, wobei die Oberfläche Vertiefungen aufweist. Bei dem Positivwerkzeug erstrecken sich die Erhebungen in Richtung des Tapegeleges, während sich bei dem Negativwerkzeug die Vertiefungen weg von dem abgelegten Tapegelege erstrecken.
Für das Umformen wird ein zwischen dem vakuumdicht eingepackten Tapegelege und dem Positiv- und/oder -Negativwerkzeug ausgebildeter Raum mit Vakuum zum Durchsetzen des Bereichs beaufschlagt. Der Raum befindet sich dabei vorzugsweise direkt unterhalb des Durchbruchs in dem Tapegelege. Vorzugsweise ist das Tapegelege dabei in dem Doppeldiaphragma eingepackt. Dabei schließt dieses zum Ausbilden des vakuumdichten Raums mit einer Vertiefung in dem Negativwerkzeug ab. Bei dem Doppeldiaphragma steht das Tapegelege nicht in direktem Kontakt mit dem Negativwerkzeug. Das Tapegelege ist somit gut geschützt.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren näher erläutert.
Von den Figuren zeigen:
1 in einer Seitenansicht einen Verfahrenszustand gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 in einer Seitenansicht einen weiteren Verfahrenszustand gemäß dem Ausführungsbeispiel;
3 den Verfahrenszustand aus 2 in einer Draufsicht A;
4 in einer Seitenansicht einen noch weiteren Verfahrenszustand gemäß dem Ausführungsbeispiel;
5 in einer Seitenansicht einen noch weiteren Verfahrenszustand gemäß dem Ausführungsbeispiels;
6 einen noch weiteren Verfahrenszustand gemäß dem Ausführungsbeispiel; und
7 eine Ansicht eines Schnitts B-B aus 6.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.
1 zeigt in einer Seitenansicht ein auf einer Laminiervorrichtung 1 mittels eines automatischen Tapelegers 2 abgelegtes Tapegelege 3.
Dem vorzugsweise in alle drei Raumrichtungen 4, 5, 6 verfahrbaren und um diese schwenkbaren Tapeleger 2 wird ein Tape 7 zugeführt, welcher dieses mittels einer Ablegerolle 8 auf der Laminiervorrichtung 1 in mehreren Schichten 11, 12, 13 ablegt. Das Tape 7 ist dabei vorzugsweise als CFK-Prepreg-Material ausgebildet.
In einem weiteren, in 2 in einer Seitenansicht und in 3 in einer Draufsicht A dargestellten Verfahrensschritt wird ein vorzugsweise runder Durchbruch in dem aufgebauten Tapegelege 3 aus 1 ausgebildet. Der Durchbruch 14 entsteht dabei durch Schneiden mittels eines Schnittwerkzeugs 16 entlang der Schnittlinie 15, angedeutet in 3. Der Durchbruch 14 wird dabei als Durchgangsöffnung ausgebildet, die sich senkrecht durch das Tapegelege 3 erstreckt. Vorzugsweise ist das Tapegelege 3 während des Ausbildens des Durchbruchs 14 weiterhin auf der Laminiervorrichtung 1 angeordnet. Ein Ausbilden des Durchbruchs 14 durch Ausstanzen ist vorteilhaft, weil einfach automatisierbar.
In einem weiteren Verfahrensschritt, schematisch dargestellt in 4, wird das Tapegelege 3 in ein Doppeldiaphragma 17 mit einer oberen und unteren Deckschicht 18, 19, vorzugsweise aus Gummimaterial, eingepackt. Anschließend wird ein durch die Deckschichten 18, 19 begrenzter Innenraum 23, in welchem das Tapegelege 3 angeordnet ist, mit Vakuum beaufschlagt, wobei Luft aus dem Innenraum 23 in Richtung der Pfeile 24, 25 abgesaugt wird. Infolge des in dem Innenraum 23 herrschenden Vakuums wird das Tapegelege durch den außerhalb des Doppeldiaphragmas herrschenden Umgebungsluftdruck 26, 27 kompaktiert. zeitgleich oder im Anschluss wird das Doppeldiaphragma 17 mit Wärmeenergie, beispielsweise von Infrarotstrahlern 30, 31, beaufschlagt und auf eine vorbestimmte Umformtemperatur gebracht.
In einem weiteren Verfahrensschritt wird das Doppeldiaphragma 17 mit dem darin befindlichen Tapegelege 3 auf einem Negativwerkzeug 32 angeordnet. Dabei herrscht weiterhin das Vakuum in dem Innenraum 23.
Das Doppeldiaphragma 17 mit dem Tapegelege 3 wird dabei derart über einer Vertiefung 33 in dem Negativwerkzeug 32 positioniert, dass der Durchbruch 14 in einer Draufsicht, also entlang des Pfeils 34 gesehen innerhalb der Vertiefung 33 angeordnet ist. Dabei schließt die Deckschicht 19 druckdicht mit Oberflächenbereichen 35, 36 des Negativwerkzeugs 32 ab.
In einem weiteren Verfahrensschritt wird der zwischen der Vertiefung 33 und der Deckschicht 19 gebildete Raum 37 evakuiert, wobei Luft in Richtung des Pfeils 38 aus dem Raum 37 durch eine Öffnung 41 in der Vertiefung 33 abgeführt wird.
Dabei wirkt der Umgebungsluftdruck 26 dann derart auf den der Vertiefung 33 gegenüberliegenden Bereich des Doppeldiaphragmas 17 bzw. des Tapegeleges 3, dass dieses, wie in 6 gezeigt, zu dem durchgesetzten Handloch 42 umgeformt wird.
In einem weiteren, nicht dargestellten Verfahrensschritt wird die Anordnung aus 6, vorzugsweise in einem Autoklaven, ausgehärtet. Dabei entsteht das in 7 in einer Schnittansicht B-B und verkürzt dargestellte Faserverbundbauteil 43 mit dem durchgesetzten Bereich 42.
Vorzugsweise sind die Laminiervorrichtung 1 und das Negativwerkzeug 32 bei dem oberhalb beschriebenen Ausführungsbeispiel dasselbe Werkzeug. Folglich entfällt ein Handhabungs- und Transportschritt, wobei das Tapegelege 4 von der Laminiervorrichtung 1 auf das Negativwerkzeug 32 verlagert wird. Ferner reduzieren sich die Werkzeugkosten.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.
Beispielsweise sind typischerweise mehrere durchgesetzte Bereiche in einem Faserverbundbauteil auszubilden. Dazu kann das Negativwerkzeug entsprechend ausgebildet sein, also beispielsweise mit mehreren Vertiefungen zum Ausbilden der durchgesetzten Bereiche.
Ferner können die Vertiefungen nicht nur wie im vorliegenden Ausführungsbeispiel rund ausgebildet sein, sondern beispielsweise in einer Draufsicht eine elliptische Form aufweisen.
Vorzugsweise wird auch der Ausschneideprozess zum Bilden des Durchbruchs automatisiert durchgeführt, beispielsweise mittels einer Stanze.
Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils mit wenigstens einem durchgesetzten Bereich für ein Luft- oder Raumfahrzeug. Eine Idee besteht dabei darin, das Faserverbundbauteil aus einem Tapegelege zu fertigen und die durchgesetzten Bereiche mittels Umformen des Tapegeleges auszubilden. Der Vorteil liegt dabei darin, dass Faserverbundbauteile, die aus einem Tapegelege hergestellt werden, eine deutlich höhere Festigkeit im Vergleich zu Faserverbundbauteilen aufweisen, die beispielsweise aus einem Gewebe hergestellt werden.
Bezugszeichenliste

1: Laminiervorrichtung
2: Tapeleger
3: Tapegelege
4: Raumrichtung
5: Raumrichtung
6: Raumrichtung
7: Tape
8: Rolle
11: Schicht
12: Schicht
13: Schicht
14: Durchbruch
15: Schnittlinie
16: Schnittwerkzeug
17: Doppeldiaphragma
18: Deckschicht
19: Deckschicht
23: Innenraum
24: Pfeil
25: Pfeil
26: Umgebungsluftdruck
27: Umgebungsluftdruck
30: Infrarotstrahler
31: Infrarotstrahler
32: Negativwerkzeug
33: Vertiefung
34: Pfeil
35: Oberflächenbereich
36: Oberflächenbereich
37: Raum
38: Pfeil
41: Öffnung
42: durchgesetzter Bereich
43: Faserverbundbauteil

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils (93) mit wenigstens einem durchsetzten Bereich (42) fur ein Luft- oder Raumfahrzeug, mit folgenden Verfahrensschritten: Bilden wenigstens eines Durchbruchs (19) in einem Tapegelege (3); Umformen des Tapegeleges (3) im Bereich des wenigstens einen Durchbruchs (14) zum Bilden des wenigstens einen durchsetzten Bereichs (42); und Aushärten des Tapegeleges (3) zum Bilden des Faserverbundbauteils (43); dadurch gekennzeichnet, dass das Tapegelege (3) vor dem Umformen vakuumdicht eingepackt und danach mit Vakuum beaufschlagt wird; dass das Tapegelege (3) mittels eines Positiv- oder Negativwerkzeugs (32) umgeformt wird; und dass fur das Umformen ein zwischen dem vakuumdicht eingepackten Tapegelege (3) und dem Positiv- oder Negativwerkzeug (32) ausgebildeter Raum (37) mit Vakuum zum Durchsetzen des Bereichs beaufschlagt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Tapegelege (3) vor dem Bilden des wenigstens einen Durchbruchs (19) automatisiert mittels eines Tapelegers aufgebaut wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Durchbruch (14) mittels Ausschneiden und/oder Ausstanzen gebildet wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Durchbruch (14) als, insbesondere rundes, Handloch ausgebildet wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Tapegelege (3) vor dem Umformen wenigstens im Bereich des wenigstens einen Durchbruchs (14) auf eine vorbestimmte Umformtemperatur aufgewärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Tapegelege (3) vor dem Umformen in ein Einfach- oder Doppeldiaphragma (17) wenigstens in dem Bereich des wenigstens einen Durchbruchs (14) eingepackt wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Tapegelege (3) als Prepreg-Material, insbesondere CFK-Prepreg-Material, ausgebildet wird.