DE102008006981B3

DE102008006981B3 - Verfahren zum Herstellen eines Kernverbundes, insbesondere eines Kernverbundes im Luft- und Raumfahrtbereich

Info

Publication number: DE102008006981B3
Application number: DE102008006981A
Authority: DE
Inventors: Hans-Jürgen WEBER; Gregor Christian Endres
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2008-01-31
Filing date: 2008-01-31
Publication date: 2009-06-10
Anticipated expiration: 2028-02-01

Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Herstellen einer Struktur (1), insbesondere eines Kernverbunds im Luft- und Raumfahrtbereich, mit folgenden Schritten: Zunächst wird ein Heizmaterial (8, 9) auf einer Seite (6, 7) eines Kernstrukturmaterials (2, 3) aufgebracht. In einem weiteren Schritt wird ein Verstärkungselement (16, 17, 18) in das Kernstrukturmaterial (2, 3) und das Heizmaterial (8, 9) derart eingebracht, dass sich das Verstärkungselement (16, 17, 18) durch das Kernstrukturmaterial (2, 3) und das Heizmaterial (8, 9) hindurcherstreckt und einen über das Heizmaterial (8, 9) überstehenden Abschnitt (25, ..., 28) aufweist. Hiernach wird das Heizmaterial (8, 9) zum wenigstens bereichsweise Erweichen des überstehenden Abschnitts (25, ..., 28) aufgeheizt. Daraufhin wird der überstehende Abschnitt (25, ..., 28) mit dem erweichten Bereich als Drehpunkt (38, 39) zum Hintergreifen des Kernstrukturmaterials (2, 3) zum Bilden der Struktur (1) umgeformt. Dieses Verfahren zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass bei diesem die Abschnitte (25, ..., 28) im Wesentlichen gleichzeitig - und nicht sequenziell wie im Stand der Technik - aufgeheizt werden können. Die sich hieraus ergebende Zeitersparnis wirkt sich wiederum positiv auf die Produktionskosten aus.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen einer Struktur, insbesondere eines Kernverbundes im Luft- und Raumfahrtbereich, sowie auf eine derartige Struktur, insbesondere einen Kernverbund im Luft- und Raumfahrtbereich.
In Hochtechnologiebereichen, wie dem Flugzeugbau, finden Kernverbunde aufgrund ihres guten Verhältnisses von Steifigkeit und Festigkeit zu Dichte einen breiten Anwendungsbereich. Ein Kernverbund besteht in der Regel aus einer Kernschicht, welche ober- und unterseitig jeweils eine Deckschicht aufweist.
Um einen derartigen Kernverbund zu verstärken, ist es bekannt geworden, stabförmige Verstärkungselemente, beispielsweise sogenannte "Pins", in die Kernschicht, beispielsweise ein Hartschaum, in deren Dickenrichtung einzustechen, bevor die Deckschichten ober- und unterseitig aufgebracht werden. Derartige Pins können beispielsweise im Pultrusionsverfahren hergestellt werden. Beim Pultrusionsverfahren werden anfänglich trockene Fasern mit einer duroplastischen Matrix imprägniert und anschließend durch eine Düse gezogen, wobei diese beheizt ist. Dies führt zu einem wenigstens teilweise Vernetzen der Matrix, wodurch die Verstärkungselemente eine gewisse Eigensteifigkeit für ein Einstechen derselben in die Kernschicht aufweisen.
Um nun eine weitere Verstärkung des Kernverbunds zu erzielen, ist nachfolgender Ansatz im Stand der Technik entwickelt worden. Die Verstärkungselemente werden mit einer derartigen Länge vorgesehen, dass sie sowohl ober- als auch unterseitig bezüglich der Kernschicht einen überstehenden Abschnitt aufweisen. Diese überstehenden Abschnitte der Verstärkungselemente werden in einem weiteren Schritt mittels einer beheizten Zange einzeln derart umgefaltet, dass sie die Kernschicht hintergreifen. In einem weiteren Schritt werden dann auf die Ober- und Unterseite der Kernschicht samt den jeweils auf diesen aufliegenden, überstehenden Abschnitten der Verstärkungselemente die beiden einleitend angesprochenen Deckschichten aufgebracht. Die beiden üblicherweise aus einem mit einer Harzmatrix vorimprägnierten Fasergelege bestehenden Deckschichten werden daraufhin samt der teilvernetzten Verstärkungselemente sowie der Kernschicht unter Druck und Wärme ausgehärtet.
Bei dem vorstehend beschriebenen Ansatz hat es sich als nachteilig herausgestellt, dass zunächst jeder der überstehenden Abschnitte der Verstärkungselemente einzeln mit der beheizten Zange gegriffen und anschließend eine vorbestimmte Zeitspanne abgewartet werden muss, bis der überstehende Abschnitt ausreichend erweicht ist, um diesen daraufhin zum Hintergreifen der Kernschicht umzuklappen. Dieser Prozess ist vergleichsweise zeit- und damit kostenaufwendig.
Die DE 10 2005 035 681 A1 beschreibt ein Fertigungsverfahren zur Armierung von Kernmaterialien für Kernverbunde sowie von Kernverbundstrukturen. Die DE 10 2005 024 408 A1 beschreibt ein Verfahren zur Verstärkung von Schaumwerkstoffen. Die US 6,291,049 B1 beschreibt eine Sandwich-Struktur sowie ein Verfahren zum Herstellen einer solchen unter Verwendung von sogenannten Pins.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Herstellen einer Struktur, insbesondere eines Kernverbunds im Luft- und Raumfahrtbereich, und/oder eine Struktur, insbesondere einen Kernverbund im Luft- und Raumfahrtbereich, bereitzustellen, welches beziehungsweise welche insbesondere eine Reduzierung der Wartenzeit zum Aufheizen der überstehenden Abschnitte zum Erweichen derselben ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Demgemäß wird ein Verfahren zum Herstellen einer Struktur, insbesondere eines Kernverbunds im Luft- und Raumfahrtbereich, mit folgenden Schritten bereitgestellt. Zunächst wird ein Heizmaterial auf eine Seite eines Kernstrukturmaterials aufgebracht. In einem weiteren Schritt wird ein Verstärkungselement in das Kernstrukturmaterial und das Heizmaterial derart eingebracht, dass sich das Verstärkungselement durch das Kernstrukturmaterial und das Heizmaterial hindurch erstreckt und einen über das Heizmaterial überstehenden Abschnitt aufweist. Hiernach wird das Heizmaterial zum wenigstens bereichsweise Erweichen des überstehenden Abschnitts aufgeheizt. Anschließend wird der überstehende Abschnitt mit dem erweichten Bereich als Drehpunkt zum Bilden der Struktur umgeformt.
Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Idee besteht darin, dass das Aufheizen – gegenüber dem einleitend beschriebenen Ansatz gemäß dem Stand der Technik – parallelisiert werden kann, da das Heizmaterial im Wesentlichen angrenzend (also kontaktierend oder mit geringfügigem Spalt) an jeden der Drehpunkte der überstehenden Abschnitte angeordnet ist und somit bei einem Aktivieren des Heizmaterials jedem dieser Drehpunkte im Wesentlichen gleichzeitig Wärme zugeführt wird. Im Wege dieser Parallelisierung ergibt sich somit eine Zeit- und Kostenersparnis gegenüber dem bekannten, sequentiellen Ansatz.
In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung.
Unter dem Begriff „Verstärkungselement" soll vorliegend vorzugsweise ein stabförmiges Halbzeug verstanden werden. Dieses Halbzeug kann im Pultrusions- oder Strangpressverfahren hergestellt werden. Das Halbzeug kann beispielsweise einen runden, dreieckigen, viereckigen, hexagonalen, rohrförmigen oder anderen Querschnitt aufweisen. Das Verstärkungselement kann dabei mit oder ohne Armierungsfasern, beispielsweise Kohlenstofffasern, ausgebildet sein. Das Verstärkungselement kann – auch zusätzlich zu den Armierungsfasern – einen Thermoplasten oder Duroplasten aufweisen.
Unter dem Begriff „Kernstrukturmaterial" ist vorliegend vorzugsweise ein Schaumstoffmaterial, insbesondere ein Hartschaumstoff, ein Prepreg-Material oder ein trockenes Gelege oder Gewebe, eine metallisch Folie, sowie eine beliebige Kombination selbiger, zu verstehen. Besonders bevorzugt ist das Kernstrukturmaterial selbsttragend ausgebildet, das heißt, dass es ohne Hilfsmittel eine eigene Stabilität besitzt.
Wenn vorliegend von dem „Aufbringen" eines Materials auf ein anderes Material gesprochen wird, so ist insbesondere ein Auflegen (und/oder Auftragen) und stoffschlüssiges Verbinden zwischen dem einen und dem anderen Material gemeint.
Bevorzugt werden eine Vielzahl von Verstärkungselementen in das Kernstrukturmaterial und das Heizmaterial eingebracht.
Bevorzugt wird der überstehende Abschnitt mittels einer Walze umgeformt, welche im Wesentlichen parallel zu dem Kernstruk turmaterial bewegt wird. Bevorzugt werden mittels der Walze mehrere überstehende Abschnitte der mehreren Verstärkungselementen gleichzeitig umgeformt.
Beispielsweise kann die Struktur als Hohlstruktur hergestellt sein, d. h. es sind zwei Kernstrukturmaterialien vorgesehen, welche einen Abstand zwischen sich aufweisen. Der Abstand zwischen den beiden Kernstrukturmaterialien wird dabei von dem Verstärkungselement überbrückt, welches diese miteinander verbindet. Das Heizmaterial kann dann jeweils auf die von dem jeweils anderen Kernstrukturmaterial abgewandte Seite aufgebracht werden. Das Verstärkungselement erstreckt sich dabei durch beide Kernstrukturmaterialien sowie durch beide Heizmaterialien und gegebenenfalls durch ein auf jedes der Heizmaterialien aufgebrachtes Zwischenmaterial. Die Deckschichten werden wiederum auf jedes der Heizmaterialien beziehungsweise jedes der Zwischenmaterialien samt dem auf diesen aufliegenden, überstehenden Abschnitt des Verstärkungselements aufgebracht.
Selbstverständlich kann in der oberhalb beschriebenen Anordnung das Kernstrukturmaterial auch als Vollstruktur ausgebildet werden. Das heißt der oberhalb beschriebene Hohlraum zwischen den beiden Kernstrukturmaterialien ist ebenfalls durch Kernstrukturmaterial ausgefüllt; es ist also lediglich ein – wenn auch unter Umständen dickeres – Kernstrukturmaterial vorgesehen.
Dies Verstärkungselemente können sich beispielsweise mit verschiedenen Winkeln durch das Kernstrukturmaterial erstrecken. Bevorzugt erstrecken sie sich, für den Fall, dass das Kernstrukturmaterial als Kernstrukturschicht ausgebildet ist, in deren Dickenrichtung oder mit einem Winkel ungleich 90°, beispielsweise 30 bis 70°, zur Dickenrichtung durch diese. Die so gebildeten Verstrebungen verstärken das Kernstrukturmaterial.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der überstehende Abschnitt derart umgeformt, dass er auf dem Heizmaterial oder auf einer auf diesem aufgebrachten Zwischenmaterial zum Liegen kommt. Es besteht die Möglichkeit, nachdem oder bevor das Heizmaterial auf das Kernstrukturmaterial aufgebracht ist, ein Zwischenmaterial auf das Heizmaterial aufzubringen. Der überstehende Abschnitt kann in einem dem Umformen nachgeschalteten Schritt zum Aushärten der gesamten Struktur mit dem Heizmaterial oder dem Zwischenmaterial fest verbunden werden. Dafür weist das Heizmaterial oder das zwischenmaterial vorzugsweise eine Matrix, insbesondere ein Epoxydharz, auf, in welche der umgeformte, überstehende Abschnitt wenigstens abschnittsweise eintaucht und dann mit dieser ausgehärtet wird. Vorteilhaft wird das Zwischenmaterial aus einem sehr festen Faserverbundwerkstoff ausgebildet, beispielsweise einem CFK Prepreg mit einer sehr hohen Faserdichte. Das Zwischenmaterial kann dann einen sehr festen Verankerungspunkt für den überstehenden Abschnitt des Verstärkungselements bilden.
Das Heizmaterial wird vorzugsweise direkt auf das Kernstrukturmaterial aufgebracht. Das Zwischenmaterial wird vorzugsweise ebenfalls direkt auf das Heizmaterial aufgebracht.
Gemäß einer weiter bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Deckmaterial auf das Heizmaterial oder das Zwischenmaterial samt dem auf diesem aufliegenden Abschnitt des Verstärkungselements aufgebracht. Dadurch wird der überstehende Abschnitt des Verstärkungselements vorteilhaft zwischen dem Heizmaterial oder Zwischenmaterial und dem Deckmaterial "gesandwicht", was zu einer noch höheren Festigkeit der hergestellten Struktur führt.
Gemäß einer weiter bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist das Heizmaterial, das Zwischenmaterial und/oder die Deckschicht eine Matrix auf, welche mittels des Aufheizens des Heizmaterials fließfähig wird, wodurch die Matrix in einen Ringraum zwischen dem Verstärkungselement und dem Kernstrukturmaterial fließt und diesen somit dicht verschließt. Das Verstärkungselement wird bevorzugt durch Einstechen in das Kernstrukturmaterial und das Heizmaterial eingebracht. Dabei bildet sich – auf mikroskopischer Ebene – ein Ringraum zwischen Verstärkungselement und Kernstrukturmaterial beziehungsweise Heizmaterial. Im Wege der oberhalb beschriebenen Weiterbildung kann der Ringraum somit einfach abgedichtet werden, wodurch ein Eindringen von schädlichen Substanzen in die Struktur verhindert werden kann.
Wenn vorliegend von einer „Matrix" gesprochen wird, so ist bevorzugt eine duroplastische Matrix gemeint. Alternativ kann jedoch auch eine thermoplastische oder andersartige Matrix gemeint sein.
Bevorzugt vorteilhaft weist das Heizmaterial zusätzlich zu den Komponenten, welche die Freisetzung von Wärme ermöglichen – beispielsweise ein oder mehrere elektrische Widerstandselemente –, die Matrix für den Ringraum auf. Dadurch muss die Matrix nicht mehr auf separatem Wege bereitgestellt werden, wodurch sich eine Prozessvereinfachung ergeben kann. Alternativ kann auch das Zwischenmaterial oder die Deckschicht die Matrix für den Ringraum aufweisen.
Gemäß einer weiter bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auf der anderen Seite des Kernstrukturmaterials wenigstens im Bereich eines Ringraums zwischen dem Verstärkungselement und dem Kernstrukturmaterial ein weiteres Zwischenmaterial aufgebracht, wobei eine Matrix des Zwischenmaterials mittels Aufheizen des Heizmaterials fließfähig wird, wodurch die Matrix in den Ringraum fließt und diesen somit dicht verschließt. Die andere Seite des Kernstrukturmaterials liegt dabei vorzugsweise der einen Seite gegenüber, wobei sich der Ringraum von der einen zur anderen Seite des Kernstrukturmaterials erstreckt. Der Ringraum kann dabei auch durch Einstechen der Verstärkungselemente gebildet werden. Die Matrix des Zwischenmaterials verschließt dabei den Ringraum im Wesentlichen auf der anderen Seite des Kernstrukturmaterials. Dies kann zusätzlich oder alternativ zu dem oberhalb beschriebenen Verschließen des Ringraums auf der einen Seite des Kernstrukturmaterials erfolgen. Auch hierdurch wird ein Eindringen von schädlichen Substanzen aus der Umgebung in die Struktur verhindert. Wird das weitere Zwischenmaterial beispielsweise in Form einer Beschichtung lediglich im Bereich des Ringraums auf der anderen Seite des Kernstrukturmaterials angrenzend zu dem Verstärkungselement aufgebracht, beispielsweise aufgespritzt, kann die gewünschte Dichtigkeit materialsparend erzielt werden.
Gemäß einer weiter bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist das Heizmaterial, das Zwischenmaterial, das weitere Zwischenmaterial, das Verstärkungselement und/oder die Deckschicht eine Matrix auf, welche mittels des Aufheizens des Heizmaterials ausgehärtet wird. Vorteilhaft kann somit die gesamte Struktur ausgehärtet werden, d. h. es ist nicht mehr notwendig, die Struktur in einen Ofen oder Autoklaven einzubringen, um diese dort unter Druck und Wärme auszuhärten. Die Matrix ist dafür als eine duroplastische Matrix, insbesondere Epoxydharzmatrix, ausgebildet.
Gemäß einer weiter bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist das Verstärkungselement ein lediglich teilvernetztes Duroplastmaterial und/oder Fasern auf. Entscheidend ist, dass der überstehende Abschnitt des Verstärkungselements mittels Aufheizen des Heizmaterials (noch ausreichend) erweichbar ist.
Unter „teilvernetzt" ist vorliegend ein Vernetzungsgrad zwischen 0 und 100% gemeint. Bevorzugt weist der überstehende Abschnitt des Verstärkungselements aber einen Vernetzungsgrad von beispielsweise 30 bis 80% auf, welcher eine Formstabilität des Verstärkungselements garantiert, so dass dieses in das Kernstrukturmaterial eingestochen werden kann.
Unter „Aushärten" ist vorliegend die Erhöhung des Vernetzungsgrads in der Matrix zu verstehen, insbesondere ist darunter vorliegend das Erreichen eines Vernetzungsgrads von nahezu 100% zu verstehen.
Gemäß einer weiter bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Heizmaterial als ohmsches Heizmaterial mit elektrischen Kontakten für ein Anschließen an eine Stromquelle ausgebildet. Das ohmsche Heizmaterial weist dabei einen derartigen Widerstand auf, dass bei einem Durchfließen desselben mit Strom dieses eine geeignete Heizleistung bereitstellt. Alternativ ist es auch denkbar, das Heizmaterial induktiv heizbar vorzusehen. Dabei könnte das Heizmaterial beispielsweise Kohlenstofffasern, Kohlenstoffnanopartikel oder Metallteilchen aufweisen. Diese können dann mittels einer Induktionsvorrichtung zum Freisetzen der gewünschten Heizleistung „drahtlos" angeregt werden.
Gemäß einer weiter bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Heizmaterial aus einem mit elektrischen Kontakten versehenen Kohlenstoffmaterial und/oder Glas ausgebildet. Ein derartiges Heizmaterial ist einfach verfügbar.
Das Heizmaterial, Kernverbundmaterial, Zwischenmaterial, weitere Zwischenmaterial und/oder Deckmaterial ist vorzugsweise als Schicht ausgebildet.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegende Figur näher erläutert.
Die Figur zeigt in einer Schnittansicht einen Verfahrenszustand bei der Herstellung einer Struktur 1 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Zunächst werden zwei Kernstrukturschichten 2 und 3 mit einem Abstand 4 zueinander gehalten, wobei sie einen Hohlraum 5 zwischen sich ausbilden (vorliegend als Hohlstruktur bezeichnet). Die Kernstrukturschichten 2 und 3 werden vorzugsweise aus einem Schaumstoff, insbesondere einem Hartschaumstoff, gebildet.
Alternativ zu der Hohlstruktur kann auch eine einzige Kernstrukturschicht verwendet werden (vorliegend als Vollstruktur bezeichnet), wobei dann der in der Figur mit dem Bezugszeichen 5 bezeichnete Hohlraum mit Kernstrukturmaterial ausgefüllt wäre. Alle Ausführungen hiernach gelten für die Vollstruktur entsprechend.
Die Kernstrukturschichten 2, 3 werden jeweils an ihrer voneinander abgewandten Seite 6 beziehungsweise 7 mit Heizschichten 8 beziehungsweise 9 versehen. Die Heizschichten 8 und 9 sind bevorzugt aus einem ohmschen Heizmaterial gebildet. Dabei kann es sich beispielsweise um Kohlenstofffasermaterial 9a handeln, welches mit Glas und einer Matrix 9b, insbesondere ein Epoxydharz, versetzt ist. Die Heizschichten 8, 9 weisen elektrische Anschlüsse 10 und 11 beziehungsweise 12 und 13 auf. Dabei sind die Anschlüsse 11 und 12 mittels eines elektrischen Leiters 14 direkt miteinander gekoppelt. An die Anschlüsse 10 und 13 wird eine Stromquelle 15 gekoppelt, welche dazu ausgebildet ist, einen Strom von dem Kontakt 10 durch die Heizschicht 8 (d. h. durch die Fasern 9a) durch den Kontakt 11, durch die Leitung 14, durch den Kontakt 12, durch die Heizschicht 9 und durch den Kontakt 13 wiederum zurück zur Stromquelle 15 zu schicken.
Zuvor oder anschließend werden beispielsweise im Pultrusionsverfahren hergestellte Verstärkungselemente 16, 17 und 18 (das Verstärkungselement 18 ist lediglich gestrichelt dargestellt, da es hinter dem in der Figur dargestellten Schnitt angeordnet ist) unter einem Winkel von beispielsweise 45° durch die Heizschicht 8, durch die Kernstrukturschicht 2, durch die Kernstrukturschicht 3 den Hohlraum 5 überbrückend und durch die Heizschicht 9 gestochen. Dadurch bilden sich – in der Figur dem besseren Verständnis halber übertrieben groß dargestellt – Ringräume 19, 20, 21 und 22 in den Kernstrukturschichten 2 und 3 sowie den Heizschichten 8, 9.
Die Verstärkungselemente 16, 17 und 18 sind länglich ausgebildet und weisen bevorzugt einen im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt auf. Die Verstärkungselemente 16, 17 und 18 sind mit einer derartigen Länge vorgesehen und derart bezüglich der Heizschichten 8, 9 und den Kernstrukturschichten 2, 3 angeordnet, dass sie jeweils bezüglich der Heizschichten 8, 9 überstehende Abschnitte 25, 26 beziehungsweise 27, 28 aufweisen (auf das Verstärkungselement 18 wird nachfolgend nicht näher eingegangen, da es für die Erläuterung der nachfolgenden Schritte nicht notwendig ist).
Vor dem Einstechen der Verstärkungselemente 16, 17 können noch Zwischenschichten 23, 24 auf die Heizschicht 8 beziehungsweise 9 aufgebracht werden. Die Zwischenschichten 23, 24 weisen vorzugsweise ein CFK-Prepreg-Material mit insbesondere im Vergleich zu dem Heizmaterial hoher Faserdichte auf. Das Verfahren soll dem besseren Verständnis halber im Folgenden jedoch ohne die Zwischenschichten 23 und 24 weiter erläutert werden (daher sind diese in der Figur auch lediglich gestrichelt dargestellt).
Anschließend besteht die Möglichkeit, weitere Zwischenschichten 29, 30 auf die jeweils einander zugewandten Seiten 31 beziehungsweise 32 der Kernstrukturschichten 2 beziehungsweise 3 aufzubringen. Bei den weiteren Zwischenschichten 29, 30 kann es sich insbesondere um Beschichtungen, beispielsweise aus Duroplast- oder Thermoplastmaterial, handeln. Diese Be schichtungen 29, 30 können einfach mittels einer Vorrichtung (nicht weiter dargestellt) aufgetragen werden, welche in den Hohlraum 5 hineinbewegt wird. Wie aus der Figur zu erkennen, grenzen Beschichtungen 29, 30 direkt an die Verstärkungselemente 16, 17 in Bereichen 33, 34 (beispielhaft nur für das Verstärkungselement 16 dargestellt) an.
Dem besseren Verständnis halber wurden die Verstärkungselemente 16 und 17 in verschiedenen Zuständen des Verfahrens dargestellt. Das Verstärkungselement 16 zeigt dabei den Zustand nach dem Einstechen in die Heizschichten 8, 9 sowie die Kernstrukturschichten 2, 3.
Wenigstens die überstehenden Abschnitte 25 ... 28 weisen, wie beispielhaft an dem Abschnitt 26 dargestellt, in Längsrichtung des Verstärkungselements 16 verlaufende Fasern 35, beispielsweise Kohlenstofffasern, welche in einer Matrix 36, beispielsweise einer Epoxydharzmatrix, gegetränkt sind, auf. Die Matrix 36 befindet sich beim Einstechen des Verstärkungselements 16 in einem wenigstens teilvernetzten Zustand mit beispielsweise einem Vernetzungsgrad von 60–80%, so dass das Verstärkungselement 16 eine ausreichende Steifigkeit besitzt.
Um nun die überstehenden Abschnitte 25, 26 des Verstärkungselements 16 in den für die überstehenden Abschnitte 27, 28 des Verstärkungselements 17 dargestellten Zustand falten zu können, wird die Stromquelle 15 aktiviert, so dass die Heizschichten 8 und 9 mit Strom durchflossen werden, wobei sie dann eine definierte Heizleistung abgeben.
Die Heizschichten 8 und 9 können dabei auch derart ausgestaltet sein, dass sie lediglich Heizleistung im Bereich der Verstärkungselemente 16, 17 abgeben.
Aufgrund der von den Heizschichten 8, 9 erzeugten Wärme erweicht die Matrix 35 in den überstehenden Abschnitten 25 und 26. Wird nun eine Kraft, beispielsweise mittels einer ledig lich schematisch angedeuteten Walze 37, auf die überstehenden Abschnitte 25, 26 aufgebracht, welche auf die Heizschicht 8 beziehungsweise 9 hingerichtet ist, so falten die überstehenden Abschnitte 25, 26 auf die Heizschicht 8 beziehungsweise 9 und kommen auf dieser im Wesentlichen parallel zu derselben zum Liegen, wie für das Verstärkungselement 17 dargestellt. Die überstehenden Abschnitte 25, 26 werden dabei um gedachte Drehpunkte 38 beziehungsweise 39 zu der Heizschicht 8 beziehungsweise 9 hin gefaltet. Die überstehenden Abschnitte 27, 28 hintergreifen dann die Heizschichten 8, 9 und damit auch die Kernstrukturschichten 2 beziehungsweise 3 für einen Formschluss im ausgehärteten Zustand der Verstärkungselemente 16, 17.
Vorzugsweise verklebt in dem umgefalteten Zustand der überstehenden Abschnitte 27, 28 deren Matrix 35 mit der Matrix 9b der Heizschichten 8, 9, welche ebenfalls aufgrund der erzeugten Wärme erweicht, oder – für den Fall, dass die Zwischenschichten 23 und 24 vorgesehen werden – mit deren Matrix.
Der Wärmeintrag in die überstehenden Abschnitte 25, 26 und das damit verbundene Erweichen derselben führt zu einer Erhöhung des Vernetzungsgrad in diesen. Beispielsweise kann sich hierdurch der Vernetzungsgrad von in etwa 60% beim Einstechen der Verstärkungselemente 16, 17 auf einen Vernetzungsgrad von in etwa 90% erhöhen.
Aufgrund der von den Heizschichten 8, 9 erzeugten Wärme läuft die Matrix 9b dann, wie mit dem Bezugszeichen 40a angedeutet, in den Ringraum 21 (nur für diesen beispielhaft näher erläutert) im Bereich der Seite 6 der Kernstrukturschicht 2 hinein und verschließet diesen feststoff- und/oder fluiddicht. Dieser Prozess wird dabei durch eine Kapillarwirkung in den Ringraum 21 hinein noch weiter unterstützt.
Auf der anderen Seite 31 der Kernstrukturschicht 2 beziehungsweise der anderen Seite 32 der Kernstrukturschicht 3 führt die von den Heizschichten 8 beziehungsweise 9 erzeugte Wärme dazu, dass die Beschichtung 29 beziehungsweise 30 ebenfalls wenigstens im Bereich angrenzend an das Verstärkungselement 17 (siehe Bereiche 33, 34 bei dem Verstärkungselement 16) höher vernetzt wird und dabei vorzugsweise derart erweicht, dass sie, wie beispielhaft mit dem Bezugszeichen 41 gekennzeichnet, in den Ringraum 21 von der Seite 31 her in diesen hineinläuft und diesen dann von der Seite 31 her feststoff- und/oder fluiddicht verschließt.
Sind alle überstehenden Abschnitte 25 bis 28 umgeklappt, so werden vorzugsweise Deckschichten 42, 43 auf die Heizschicht 8 beziehungsweise 9 oder – für den Fall, dass Zwischenschichten 23, 24 vorgesehen worden sind – auf diese aufgebracht. Die Deckschichten 42, 43 weisen Fasern 44, bevorzugt Kohlenstofffasern, welche in einer Matrix 45, insbesondere Epoxydharz, getränkt sind, auf. Dabei können die Deckschichten 42, 43 als Prepreg-Material bereitgestellt werden oder trocken auf den Heizschichten 8 beziehungsweise 9 (beziehungsweise den Zwischenschichten 23 beziehungsweise 24) angeordnet werden und beispielsweise im Infusionsverfahren mit der Matrix 45 getränkt werden. Die Möglichkeit der Bereitstellung als Prepreg-Material beziehungsweise die Möglichkeit der Anordnung des trockenen Fasermaterials und Einbringen der Matrix im angeordneten Zustand, besteht im Übrigen auch für die vorstehend beschriebenen Schichten 8, 9, 23, 24.
In einem weiteren Schritt wird die gesamte in der Figur dargestellten Anordnung, insbesondere die Matrizen 9b, 29, 30, 35, 45, durch erneutes Aktivieren der Stromquelle 15 über einen vorgegebenen Zeitraum ausgehärtet. Alternativ oder zusätzlich kann die gesamte in der Figur dargestellte Anordnung auch in einen Autoklaven oder Ofen eingebracht werden, um diese dort unter Druck und/oder Wärme auszuhärten.
Obwohl die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.
Insbesondere ist das vorstehende Verfahren nicht auf die Herstellung von Kernverbunden beschränkt.
Ergänzend wird darauf hingewiesen, dass „ein" oder „eine" keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, welche in Bezug auf ein Ausführungsbeispiel beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer beschriebener Ausführungsbeispiele beziehungsweise Weiterbildungen verwendet werden können.
Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Herstellen einer Struktur, insbesondere eines Kernverbunds im Luft- und Raumfahrtbereich, mit folgenden Schritten: Zunächst wird ein Heizmaterial auf einer Seite eines Kernstrukturmaterials aufgebracht. In einem weiteren Schritt wird ein Verstärkungselement in das Kernstrukturmaterial und das Heizmaterial derart eingebracht, dass sich das Verstärkungselement durch das Kernstrukturmaterial und das Heizmaterial hindurcherstreckt und einen über das Heizmaterial überstehenden Abschnitt aufweist. Hiernach wird das Heizmaterial zum wenigstens bereichsweise Erweichen des überstehenden Abschnitts aufgeheizt. Daraufhin wird der überstehende Abschnitt mit dem erweichten Bereich als Drehpunkt zum Hintergreifen des Kernstrukturmaterials zum Bilden der Struktur umgeformt. Dieses Verfahren zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass die überstehenden Abschnitte im Wesentlichen gleichzeitig – und nicht sequenziell wie im Stand der Technik – aufgeheizt werden können. Die sich hieraus ergebende Zeitersparnis wirkt sich wiederum positiv auf die Produktionskosten aus.

1: Struktur
2: Kernstrukturschicht
3: Kernstrukturschicht
4: Abstand
5: Hohlraum
6: Seite
7: Seite
8: Heizschicht
9: Heizschicht
9a: Fasern
9b: Matrix
10: Anschluss
11: Anschluss
12: Anschluss
13: Anschluss
14: Leiter
15: Stromquelle
16: Verstärkungselement
17: Verstärkungselement
18: Verstärkungselement
19: Ringraum
20: Ringraum
21: Ringraum
22: Ringraum
23: Zwischenschicht
24: Zwischenschicht
25: überstehender Abschnitt
26: überstehender Abschnitt
27: überstehender Abschnitt
28: überstehender Abschnitt
29: weitere Zwischenschicht
30: weitere Zwischenschicht
31: Seite
32: Seite
33: Bereich
34: Bereich
35: Fasern
36: Matrix
37: Walze
38: Drehpunkt
39: Drehpunkt
40: verflüssigte Matrix
41: verflüssigte Matrix
42: Deckschicht
43: Deckschicht
44: Fasern
45: Matrix

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Struktur (1), insbesondere eines Kernverbunds im Luft- und Raumfahrtbereich, mit folgenden Schritten: – Aufbringen eines Heizmaterials (8, 9) auf einer Seite (6, 7) eines Kernstrukturmaterials (2, 3); – Einbringen eines Verstärkungselements (16, 17, 18) in das Kernstrukturmaterial (2, 3) und das Heizmaterial (8, 9) derart, dass sich das Verstärkungselement (16, 17, 18) durch das Kernstrukturmaterial (2, 3) und das Heizmaterial (8, 9) hindurch erstreckt und einen über das Heizmaterial (8, 9) überstehenden Abschnitt (25 ... 28) aufweist; – Aufheizen des Heizmaterials (8, 9) zum wenigstens bereichsweise Erweichen des überstehenden Abschnitts (25 ... 28); und – Umformen des überstehenden Abschnitts (25 ... 28) mit dem erweichten Bereich als Drehpunkt (38, 39) zum Bilden der Struktur (1).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der überstehende Abschnitt (25 ... 28) derart umgeformt wird, dass er auf dem Heizmaterial (8, 9) oder auf einer auf diesem aufgebrachten Zwischenmaterial (23, 24) zum Liegen kommt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Deckmaterial (42, 43) auf das Heizmaterial (8, 9) oder das Zwischenmaterial (23, 24) samt dem auf diesem aufliegenden überstehenden Abschnitt (25 ... 28) des Verstärkungselements (16, 17, 18) aufgebracht wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizmaterial (8, 9), das Zwischenmaterial (23, 24) und/oder das Deckmaterial (42, 43) eine Matrix (9b) aufweist, welche mittels des Aufheizens des Heizmaterials (8, 9) fließfähig wird, wodurch die Matrix (9b) in einen Ringraum (19 ... 22) zwischen dem Verstärkungselement (16, 17, 18) und dem Kernstrukturmaterial (2, 3) fließt und diesen somit dicht verschließt.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der anderen Seite (31, 32) des Kernstrukturmaterials (2, 3) wenigstens im Bereich eines Ringraums (19 ... 22) zwischen dem Verstärkungselement (16, 17, 18) und dem Kernstrukturmaterial (2, 3) ein weiteres Zwischenmaterial (29, 30) aufgebracht wird, wobei eine Matrix (41) des Zwischenmaterials (29, 30) mittels Aufheizens des Heizmaterials (8, 9) fließfähig wird, wodurch die Matrix (41) in den Ringraum (19 ... 22) fließt und diesen somit dicht verschließt.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizmaterial (8, 9), das Zwischenmaterial (23, 24), das weitere Zwischenmaterial (29, 30), das Verstärkungselement (16, 17, 18) und/oder die Deckschicht (42, 43) eine Matrix (9b, 45) aufweist, welche mittels des Aufheizens des Heizmaterials (8, 9) ausgehärtet wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens der überstehende Abschnitt (25 ... 28) des Verstärkungselements (16, 17, 18) ein lediglich teilvernetztes Duroplastmaterial (36) und/oder ein Thermoplastmaterial und/oder Fasern (35) aufweist.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizmaterial (8, 9) als ohmsches Heizmaterial mit elektrischen Kontakten (10 ... 13) für ein Anschließen an eine Stromquelle (15) ausgebildet wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizmaterial (8, 9) aus einem Kohlenstoffmaterial und Glas ausgebildet wird.