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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung, eine Anordnung und ein Verfahren
zum Herstellen eines Bauteils.
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Beim
sogenannten „Resin
Transfer Molding"-Verfahren
(RTM-Verfahren) werden komplexe Faserverbundkunststoffe mit hohem
Faservolumengehalt durch das Tränken
von trockenen Faserhalbzeugen mit Harz generiert. Das RTM-Verfahren,
auch Harzinjektionsverfahren genannt, ist ein geschlossener Prozess,
der enge Fertigungstoleranzen bezüglich Bauteilgewicht, Faservolumengehalt
und Bauteilmaßen
gestattet. In der verfahrenstechnischen Umsetzung wird ein trockenes
Faserhalbzeug in ein zweigeteiltes beheiztes Werkzeug gelegt und
durch ein Harz niedriger Viskosität mit Überdruck in Wirkkontakt gebracht.
Dabei durchströmt
das Harz die Faserlagen und kann, nachdem es die Fasern durchtränkt hat,
an Entlüftungsöffnungen
austreten.
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Für das RTM-Verfahren
kann eine untere Form mit Fasermatten und ggf. Zusatzteilen (zum Beispiel
Schaumkerne) ausgelegt werden. Nach Verschließen der unteren Form mit einer
oberen Form werden die geschlossenen Formen unter Vakuum gesetzt
und das Harz mittels einer Pumpe eingespritzt. Durch Erhitzen wird
dann ein Kompositbauteil erzeugt, das nach dem Öffnen der Form aus der Form
entnommen wird.
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Mit
dem RTM-Verfahren erzeugte Faserverbundkunststoffe können in
zahlreichen Branchen wie dem Fahrzeugbau oder der Luft- und Raumfahrtindustrie
für Strukturbauteile
eingesetzt werden. Beispiele für
faserverstärkte
Kunststofferzeugnisse umfassen Beschläge für ein Seitenleitwerk eines
Flugzeugs, Verkleidungselemente von Pkws oder Hochdächer und
Windleitsysteme von Lkws.
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Mit
dem RTM-Verfahren können
somit Kompositteile hergestellt werden. Je nach Werkzeuggestaltung
und Materialwahl ist eine Endmaßfertigung möglich.
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Es
gibt unterschiedliche Prozessvarianten des RTM-Verfahrens. Bei einem
Harzinjektionsverfahren werden Strukturbauteile aus faserverstärktem Kunststoff
erzeugt, indem trockene Faserhalbzeuge in eine formgebende Kavität eingelegt
werden, diese sodann geschlossen und das flüssige Harz injiziert wird.
Aus der geschlossenen Formgebung resultieren allseitig definierte
Form- und Lagetoleranzen des Bauteils. Unter geschlossener Formgebung
wird eine feste (zum Beispiel metallische) Kavität aus mindestens zwei Formhälften verstanden,
die als Ober- und Unterkavität
bezeichnet werden können.
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Bei
bekannten Vorrichtungen zum Herstellen eines Bauteils mit dem RTM-Verfahren
tritt das Problem auf, dass das Werkzeug beim Abkühlen auf
das Bauteil aufschrumpfen kann. Ein beschädigungsfreies Entformen des
Bauteils ist nur durch die Verwendung von umlaufenden Einsätzen (Kerne
und Keile) möglich,
die zwischen Wanne und Deckel einerseits und Material zum Herstellen
des Bauteils andererseits eingelegt werden. Nach dem Herstellungsverfahren
muss das Werkzeug nebst Einsätzen
aufwendig von Harzresten gereinigt werden. Dabei verschleißen sowohl
das Werkzeug als auch die Einsätze
erheblich. Als Folge dieses Verschleißes sinkt die erzeugte Bauteilqualität in Bezug
auf Maßhaltigkeit, Oberflächenqualität und Randstruktur.
Eine Folge ist eine hohe Ausschussproduktion.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, das Herstellen eines Bauteils mit
geringerem Aufwand zu ermöglichen.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zum Herstellen eines Bauteils,
durch eine Anordnung zum Herstellen eines Bauteils und durch ein
Verfahren zum Herstellen eines Bauteils mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst.
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Gemäß einem
exemplarischen Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist eine Vorrichtung zum Herstellen eines Bauteils
bereitgestellt, die eine Wanne aufweist, in die Ausgangsmaterial
zum Herstellen des Bauteils einbringbar ist. Ferner enthält die Vorrichtung
einen Deckel, der auf die Wanne derart aufsetzbar ist, dass Ausgangsmaterial
zum Herstellen des Bauteils zwischen der Wanne und dem Deckel einschließbar ist.
Eine Heizeinrichtung ist zum Herstellen des Bauteils mittels Heizens
von zwischen der Wanne und dem Deckel einschließbarem Ausgangsmaterial vorgesehen.
Die Wanne ist aus einem Material mit einem Ausdehnungskoeffizienten
hergestellt, der im Wesentlichen gleich einem Ausdehnungskoeffizienten
von Ausgangsmaterial zum Herstellen des Bauteils ist.
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Gemäß einem
anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist eine Anordnung zum Herstellen eines Bauteils geschaffen,
die eine Vorrichtung mit den oben beschriebenen Merkmalen sowie
Ausgangsmaterial zum Herstellen des Bauteils aufweist, das in die
Wanne der Vorrichtung einbringbar ist oder zumindest teilweise in
die Wanne eingebracht ist.
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Gemäß einem
anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils geschaffen,
wobei bei dem Verfahren Ausgangsmaterial zum Herstellen des Bauteils
in eine Wanne eingebracht wird, ein Deckel auf die Wanne derart
aufgesetzt wird, dass das Ausgangsmaterial zum Herstellen eines
Bauteils zwischen der Wanne und dem Deckel eingeschlossen wird,
und das zwischen der Wanne und dem Deckel eingeschlossene Ausgangsmaterial
erhitzt wird, womit das Bauteil hergestellt wird. Die Wanne kann
aus einem Material mit einem Ausdehnungskoeffizienten hergestellt
sein, der im Wesentlichen gleich einem Ausdehnungskoeffizienten
des Ausgangsmaterials zum Herstellen des Bauteils ist.
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Unter „Ausdehnungskoeffizient" wird im Rahmen dieser
Anmeldung der lineare Ausdehnungskoeffizient α verstanden, der die Ausdehnung
eines Körpers
unter dem Einfluss einer Temperaturänderung beschreibt und die
Dimension K-1 hat.
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Der
Ausdehnungskoeffizient der Wanne sollte im Wesentlichen gleich dem
Ausdehnungskoeffizient des Materials zum Herstellen des Bauteils
sein, und zwar vorzugsweise im gesamten Temperaturbereich des Verarbeitungsverfahrens,
d.h. insbesondere im Bereich zwischen 20°C und 200°C.
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Unter
den Begriff „im
Wesentlichen gleicher Ausdehnungskoeffizient" fällt
im Rahmen dieser Anmeldung auch ein Ausdehnungskoeffizient der Wanne
und/oder des Deckels, der geringfügig (zum Beispiel wenige Prozent)
von dem Ausdehnungskoeffizienten des Ausgangsmaterials zum Herstellen
des Bauteils abweicht, insbesondere ein Ausdehnungskoeffizient der
Wanne und/oder des Deckels, der geringfügig kleiner als der Ausdehnungskoeffizient
des Ausgangsmaterials zum Herstellen des Bauteils.
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Ein
Aspekt der Erfindung ist darin zu sehen, dass zumindest ein Teil
eines Werkzeugs zum Herstellen eines Bauteils aus einem Material
vorgesehen wird, das einen ähnlichen
Ausdehnungskoeffizienten wie Material des herzustellenden Bauteils
hat. Wenn dann während
des Herstellungsverfahrens das Ausgangsmaterial gemeinsam mit diesem
Teil des Werkzeugs (Wanne und/oder Deckel) erhitzt wird, kann nach
dem Abkühlen
des ausgehärteten
Bauteils aufgrund der erfindungsgemäß ausgewählten Ausdehnungskoeffizienten
von Werkzeug und Bauteilmaterial ein unerwünschtes Aufschrumpfen des Bauteils
an dem Werkzeug sicher vermieden werden. Dies führt dazu, dass das Bauteil
aus der abgekühlten
Vorrichtung ohne Zuhilfenahme aufwendiger Hilfsmittel entnehmbar
ist und an dem Werkzeug im Wesentlichen nicht anhaftet. Dadurch
ist das Auftreten mechanischer Spannungen zwischen dem Werkzeug
und dem Bauteil vermieden. Ferner ist zusätzlich der Verschleiß des Werkzeuges
stark herabgesetzt, was eine erhöhte
Lebensdauer des Werkzeugs zur Folge hat. Ferner ist ein aufwendiger
Reinigungsprozess entbehrlich. Zusätzliche Einlagen zwischen dem Bauteil
und der Wanne/dem Deckel sind entbehrlich. Das erfindungsgemäße Verfahren
zum Herstellen eines Bauteils ist somit automatisiert, vereinfacht
und hinsichtlich Reinigungsaufwand und Verschleiß erheblich verbessert.
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Das
Verfahren und die Vorrichtung der Erfindung können vorteilhaft im Rahmen
eines RTM-Verfahrens
(„Resin
Transfer Molding",
Harzinjektionsverfahren) eingesetzt werden. Erfindungsgemäß können Kompositteile,
zum Beispiel aus glasfaserverstärktem
Kunststoff (GFK) oder aus kohlefaserverstärktem Kunststoff (CFK), in
einem Werkzeug aus einer Nickel-Stahl-Legierung mit ausreichend
geringem Nickelanteil gefertigt werden kann.
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Bei
einem entsprechenden Herstellungsverfahren wird zum Beispiel eine
Fasermatte als Halbzeug zwischen Deckel und Wanne eingelegt. Der
Bereich zwischen Deckel und Wanne kann dann fest verschlossen, erhitzt
und unter Vakuum gesetzt werden. Es kann ein zusätzliches flüssiges Ausgangsmaterial (zum
Beispiel Epoxidharz RTM6) durch Injektionslöcher in die Wanne eingespritzt
werden. Bei Erhitzen auf eine Aushärtungstemperatur von zum Beispiel
ungefähr
180 °C (allgemein
auf eine Temperatur in einem Temperaturbereich von vorzugsweise zwischen
150 °C und
200 °C)
härten
die Ausgangsmaterialien zum Bilden des Bauteils aus. Nach Abkühlung von
Vorrichtung und Bauteil kann nach Abnahme des Deckels das Bauteil
leicht aus der Wanne herausgenommen werden, da aufgrund des erfindungsgemäßen Anpassens
der Ausdehnungskoeffizienten von Wannenmaterial und Bauteilmaterial
aufeinander ein unerwünschtes
Aufschrumpfen des Bauteils auf die Wanne vermieden werden kann.
So kann zum Beispiel per Hand oder mit einem einfachen Vakuumsauger
das Bauteil zerstörungsfrei
und mit geringem Kraftaufwand aus der Wanne herausgenommen werden,
ohne dass Komponenten des Ausgangsmaterials an der Wanne oder dem
Deckel anhaften bleiben. Dadurch ist der Reinigungsaufwand der Vorrichtung
signifikant herabgesetzt.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist ein zweiteiliges Werkzeug ohne Einsätze zur
Fertigung von ebenen Kompositteilen unter Verwendung eines RTM-Verfahrens
(Resin Transfer Molding) geschaffen. Somit können Kompositbauteile, zum
Beispiel aus glasfaserverstärktem
Kunststoff (GFK) oder aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK), einfach
und effizient hergestellt werden. Zum Beispiel können erfindungsgemäß Bauteile
hergestellt werden, die in einem Luftfahrzeug (wie zum Beispiel
einem Passagierflugzeug) Anwendung finden können, zum Beispiel für Beschläge. Ein
anderer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass bei Verwendung
des erfindungsgemäßen Werkzeugs
die Entnahme des Bauteils aus dem geöffneten Werkzeug problemlos
möglich
ist, zum Beispiel mit Hilfe eines einfachen Vakuumsaugers.
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Zum
Beispiel durch Verwendung einer Nickel-33-Kobalt-Stahl-Legierung
(das heißt
einer Legierung mit 33% Gewichtsanteil Nickel) als Werkzeugmaterial
für die
Wanne und ggf. für
den Deckel ist es möglich,
das Werkzeug ohne Einsätze
zu gestalten, zum Beispiel für
ebene Beschläge.
Die Injektion des Harzes und das Absaugen des Harzes kann zum Beispiel
in dem unteren formgebenden Teil der Vorrichtung (Wanne) zum Herstellen
eines Bauteils integriert werden. Der obere formgebende Teil der Vorrichtung
(Deckel) kann ebenfalls aus einem solchen Material hergestellt sein.
Der Ausdehnungskoeffizient von Nickel-33-Kobalt-Stahl ist derart,
dass sich ein CFK Bauteil beim Abkühlen nach dem Injektions- und
Aushärteprozess
von dem Werkzeug von selbst freischrumpft. Nach dem Abheben des
Oberteils kann das Kompositbauteil mit Hilfe eines einfachen Vakuumsaugers
ohne weiteren Kraftaufwand entnommen werden.
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Die
Vorrichtung gemäß der Erfindung
kann nach dem Prozess einfach gereinigt werden. Denn bei dem erfindungsgemäßen Werkzeug
bilden sich keine Hohlräume
für Harzanhaftungen
zwischen den Einsätzen
, da keine Einsätze
notwendig sind, und es sind geringe Spaltmaße zwischen Oberteil und Unterteil
möglich.
Somit ist erfindungsgemäß die Gefahr von
mechanischen Beschädigungen
der Vorrichtung beim Entformen sicher vermieden. Ein- und Austrittskanäle (für Harz)
in Düsen,
die zum Beispiel in dem Unterteil oder der Wanne vorgesehen sein
können, sind
so gestaltet, dass sie durch Ausschlagen von Harzresten von außen nach
innen gesäubert
werden können.
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Erfindungsgemäß hergestellte
Bauteile sind auch im Randbereich sauber, maßgenau und von Harzanreicherungen
frei. Dadurch ist erfindungsgemäß die Werkzeugstandzeit
und die Bauteilqualität erhöht, sowie
die Zeiten und der Aufwand zum Aufrüsten, Entformen und Reinigen
erheblich reduziert. Ein anderer Vorteil der Erfindung ist darin
zu sehen, dass die erfindungsgemäße Technologie
mit geringem Aufwand automatisierungsfähig ist.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
eignet sich zum Beispiel zum Herstellen von Kompositbauelementen
für Flugzeuge,
zum Beispiel für
ein Seitenleitwerk. Als Ausgangsmaterial zum Herstellen eines solchen
Bauteils kann zum Beispiel eine Kohlenfasermatte verwendet werden,
die bereits mit einer bestimmten Menge Harz vorgetränkt sein
kann (zum Beispiel 5 Gewichtsprozent). Nach Einlegen der Kohlenfasermatte
zwischen Wanne und Deckel kann dann durch eine Injektionseinrichtung
vor oder während
des Aushärtverfahrens
zusätzliches
Harzmaterial eingebracht werden, das sich mit dem Material der Kohlenfasermatte
vermischt, um nach Erhitzen das Bauelement zu bilden. Die hierfür injizierte
Harzmenge kann zum Beispiel bei 40% Gewichtsanteil liegen, wobei
darin auch die Harzmenge aufgrund der Vortränkung der Kohlenfasermatte
enthalten ist.
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Als
Material für
die Wanne, und gegebenenfalls auch als Material für den Deckel,
kann zum Beispiel eine Legierung verwendet werden, die 33 Gewichtsprozent
Nickel, 4 Gewichtsprozent Kobalt, gegebenenfalls zusätzliche
Materialen in geringen Mengen (zum Beispiel weniger als 0,01 Gewichtsprozent
Kohlenstoff, weniger als 0,5 Gewichtsprozent Mangan und weniger
als 0,4 Gewichtsprozent Silizium) aufweist, wobei der verbleibende
Rest Stahl ist. Zum Beispiel kann eine Legierung aus Stahl und Nickel
verwendet werden, wobei der Nickelanteil unterhalb von 36 Gewichtsprozent
liegen kann, zum Beispiel zwischen ungefähr 30 und ungefähr 35 Gewichtsprozent.
Optional kann eine geringe Menge Kobalt zugeführt werden, zum Beispiel zwischen
1 und 7 Gewichtsprozent.
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Vorteilhaft
kann der thermische Ausdehnungskoeffizient der Wanne (und gegebenenfalls auch
des Deckels) bei der Aushärtungstemperatur von
typischerweise 180 °C ähnlich zu
dem Ausdehnungskoeffizient von Material zum Herstellen des Bauteils
sein (zum Beispiel CFK, das heißt
kohlenfaserverstärkter
Kunststoff).
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CFK
hat einen Ausdehnungskoeffizienten von ungefähr 1.1·10-6 K-1 bis 1.2·10-6 K-1. Vorteilhaft kann das Material der Wanne
(und gegebenenfalls des Deckels) einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten
in einem Bereich zwischen 1.1·10-6 K-1 und 1.2·10-6 K-1, vorzugsweise
zwischen 1.0·10-6 K-1 und 1.3·10-6 K-1, aufweisen.
Ein anderer geeigneter Bereich des Ausdehnungskoeffizienten der
Wanne (und gegebenenfalls des Deckels) liegt zwischen 0.8·10-6 K-1 und 1.8·10-6 K-1 bei Aushärtungstemperatur.
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Wird
zum Beispiel die oben beschriebene Nickel-33-Kobalt-Stahl-Legierung
verwendet, so hat diese bei Aushärtungstemperatur
zum Beispiel einen Ausdehnungskoeffizienten von 1.5·10-6 K-1. Geeignete
Materialien für
die Wanne (und gegebenenfalls für den
Deckel) sind Pernifer-33Co, Superinvar oder Invar. Invar ist eine
Eisen-Nickel-Legierung mit einem extrem niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten
im Bereich der Raumtemperatur (etwa 10% des Koeffizienten von Stahl).
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Exemplarische
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Im
Weiteren werden Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zum Herstellen eines Bauteils beschrieben. Diese Ausgestaltungen
gelten auch für
die Anordnung und für
das Verfahren zum Herstellen eines Bauteils.
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Die
Vorrichtung kann eine Injektionseinrichtung zum Einbringen von Ausgangsmaterial
zum Herstellen des Bauteils zwischen der Wanne und dem Deckel in
einem Zustand aufweisen, indem der Deckel auf die Wanne aufgesetzt
ist. Im Rahmen eines RTM-Verfahrens wird zum Beispiel ein Halbzeug zwischen
Wanne und Deckel eingesetzt und nachfolgend ein flüssiges Material
durch Injektionsdüsen
im Deckel oder in der Wanne injiziert, um bei einer hohen Verarbeitungstemperatur
das Bilden eines Bauteils aus der festen Ausgangsmaterial und dem
flüssigen
Ausgangsmaterial zu erzielen.
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Die
Injektionseinrichtung kann in der Wanne vorgesehen (zum Beispiel
integriert) sein. Alternativ kann die Injektionsvorrichtung auch
in dem Deckel oder in Wanne und Deckel vorgesehen sein. Durch die
Injektionseinrichtung kann Ausgangsmaterial in den Bereich zwischen
Deckel und Wanne eingebracht werden, selbst in einem Betriebszustand,
in dem Deckel und Wanne fest verschlossen sind, sodass der Bereich
dazwischen abgedichtet ist.
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Der
Deckel der Vorrichtung kann aus einem Material mit einem Ausdehnungskoeffizienten
hergestellt sein, der größer oder
gleich dem Ausdehnungskoeffizienten des Materials der Wanne ist.
Während Wanne
und Ausgangsmaterial in etwa gleiche Ausdehnungskoeffizienten aufweisen
sollen, um ein Aufschrumpfen des abkühlenden Bauteils an der Wanne nach
Fertigstellung zu vermeiden, kann es vorteilhaft sein, den Deckel
aus einem Material mit einem leicht erhöhten Ausdehnungskoeffizienten
vorzusehen. Dies kann dazu führen,
dass nach dem Abkühlen
ein Abnehmen des Deckels einfacher möglich ist.
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Insbesondere
kann bei der Vorrichtung die Wanne und/oder der Deckel aus einem
Material mit einem Ausdehnungskoeffizienten hergestellt sein, dass
sich ein hergestelltes Bauteil von der Wanne und/oder von dem Deckel
freischrumpft. Mit anderen Worten können die Materialien so gewählt werden, dass
sich das fertiggestellte Bauteil nach Abkühlung automatisch von Deckel
bzw. Wanne löst.
Hierfür kann
der Ausdehnungskoeffizient der Materialien entsprechend eingestellt
werden. Es ist auch möglich,
das Material des Bauteils identisch zu dem Material von Wanne bzw.
Deckel zu wählen,
weil dadurch automatisch sichergestellt ist, dass sich die Ausdehnungskoeffizienten
von Werkzeug und Bauteil nicht signifikant unterscheiden, so dass
ein unerwünschtes
Aufschrumpfen beim Abkühlen
vermieden ist.
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Die
Wanne und/oder der Deckel können
aus einem Material mit einem Ausdehnungskoeffizienten hergestellt
sein, der von einem Ausdehnungskoeffizienten von Ausgangsmaterial
zum Herstellen des Bauteils weniger als 25%, vorzugsweise weniger
als 10%, weiter vorzugsweise weniger als 5%, abweicht. Dadurch kann
ein im Wesentlichen kraftloses Ablösen der fertiggestellten Bauteils
aus dem Werkzeug ermöglicht
werden.
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Die
Wanne und/oder der Deckel können
aus Material mit einem Ausdehnungskoeffizienten von zwischen 1.0·10-6 K-1 und 1.3·10-6 K-1, vorzugsweise zwischen
1.1·10-6 K-1 und 1.2·10-6 K-1, hergestellt sein.
Diese Ausdehnungskoeffizienten sind insbesondere vorteilhaft beim
Herstellen eines Bauteils aus CFK-Material, das heißt aus einem
kohlefaserverstärkten
Kunststoff.
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Der
Deckel kann aus einem Material mit einem Ausdehnungskoeffizient
hergestellt sein, der höchstens
0.2·10-6 K-1, vorzugsweise
höchstens 0.1·10-6 K-1, größer ist
als der Ausdehnungskoeffizient des Materials der Wanne. Bei dieser
Kombination ist sichergestellt, dass ein Abnehmen des Deckels und
ein nachfolgendes Herauslösen
des Bauteils aus der Wanne ohne großen Kraftaufwand und Reinigungsaufwand
möglich
ist.
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Die
Wanne und/oder der Deckel können
aus einer Nickel-Stahl-Legierung hergestellt sein. Insbesondere
kann diese Nickel-Stahl-Legierung weniger als 36 Gewichtsprozent
Nickel, vorzugsweise ungefähr
33 Gewichtsprozent Nickel, aufweisen. Die Nickel-Stahl-Legierung
kann auch einen Kobalt-Anteil aufweisen, sodass sie dann als Nickel-Kobalt-Stahl-Legierung
realisiert ist.
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Im
Weiteren werden Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Anordnung
beschrieben. Diese gelten auch für
die erfindungsgemäße Vorrichtung und
für das
erfindungsgemäße Verfahren.
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Bei
der Anordnung kann das Ausgangsmaterial zum Herstellen eines Bauteils
direkt/unmittelbar zwischen die Wanne und dem Deckel einbringbar sein
oder zumindest teilweise eingebracht sein. Das Vorsehen von Einsätzen zwischen
Ausgangsmaterial einerseits und Deckel/Wanne andererseits ist erfindungsgemäß bei ebenen
Bauteilen entbehrlich, da ein Anhaften des Bauteils nach dem Abkühlen aufgrund
der Wahl der Ausdehnungskoeffizienten sicher vermieden ist.
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Die
Anordnung kann ferner eine Vakuumsaugeinrichtung enthalten, mit
welcher ein fertig hergestelltes Bauteil nach Abnahme des Deckels
aus der Anordnung entnehmbar ist. Hierfür kann zum Beispiel eine einfache
Saugglocke oder auch eine Ansaugeinrichtung unter Verwendung einer
mechanischen oder elektrischen Pumpe verwendet werden.
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Im
Weiteren werden Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens
beschrieben. Diese gelten auch für
die Vorrichtung und die Anordnung.
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Das
Verfahren kann zum Herstellen eines Kompositbauteils ausgestaltet
sein, insbesondere zur Verwendung des hergestellten Kompositbauteils in
einem Flugzeug.
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Ferner
kann das Verfahren als Harzinjektionsverfahren, wie zum Beispiel
als RTM-Verfahren („Resin
Transfer Molding")
hergestellt sein. Das Verfahren kann ausgestaltet sein zum Herstellen
eines Bauteils aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) oder
aus kohlenfaserverstärktem
Kunststoff (CFK).
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Das
Heizen der erfindungsgemäßen Form
ist durch verschiedene Prozesse möglich: Es kann zum Beispiel
mit einem Ofen oder Autoklav (dann ist ein zusätzlicher Schließrahmen
mit Klammerschrauben oder Verschraubungen am Werkzeug erforderlich) durchgeführt werden,
was zu einer druckkräftestabilen
Werkzeug-Gestaltung führt.
Es kann auch eine Heizpresse eingesetzt werden (dies entspricht
einer minimalistischen Werkzeug-Geometrie, Kräfte werden von der Presse aufgenommen,
dann sind keine Angüsse
oder Absaugungen an Unter/Oberseite erlaubt). Oder es kann eine
Eigenbeheizung zum Bespiel durch einen elektrischen Widerstand (Haarföhnprinzip)
oder durch thermalölgefüllte Kanäle im Werkzeug
implementiert werden.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Weiteren
näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 bis 5 eine
Anordnung zum Herstellen eines Kompositbauteils gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung in unterschiedlichen Betriebszuständen,
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6 eine
Vorrichtung zum Herstellen eines Kompositbauteils gemäß einem
anderen Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
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7A bis 7D Darstellungen
von erfindungsgemäß hergestellten
und in einem Flugzeug implementierten Kompositbauteilen,
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8 eine
Draufsicht eines RTM-Werkzeugs,
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9 bis 11 unterschiedliche
Ansichten einer Preform-Vorrichtung zum Herstellen eines Kompositbauteils
gemäß einem
anderen Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
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12 bis 16 unterschiedliche
Ansichten der in 6 gezeigten Vorrichtung zum
Herstellen eines Kompositbauteils gemäß einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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Gleiche
oder ähnliche
Komponenten in unterschiedlichen Figuren sind mit gleichen Bezugsziffern
versehen. Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und
nicht maßstäblich.
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Im
Weiteren wird bezugnehmend auf 1 bis 5 eine
Anordnung 100 zum Herstellen eines Kompositbauteils 301 gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung beschrieben.
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1 zeigt
die Anordnung 100 zum Herstellen eines Kompositbauteils
unter Verwendung eines RTM-Verfahrens (Resin Transfer Molding).
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Die
Anordnung 100 enthält
eine Vorrichtung 101 zum Herstellen des Kompositbauteils
und eine Kohlefasermatte 102.
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Die
Kohlenfasermatte 102 dient als Ausgangsmaterial oder Halbzeug
zum Herstellen eines CFK-Kompositbauteils, wie im Weiteren beschrieben wird.
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In 1 sind
ferner Injektionsdüsen 103 in einer
Metallwanne 104 gezeigt, mittels welcher in nachfolgenden
Verfahrensschritten Harzmaterial in einen Raum zwischen der Wanne 104 und
einem im Weiteren beschriebenen Deckel injiziert werden kann, so
dass sich injiziertes Harzmaterial mit der Kohlenfasermatte 102 vermischen
kann. Wie in 1 gezeigt, ist die Kohlenfasermatte 102 als
Ausgangsmaterial zum Herstellen eines Kompositmaterials in die Wanne 104 eingelegt.
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Ferner
ist in 1 eine Heizung 105 zum Erhitzen der Wanne 104 und
eines im Weiteren beschriebenen Deckels gezeigt, welche Heizung 105 in einem
späteren
Verfahrensschritt zum Herstellen des Kompositbauteils mittels Heizens
der Ausgangsmaterialien auf eine vorgebbare Aushärtungstemperatur verwendet
wird.
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Im
Weiteren wird bezugnehmend auf 2 die Anordnung 100 in
einem nachfolgenden Verfahrenszustand während des Herstellens eines
Kompositbauteils beschrieben.
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In
dem in 2 gezeigten Betriebszustand ist auf die mit der
Kohlenfasermatte 102 versehene Wanne 105 ein Deckel 200 aufgesetzt,
so dass die Kohlenfasermatte 102 zum nachfolgenden Herstellen
des Kompositbauteils zwischen der Wanne 104 und dem Deckel 200 luftdicht
eingeschlossen ist. Die Wanne 104 und der Deckel 200 sind
formgebende Elemente, so dass die geometrische Struktur des durch
die Wanne 104 und den Deckel 200 eingeschlossenen
Hohlraums die Form des herzustellenden Kompositbauteils determiniert.
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Die
Wanne 200 ist aus einer Nickel-Stahl-Kobalt-Legierung hergestellt,
die bei einer Aushärtungstemperatur
von 180 °C
zum Herstellen des Kompositbauteils einen Ausdehnungskoeffizienten
von 1,15·10-6 K-1 hat. Die Kohlefasermatte 102 hat
bei einer Aushärtungstemperatur
von 180 °C
ebenfalls einen linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von
ungefähr
1,15·10-6 K-1. Der Deckel 200 ist
aus einer Nickel-Kobalt-Stahl-Legierung
hergestellt, die einen Ausdehnungskoeffizienten von leicht oberhalb 1,15·10-6 K-1 aufweist.
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Wie
in 3 gezeigt, werden Injektionsaufsätze 300 in
die Injektionsdüsen 103 der
Wanne 104 eingesetzt, um flüssiges Epoxidharz zur Durchmischung
mit der Kohlenfasermatte 102 in den von der Wanne 104 und
dem DeckeL 200 abgedichteten Raum zu injizieren.
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Die
mit Epoxidharz getränkte
Kohlenfasermatte 102 wird mittels der Heizung 105 auf
ungefähr 180°C erhitzt,
wodurch es zu einer Aushärtung
der mit Epoxidharz getränkten
Kohlenfasermatte 102 und somit zum Bilden eines CFK-Strukturbauteils 301 kommt.
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Nach
Abkühlen
der in 3 gezeigten Apparatur auf eine Temperatur in der
Nähe von
Raumtemperatur wird der Deckel 200 abgenommen, womit die Oberseite
des CFK-Strukturbauteils 301 (kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff)
freigelegt wird (siehe 4).
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Da
der Ausdehnungskoeffizient des Materials der Wanne 104 von
dem des CFK-Strukturbauteils 301 nicht
oder nur unwesentlich unterschiedlich ist, schrumpft das CFK-Strukturbauteil 301 beim
Abkühlen
nicht an der Wanne 104 fest. Ferner ist anzumerken, dass
aufgrund des Ausdehnungskoeffizienten des Deckels 200,
der nur geringfügig
größer ist als
jener der Wanne 104 und des CFK-Strukturbauteils 301,
der Deckel 200 abnehmbar ist, ohne dass es zu einem Festkleben
oder Festschrumpfen des CFK-Strukturbauteils 301 an dem
Deckel 200 kommen würde,
und ohne dass der Deckel auf der Kavität verklemmt.
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Wie
in 5 gezeigt, kann mittels einer einfachen Saugvorrichtung 302 (zum
Beispiel eine Vakuumpumpe mit einer Ansaugfläche) das CFK-Strukturbauteil 301 aus
der Wanne 104 entfernt bzw. abgelöst werden.
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Im
Weiteren wird bezugnehmend auf 6 eine RTM-Vorrichtung 600 zum
Herstellen eines Strukturbauteils mittels eines RTM-Verfahrens (Resin
Transfer Molding) gemäß einem
exemplarischen Ausführungsbeispiel
der Erfindung beschrieben.
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Die
RTM-Vorrichtung 600 ähnelt
der Vorrichtung 101 aus den 1 bis 5.
Allerdings ist in 6 eine dreidimensionale Darstellung
dieses Werkzeugs als Vorrichtung zum Bilden eines dreidimensionalen
Kompositbauteils gezeigt. 6 zeigt eine
auseinandergenommene Explosionsdarstellung der RTM-Vorrichtung 600,
bei der ein Deckel 200 getrennt von einer Wanne 104 gezeigt
ist.
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Um
ein Strukturbauteil herzustellen, wird nach Einlegen einer Kohlenfasermatte
in die Wanne 104 der Deckel 200 abgesenkt, um
einen abgedichteten Hohlraum zwischen Deckel 200 und Wanne 104 zu
bilden, in welchen die Kohlenfasermatte eingebettet ist. Nachfolgend
wird durch Injektionsdüsen 103 flüssiges Epoxidharzmaterial
in den Hohlraum zwischen Deckel 200 und Wanne 104 eingespritzt, wodurch
sich das flüssige
Epoxidharz mit der Kohlenfasermatte 102 vermischt. Durch
Tempern der Anordnung wird aus der Kohlenfasermatte 102,
die mit dem Epoxidharz getränkt
ist, ein Strukturbauteil gebildet.
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Aufgrund
der Materialwahl von Wanne 104, Deckel 200 und
den Ausgangsmaterialien zum Bilden des Strukturbauteils ist ein
Festschrumpfen des Strukturbauteils an Wanne 104 bzw. Deckel 200 sicher
vermieden.
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Nachfolgend
kann der Deckel 200 abgenommen werden und das erzeugte
Strukturbauteil aus der Wanne 104 entnommen werden.
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Ein
geeignetes Material für
die Wanne 104 bzw. für
den Deckel 200 ist Fe-33Ni-4.5Co. Dieses Material hat im
Temperaturbereich zwischen -50 °C und
+200 °C
eine sehr geringe thermische Ausdehnung und wird deswegen auch als
SuperinvarTM Material bezeichnet. Der lineare
thermische Expansionskoeffizient (in 10-6 °C-1) von SuperinvarTM beträgt 0,45
bei 100 °C,
1,15 bei 200 °C,
3,75 bei 300 °C, 6,70
bei 400 °C,
8.75 bei 500 °C
und 10.15 bei 600 °C.
-
7A bis 7D zeigen
exemplarisch ein Einsatzgebiet für
erfindungsgemäß hergestellte Kompositbauelemente,
nämlich
für an
einem Flugzeug vorgesehene Beschläge.
-
7A zeigt
ein Hinterteil eines Flugzeugs 700. 7B zeigt
einen Mittelkasten mit Rumpfanschlussbeschlägen 710. 7C zeigt
einen äußeren Beschlag 720 und
einen inneren Beschlag 730. 7D zeigt
eine Seitenschale 740 mit einem vorderen Längskraftbeschlag 750,
mit einem mittleren Längskraftbeschlag 760 und
mit einem hinteren Längskraftbeschlag 770.
-
Im
Weiteren wird bezugnehmend auf 8 eine Draufsicht
eines RTM-Werkzeugs 800 beschrieben.
-
8 zeigt
ein Anschlagmittel 801 auf einem Vorrichtungsträger 802.
Ferner ist ein Thermoelement 803 zur Temperaturüberwachung
bereitgestellt. 8 zeigt darüber hinaus Deckelschrauben 804, Formleisten 805,
Keilleisten 806 und eine untere Kavität 807. An einem Injektionsanschluss 808 ist
Harz zuführbar.
Zugeführtes
Harz tritt an einer Harzaustrittstelle 809 aus und kann
sich dort mit einer Fasermatte vermischen.
-
Im
Weiteren wird ein exemplarisches Verfahren zum Herstellen eines
Bauteils beschrieben.
-
Faserhalbzeuge
werden zunächst
mit einem Ultraschallcutter zugeschnitten. Die losen Zuschnitte werden
dann per Hand in eine Preformvorrichtung aus Aluminium eingelegt.
Unter einer Vakuummatte werden die Lagenzuschnitte im Solarium bei
ca. 60° C
zu einem Vorformling gebacken (früher wurden die Zuschnitte direkt
in die RTM-Vorrichtung gelegt). Das Verbundteil wird dann in das
Fertigungsmittel eingelegt. Die RTM-Vorrichtung wird vakuum- und
druckdicht verriegelt und die Druckschläuche für die Injektion und den Austritt
des Harzes angeschlossen. Das flüssige
Harz wird mit Druck in die unter Vakuum stehende RTM-Vorrichtung
injiziert. Die Injektionstemperatur beträgt 130 °C bis 145 °C. Der Injektionsdruck liegt
zwischen 1,0 bar und 4,0 bar, wobei ein Nachdruck von bis 7,0 bar
aufgeprägt
wird. Die Injektionsdauer ist 45 Minuten. Bei einer Temperatur von 180 °C wird das
flüssige
Harz in den festen Zustand überführt. Das
Aushärten
dauert etwa 1,5 Stunden. Anschließend wird die Fertigungsmitteltemperatur von
180 °C auf
unter 50 °C
gesenkt und das Bauteil entformt. Die Qualitätssicherung des gefertigten
Bauteils erfolgt in vier Stufen: Sichtprüfung nach dem Entformen, Ultraschallprüfung auf
einer Squaiteranlage, Ultraschallhandprüfung und eine abschließende Endprüfung. Nach
der mechanischen Bearbeitung, dem Einbringen von Bohrungen und Fräsungen,
sind die Bauteile versandfertig.
-
Im
Folgenden wird ein Herstellungsprinzip für ebene Flugbauteile aus CFK
im RTM-Verfahren gemäß einem
anderen Ausführungsbeispiel
der Erfindung beschrieben.
-
Zwei
Besonderheiten dieses Konzepts sind die Preformfertigung (Vorkomprimierung
der Lagerzuschnitte) und die eingesetzte Vorrichtung zum Herstellen
der Flugbauteile, die ohne Einlegekerne auskommt (durch Einsatz
eines neuen Werkstoffes für die
Vorrichtung, Ni33Co, können
die bisher erforderlichen Einlegekerne komplett entfallen).
-
Für die Herstellung
eines Vorformlings wird eine Preform aus Aluminium eingesetzt. Auf
der Preform werden die harzhaltigen CFK-Lagenzuschnitte unter einer
Vakuummatte im Solarium bei ca. 50°C gebacken, so dass ein Verbundteil
entsteht, welches dann in der RTM-Vorrichtung. weiterverarbeitet wird. Die
Preform sollte nirgendwo scharfe Kanten haben, da sonst die Vakuummatte
im Solarium beschädigt wird.
In der Preform werden von unten zwei Thermoelemente integriert,
wobei der Stecker nicht über
die Preformkontur herausragen soll, da er ansonsten von der Vakuummatte
abgeknickt werden kann. Die seitliche Kontur wird durch ein festes
und ein zum Entformen abnehmbares, auf zwei Stiften geführten Ringteil
abgebildet.
-
Im
Weiteren werden bezugnehmend auf 9 bis 11 unterschiedliche
Ansichten einer Preform-Vorrichtung 900 zum Herstellen
eines Kompositbauteils gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung beschrieben.
-
9 zeigt
eine räumliche
Ansicht der einen Griff 901 aufweisenden Preform-Vorrichtung 900 in geschlossenem
Zustand.
-
10 zeigt
eine räumliche
Ansicht der Preform-Vorrichtung 900 mit abgenommenem Deckel 902.
-
11 zeigt
eine räumliche
Ansicht der Preform-Vorrichtung 900 mit abgenommenem Ringaufsatz 903.
-
Die
Preform 900 enthält
ein Unterteil 904, einen Ringaufsatz 903 und einen
Deckel 902. Die Bauteilkontur wird im Unterteil 904 und
im Deckel 902 abgebildet. Der Ringaufsatz 903 ist
abnehmbar vorgesehen, zum besseren Entnehmen des Vorformlings (Abstecker
oder Stifte können
als Zentrierung eingesetzt werden). Thermoelemente können im
Unterteil 904 integriert werden. Ferner können Teflonfüße 905 vorgesehen
werden. Der Deckelgriff 901 kann einklappbar ausgebildet
sein. Die Gewichte der Preform 900 können ca. 4,7 kg für das Unterteil 904,
ca. 1,6 kg für
festen Ring, ca. 1,8 kg für
losen Ring und ca. 4,5 kg für
den Deckel 902 sein, was zu einem Gesamtgewicht von ca.
11,6 kg führen
kann.
-
Für die Herstellung
von CFK-Bauteilen im RTM-Verfahren benötigt man eine Vorrichtung,
in der die CFK-Lagen kontrolliert platziert und unter Vakuum gesetzt
werden können.
Unter Temperatur und Druck wird dann das Harz eingespritzt. Nach
dem Aushärten
des Harzes kann das Bauteil entnommen werden. Das RTM-Verfahren
ermöglicht
bei geeignetem Werkzeugmaterial eine Endmaßfertigung der Bauteile.
-
12 bis 16 zeigen
unterschiedliche Ansichten der in 6 gezeigten
Vorrichtung 600 zum Herstellen eines Kompositbauteils gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
-
12 zeigt
eine räumliche
Ansicht der Klammerschrauben 1200 aufweisenden Vorrichtung 600 in
geschlossenem Zustand.
-
13 zeigt
eine räumliche
Ansicht der Vorrichtung 600 mit einer Rahmenzentrierung 1300 über dem
Deckel 200.
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14 zeigt
eine räumliche
Ansicht der Wanne 104 als Kavität mit Angussspalt an der Tauchkante.
-
15 und 16 zeigt
Querschnittsansichten der Vorrichtung 600 in geschlossenem
Zustand mit Anguss und einer Absaugeinrichtung 1500.
-
Gemäß einem
exemplarischen Ausführungsbeispiel
enthält
die Vorrichtung 600 nur die Kavität 104, den Deckel 200 und
einen Rahmen. Auf Einlegekerne kann verzichtet werden, da das Werkzeugmaterial
(Ni33Co) beim Abkühlen
nicht auf das Bauteil aufschrumpft. Der Spalt zwischen Deckel 200 und Kavität 104 im
Bereich der Tauchkante sollte im Bereich von 0,1 bis 0,3 mm liegen
und zu den Angüssen hin
größer werden.
Drei Angüsse
und eine Absaugung können
vorgesehen sein. Injektions- und Absaugdüsen sollten so gestaltet sein,
dass Harzreste von außen
entfernt werden können
(Durchschlagen). Zentriereinheiten sollten am Deckel 200 vorgesehen sein
und sollten gleichzeitig den Rahmen zentrieren und als Aufsetzschutz
für den
Deckel 200 dienen. Der Rahmen sollte mit Klammerschrauben 1200 für eine Ofenfertigung
vorgesehen sein. Eine Doppeldichtung in der Kavität 104 ist
vorteilhaft. Thermoelemente können
zur Prozessüberwachung
vorgesehen sein.
-
Die
beschriebene Technologie hat die folgenden Vorteile: Mit der Preformfertigung
ist eine Optimierung der Bauteilqualität möglich, da weniger Lufteinschlüsse auftreten.
Ferner ist eine Minimierung der Ausschussteile durch fehlerhaften
Lagenaufbau oder Verrutschen der Lagen im RTM-Werkzeug erreichbar.
Die Technologie ist automatisierungsfähig. Mit dem Ni33Co-RTM-Werkzeug ohne Einlegekerne
ist eine wesentliche Vereinfachung der Werkzeug-Beschickung und Entformung ermöglicht. Ferner
resultiert eine erhebliche Vereinfachung des Reinigungsaufwandes.
Eine heizpressentaugliche Fertigung ist ermöglicht. Eine Erhöhung der
Werkzeugstandzeiten ist durch Verschleißreduktion realisiert. Die
Technologie ist automatisierungsfähig.
-
Durch
Kombination der beiden Verfahren (Preformen und RTM) kann eine erhebliche
Kosteneinsparung bei der RTM-Fertigung ebener Beschlagteile erreicht
werden. Das Verfahren ist ausgesprochen geeignet eine für Automatisierung
(Fertigungslinien etc.)
-
Ergänzend ist
darauf hinzuweisen, dass „aufweisend" keine anderen Elemente
oder Schritte ausschließt
und „eine" oder „ein" keine Vielzahl ausschließt. Ferner
sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis
auf eines der obigen Ausführungsbeispiele
beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen
oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden
können.
Bezugszeichen in den Ansprüchen
sind nicht als Einschränkung
anzusehen.
-
- 100
- Anordnung
- 101
- Vorrichtung
- 102
- Kohlefasermatte
- 103
- Injektionsdüsen
- 104
- Wanne
- 105
- Heizung
- 200
- Deckel
- 300
- Injektionsaufsätze
- 301
- CFK-Strukturbauteil
- 500
- Saugvorrichtung
- 600
- RTM-Vorrichtung
- 700
- Flugzeug
- 710
- Rumpfanschlussbeschläge
- 720
- äußerer Beschlag
- 730
- innerer
Beschlag
- 740
- Seitenschale
- 750
- vorderer
Längskraftbeschlag
- 760
- mittlerer
Längskraftbeschlag
- 770
- hinterer
Längskraftbeschlag
- 800
- RTM-Werkzeug
- 802
- Vorrichtungsträger
- 803
- Thermoelement
- 804
- Deckelschraube
- 805
- Formleisten
- 806
- Keilleisten
- 807
- untere
Kavität
- 808
- Injektionsanschluss
- 809
- Harzaustrittstelle
- 900
- Preform
- 901
- Griff
- 902
- Deckel
- 903
- Ringaufsatz
- 904
- Unterteil
- 905
- Teflonfüße
- 1200
- Klammerschrauben
- 1300
- Rahmenzentrierung
- 1500
- Absaugeinrichtung