AT503547A4

AT503547A4 - Aushärtewerkzeug

Info

Publication number: AT503547A4
Application number: AT0084306A
Authority: AT
Inventors: Friedrich Stoeger; Georg Tiefenthaler
Original assignee: Fischer Adv Components Gmbh
Priority date: 2006-05-16
Filing date: 2006-05-16
Publication date: 2007-11-15
Also published as: AT503547B1

Description

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Die Erfindung betrifft ein Aushärtewerkzeug für die Herstellung von Bauteilen aus faserverstärktem Kunststoffverbundwerkstoff mit einer der Gestalt des herzustellenden Bauteils entsprechenden Form.

Faserverstärkte Kunststoffverbundwerkstoffe werden insbesondere in der Flugzeugtechnik aus Gründen der Gewichtseinsparung eingesetzt. Aber auch in anderen Bereichen werden Bauteile aus faserverstärktem Kunststoffverbundwerkstoff als Ersatz üblicherweise verwendeter Metallteile eingesetzt. Die Herstellung derartiger Bauteile erfolgt durch Anordnung mehrerer Gewebelagen, meist aus Kohlenstoff- oder Glasfasern, welche mit speziellen Harzen getränkt sind. Diese sogenannten „Prepregs" (Pre-impregnated Fibers) werden entsprechend auf der Form angeordnet und danach die Form zusammen mit den darauf angeordneten Prepreg-Lagen beispielsweise in einem Autoklaven, einem Ofen oder einer Presse ausgehärtet. Durch die Aushärtung unter entsprechendem Druck und entsprechender Temperatur entstehen Bauteile aus faserverstärktem Kunststoffwerkstoff, die geringes Gewicht bei hoher Stabilität aufweisen.

Die Dimensionen von Bauteilen aus faserverstärkten Kunststoffverbundwerkstoffen sind, insbesondere für Passagierflugzeuge, relativ groß und betragen zum Teil mehrere Meter beziehungsweise Quadratmeter. Dementsprechend groß müssen auch die Aushärtewerkzeuge sein. Während der Wärmebehandlung beispielsweise im Autoklaven, bei üblicherweise 125-200°C, kommt es insbesondere bei großen Aushärtewerkzeugen zu beträchtlichen Ausdehnungen des Werkzeugs. Die Ausdehnungskoeffizienten bei Werkzeugen aus Stahl bzw. Aluminium sind besonders groß, weshalb diese für die Herstellung von Bauteilen großer Dimensionen nur bedingt geeignet sind. Dementsprechend müssen spezielle Werkstoffen mit besonders niedrigem Ausdehnungskoeffizienten verwendet werden. Metalle mit besonders niedrigem Ausdehnungskoeffizienten sind meist sehr teuer und darüber hinaus schwer zu bearbeiten. Andere Materialien mit niedrigem Ausdehnungskoeffizienten weisen wiederum die für große Bauteile notwendige Stabilität nicht auf und können deshalb nicht eingesetzt werden.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher in der ·· « • · · • · · ♦ · · 2

Schaffung eines oben genannten Aushärtewerkzeuges für die Herstellung von Bauteilen aus faserverstärktem Kunststoffverbundwerkstoff, welches die genannten Nachteile vermeidet bzw. reduziert. Dementsprechend soll das Aushärtewerkzeug einen möglichst geringen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, so dass die herstellungsbedingten Bauteiltoleranzen gering sind. Weiters soll das Aushärtewerkzeug insbesondere für die Herstellung besonders großer Bauteile geeignet sein und die erforderliche Stabilität aufweisen. Schließlich soll das Aushärtewerkzeug möglichst einfach und kostengünstig herstellbar sein. Weiters sollen mit dem gegenständlichen Aushärtewerkzeug möglichst genaue Bauteile herstellbar sein und die Wirkung des sogenannten „spring-back"- Effekts, das ist die Tendenz von Bauteilen aus faserverstärkten Kunststoffverbundwerkstoffen sich nach dem Aushärten zu verformen, möglichst gering gehalten bzw. einstellbar kompensiert werden.

Gelöst wird die erfindungsgemäße Aufgabe durch ein oben genanntes Aushärtewerkzeug, bei dem die Form aus einem Material mit geringer Wärmeausdehnung hergestellt ist und die Form über meh- . rere Element beweglich mit einem Unterbau aus Metall verbunden ist. Das erfindungsgemäße Aushärtewerkzeug besteht im Wesentlichen aus zwei Hauptbestandteilen, nämlich der Form und einem Unterbau. Die Form entspricht der Gestalt des herzustellenden Bauteils und ist aus einem Material mit geringer Wärmeausdehnung hergestellt. Dementsprechend dehnt sich die Form während des Aushärtevorgangs weniger aus und bewirkt somit geringere Bauteiltoleranzen. Der Unterbau hingegen, welcher in herkömmlicher Weise aus Metall hergestellt sein kann, verleiht dem Aushärtewerkzeug die erforderliche Stabilität. Durch die bewegliche Verbindung der Form mit dem Unterbau über mehrere Verbindungselemente kann die unterschiedliche Wärmeausdehnung der Form und des Unterbaus kompensiert werden. Ein derartiges Hybrid-Werkzeug eignet sich besonders für die Herstellung großer Bauteile aus faserverstärktem Kunststoffverbundwerkstoff, beispielsweise Triebwerksverkleidungen großer Flugzeuge, welche Dimensionen von mehreren Metern aufweisen. Durch die Trennung zwischen Form und Unterbau können auch kompliziertere und sehr maßhaltige Bauteile hergestellt werden, da die Form auf die speziellen Eigenschaften des Bauteils abgestimmt werden kann, ohne 3 dass der gesamte Unterbau verändert werden muss. Der Unterbau des Aushärtewerkzeuges muss keine besonderen Eigenschaften aufweisen, weshalb dieser auch aus billigeren Materialien mit höherem Wärmeausdehnungskoeffizient, beispielsweise aus Stahl, hergestellt werden kann.

Der geringe Wärmeausdehnungskoeffizient der Form wird insbesondere dadurch erreicht, dass diese aus faserverstärktem Kunststof fverbundwerkstoff hergestellt ist. Faserverstärkte Kunststoffverbundwerkstoffe eignen sich besonders für die Herstellung von Formen für Bauteile sehr komplexer dreidimensionaler Gestalt, da diese im Gegensatz zu Metallformen relativ leicht herstellbar sind. Darüber hinaus können die Wandstärken der Formen geringer ausfallen, wodurch die Zeiten für das Aufwärmen der Formen und somit die Durchlaufzeiten im Autoklaven verringert werden können. Zusätzlich ist es von Vorteil, dass die Form im Wesentlichen aus dem selben Material wie der herzustellende Bauteil besteht und dadurch keine Unterschiede im Ausdehnungskoeffizienten zwischen Form und Bauteil existieren. Dadurch kommt es während des Aushärtevorgangs zu keinen durch das Werkzeug bedingten Spannungen.

Die Form wird insbesondere aus Kohlenstofffaser-verstärktem Kunststoffverbundwerkstoff hergestellt. Kohlenstofffaser-verstärkte Kunststoffverbundwerkstoffe weisen besonders niedrigen Ausdehnungskoeffizienten auf und eignen sich aufgrund der resultierenden geringen Ausdehnung besonders für die Herstellung besonders großer Bauteile.

Ebenso kann die Form aus Glasfaser-verstärktem Kunststoffverbundwerkstof f hergestellt werden.

Bei der Herstellung der Form aus faserverstärktem Kunststoffverbundwerkstoff weist diese vorzugsweise eine mittlere Dicke von 3-10 mm, insbesondere 5-6 mm, auf. Diese Dicke der Form reicht für die Herstellung der Bauteile aus und reduziert somit das Gewicht der Form des Aushärtewerkzeuges. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass weniger Energie für die Erwärmung der Form im Autoklaven verwendet werden muss. ·· ·· • · • Φ Φ Φ Φ Φ 4 ····

Um einen Bezugspunkt zwischen Unterbau und Form zu erzeugen, ist zumindest ein Verbindungselement, vorzugsweise in der Mitte der Form, fix mit der Form und dem Unterbau verbunden. Dieses zumindest eine Verbindungselement bildet somit ein Festlager zwischen Form und Unterbau.

Die Verbindungselemente zwischen Form und Unterbau stehen vorzugsweise im Wesentlichen normal auf die Oberfläche der Form an der Stelle der Verbindung mit dem Verbindungselement. Dadurch wird erreicht, dass durch die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten zwischen Form und Unterbau die Verbindungselemente im Wesentlichen auf Zug bzw. Druck beansprucht werden.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung sind die Verbindungselemente zwischen Form und Unterbau in einem Abstand von 200-300 mm angeordnet. Dieser Raster hat sich in der Praxis als geeignet herausgestellt.

Abgesehen von zumindest einem allfälligen als Festlager ausgebildeten Verbindungselement sind die weiteren Verbindungselemente vorzugsweise als Loslager zur Aufnahme von Zug- und Druckkräften ausgebildet. Durch die entsprechende Anordnung bzw. Ausführung der Verbindungselemente, werden diese nicht auf Biegung beansprucht.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung sind die Verbindungselemente durch Gewindestangen gebildet. Durch eine derartige Ausbildung können die Verbindungselemente verstellt werden, wodurch allfällige Toleranzen der Bauteile ausgeglichen werden können. Darüber hinaus kann durch Verstellung der Verbindungselemente der erwähnte „spring-back" Effekt, gemäß dem sich Bauteile nach dem Aushärtevorgang verformen, kompensiert werden.

Wenn die Verbindungselemente am Unterbau verstellbar angeordnet sind, können ebenfalls maßhaltigere Bauteile hergestellt werden und Toleranzen ausgeglichen werden.

Um der Form die erforderliche Stabilität zu verleihen und dennoch die mittlere Dicke der Form gering halten zu können, ist vorgesehen, dass die Form an der dem herzustellenden Bauteil 5 ·♦ ···· • · · · • · · ··· • ♦ · ♦ • ♦ · · ·· ·· ··· abgewandten Seite Versteifungselemente, insbesondere Versteifungsrippen, aufweist. Diese Versteifungselemente werden an die Gestalt der verwendeten Form bzw des herzustellenden Bauteils entsprechend angepasst.

Die Versteifungselemente eignen sich besonders für die Anordnung von Buchsen zur Aufnahme von Lagern zur Lagerung der Verbindungselemente. Diese Lager können beispielsweise durch entsprechende Lagerbüchsen in den Versteifungselementen der Form realisiert werden.

Da an den Unterbau des gegenständlichen Aushärtewerkzeuges keine besonderen Voraussetzungen gestellt werden, kann dieser relativ billig aus Stahl gebildet werden. Darüber hinaus lässt sich der Unterbau aus Stahl auch relativ einfach bearbeiten.

Darüber hinaus kann natürlich der Unterbau auch aus anderen Materialien mit niedrigerem Ausdehnungskoeffizienten, insbesonders aus einer Eisen-Nickel-Legierung, zum Beispiel aus Invar, Perni-fer oder dgl., gebildet werden. Eisen-Nickel-Legierungen werden insbesondere dort eingesetzt, wo Wert auf Längenstabilität bei Temperaturschwankungen gelegt wird.

Schließlich kann der Unterbau auch aus Aluminium oder einer Aluminium-Legierung gebildet sein, wodurch das gesamte Gewicht des Aushärtewerkzeuges reduziert werden kann.

Wenn der Unterbau durch einen entsprechend stabilen Rahmen gebildet wird, kann dieser ohne Einbußen an Stabilität relativ leicht und klein ausgeführt werden. Dabei übernimmt der Rahmen im Wesentlichen lediglich die Aufgabe des Transports des Aushärtewerkzeugs in den und aus dem Autoklaven. Die Verbindung zwischen Rahmen und Form geschieht im einfachsten Fall über Verbindungselemente, welche durch Gewindestangen gebildet sind. Dabei eignen sich entsprechende Profile, wie zum Beispiel Hohlprofile, für die Anfertigung des Unterbaus besonders.

Um das Aushärtewerkzeug möglichst einfach in den Autoklaven und wieder aus diesem heraus transportieren zu können, weist der Unterbau vorzugsweise abnehmbare Rollen und bzw. oder Öffnungen «· ·· *»·♦ ···· • · · • ♦ · • ♦ · • · • ··· 6

zur Aufnahme der Gabeln eines Gabelstaplers und bzw. oder Einrichtungen zum Befestigen einer Hebeeinrichtung auf.

Die vorliegende Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen, welche Ausführungsbeispiele eines Aushärtewerkzeuges zeigen, näher erläutert. Darin zeigen: Fig. 1 ein Aushärtewerkzeug für die Herstellung einer äußeren Verkleidung eines Flugzeugtriebwerkes; Fig. 2 ein Verbindungselement für die bewegliche Verbindung zwischen Form und Unterbau; Fig. 3 und 4 das Verbindungselement in Seiten- und Draufsicht.

Fig. 1 zeigt eine Ansicht auf ein erfindungsgemäßes Aushärtewerkzeug 1 für die Herstellung der äußeren Verkleidung eines Triebwerks für ein Langstrecken-Flugzeug. Dieses Aushärtewerkzeug 1 weist eine Länge von über 4 m, eine Breite von nahezu 3 m, und eine Höhe von über 2 m auf. Aufgrund dieser großen Dimensionen wirken sich Wärmeausdehnungen im Autoklaven bei üblicherweise 177°C besonders aus. Erfindungsgemäß besteht das Aushärtewerkzeug 1 aus einer der Gestalt des herzustellenden Bauteils entsprechenden Form 2 bzw. Schale und einem Unterbau 3, wobei die Form 2 über mehrere Elemente 4 beweglich mit dem Unterbau 3 verbunden ist. Die Form 2 ist vorzugsweise aus faserverstärktem Kunststoffverbundwerkstoff hergestellt und wird entsprechend der Gestalt des herzustellenden Bauteils angeordnet. Im dargestellten Beispiel ist die Form 2 entsprechend der halbschalenförmigen Triebwerksverkleidung ausgebildet. Bei der Herstellung der Form 2 aus faserverstärktem Kunststoffverbundwerkstoff, weist diese eine mittlere Dicke von 3-10 mm, insbesondere 5-6 mm, auf. Aufgrund des relativ geringen Volumens sowie hohen Wärmeleitfähigkeit der Form 2 wird relativ wenig Energie zum Aufwärmen des Werkzeugs im Autoklaven verbraucht.

Die Verbindungselemente 4 sind vorzugsweise normal auf die Fläche der Form 2 orientiert. Die Verbindungselemente 4 sind im Raster von etwa 200-300 mm angeordnet. In der Mitte der Form 2 ist ein Verbindungselement 4 als Festlager fix mit der Form 2 und dem Unterbau 3 verbunden. Die übrigen Verbindungselemente 4 sind als Loslager zur Aufnahme von Zug- und Druckkräften ausgebildet. Wie in Fig. 2, 3 und 4 besser dargestellt, sind die Verbindungselemente 4 vorzugsweise verstellbar ausgebildet. Dadurch kann eine Korrektur der Bauteiltoleranzen vorgenommen werden. • · · • · · • t · «·*· • ♦ • ♦♦♦ » · ♦ 7

Zusätzlich kann durch entsprechendes Verstellen bzw. Nachstellen der Verbindungselemente 4 der bereits erwähnte „spring-back"-Effekt verringert bzw. kompensiert werden. Bauteile aus faserverstärktem Kunststoffverbundwerkstoff tendieren nämlich dazu sich nach dem Aushärten im Autoklaven zu verformen. Durch entsprechende Veränderung der Form 2 kann erreicht werden, dass der Bauteil nach dem Aushärtevorgang und nach der Verformung entsprechend dem „spring-back"-Effekt dem gewünschten Bauteil möglichst genau entspricht.

Der Unterbau 3 des Aushärtewerkzeuges 1 ist aus Metall hergestellt, um dem Aushärtewerkzeug 1 die notwendige Stabilität zu verleihen. Dabei eignet sich Stahl, eine Eisen-Nickel-Legierung oder Aluminium besonders. Um eine Bewegung des Aushärtewerkzeuges 1 zu ermöglichen bzw. zu erleichtern, können Rollen 5 am Unterbau 3 angeordnet sein. Darüber hinaus können Öffnungen 6 zur Aufnahme der Gabeln eines Gabelstaplers sowie Einrichtungen 7 zum Befestigen einer Hebeeinrichtung, wie z.B. des Seiles eines Krans, angeordnet sein.

Fig. 2 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines Verbindungselements 4, bestehend aus einer Gewindestange 8, welche in einen Gabelkopf 9 übergeht, über welchen das Verbindungselement mit der Form 2 verbunden ist. Die Form 2 weist Versteifungselemente 10 zur Aufnahme eines entsprechenden Lagers 12 in einer Buchse 11 auf. Mittels eines Bolzens 14, der durch den Gabelkopf 9 des Verbindungselements 4 und das Lager 12 gesteckt wird, kann die Verbindung zwischen der Form 2 und dem Unterbau 3 hergestellt werden.

Wie aus den Fig. 3 und 4 besser ersichtlich, kann das Verbindungselement 4 verstellbar mit dem Unterbau 3 verbunden sein. Die Verstellung kann beispielsweise in 2 Dimensionen, welche durch die Pfeile X und Y gekennzeichnet sind, erfolgen. Durch entsprechende Muttern 13 können die Verbindungen der Gewindestange 8 mit der Form 2 und dem Unterbau 3 gelöst und das Verbindungselemente 4 in der Länge in Richtung des Pfeiles Z verstellt werden. Dadurch können Toleranzen des Bauteils ausgeglichen und der „spring-back"- Effekt kompensiert werden.

Die Abbildungen zeigen lediglich ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Aushärtewerkzeug 1 muss jeweils an die Gestalt des herzustellenden Bauteils entsprechend angepasst werden.

Claims

·· ···· Ψ · · l · ··· 9 Patentansprüche: 1. Aushärtewerkzeug (1) für die Herstellung von Bauteilen aus faserverstärktem Kunststoffverbundwerkstoff, mit einer der Gestalt des herzustellenden Bauteils entsprechenden Form (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Form (2) aus einem Material mit geringer Wärmeausdehnung hergestellt ist, und die Form (2) über mehrere Elemente (4) beweglich mit einem Unterbau (3) aus Metall verbunden ist.
2. Aushärtewerkzeug (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Form (2) aus faserverstärktem Kunststoffverbundwerkstoff hergestellt ist.
3. Aushärtewerkzeug (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Form (2) aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoffverbundwerkstoff hergestellt ist.
4. Aushärtewerkzeug (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Form (2) aus glasfaserverstärktem KunstStoffverbundwerkstoff hergestellt ist.
5. Aushärtewerkzeug (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Form (2) aus faserverstärktem Kunststoffverbundwerkstoff eine mittlere Dicke (d) von 3 bis 10 mm, insbesondere 5 bis 6 mm aufweist.
6. Aushärtewerkzeug (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Verbindungselement (4), vorzugsweise in der Mitte der Form (2), fix mit der Form (2) und dem Unterbau (3) verbunden ist.
7. Aushärtewerkzeug (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungselemente (4) im Wesentlichen normal auf die Oberfläche der Form (2) an der Stelle der Verbindung mit dem Verbindungselement (4) orientiert sind.
8. Aushärtewerkzeug (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungselemente (4) in einem ···# l ·# ···· • · · · • · · ··· • · · * 10 Abstand von 200 bis 300 mm angeordnet sind.
9. Aushärtewerkzeug (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungselemente (4) als Loslager zur Aufnahme von Zug- und Druckkräften ausgebildet sind.
10. Aushärtewerkzeug (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungselemente (4) durch Gewindestangen (8) gebildet sind.
11. Aushärtewerkzeug (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungselemente (4) am Unterbau (3) verstellbar angeordnet sind.
12. Aushärtewerkzeug (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Form (2) an der dem herzustellenden Bauteil abgewandten Seite Versteifungselemente (10), insbesondere Versteifungsrippen, aufweist.
13. Aushärtewerkzeug (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass an den Versteifungselementen (10) Buchsen (11) zur Aufnahme von Lagern (12) zur Lagerung der Verbindungselemente (4) angeordnet sind.
14. Aushärtewerkzeug (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterbau (3) aus Stahl gebildet ist.
15. Aushärtewerkzeug (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterbau (3) aus einer Eisen-Ni-ckel-Legierung gebildet ist.
16. Aushärtewerkzeug (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterbau (3) aus Aluminium oder einer Aluminium-Legierung gebildet ist.
17. Aushärtewerkzeug (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterbau (3) durch einen Rahmen gebildet ist. ·· • · • · • · ···· • · • ··· • · 11
18. Aushärtewerkzeug (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterbau (3) vorzugsweise abnehmbare Rollen (5) aufweist.
19. Aushärtewerkzeug (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterbau (3) Öffnungen (6) zur Aufnahme der gabeln eines Gabelstaplers aufweist.
20. Aushärtewerkzeug (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterbau (3) Einrichtungen (7) zum Befestigen einer Hebeeinrichtung aufweist. GH/cf