DE102006002198A1

DE102006002198A1 - Faserverbund-Bauelement und Verfahren zur Herstellung eines Faserverbund-Bauelements

Info

Publication number: DE102006002198A1
Application number: DE102006002198A
Authority: DE
Inventors: Robert Kaps; Jan Schoppmeier; Lars Herbeck; Daniel Schmidt; Axel Prof. Dr. Herrmann
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV; Airbus Operations GmbH
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV; Airbus Operations GmbH
Priority date: 2006-01-16
Filing date: 2006-01-16
Publication date: 2007-07-26
Anticipated expiration: 2026-01-17
Also published as: DE102006002198B4

Abstract

Ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbund-Bauelementes mit wenigstens zwei aneinander angrenzenden ersten und zweiten Teilelementen (1, 5) mit jeweils einer Faserstruktur (2a, 2b) und die Faserstruktur (2a, 2b) jeweils einbettenden Matrixsystemen (3, 6) wird beschrieben. Das erste Teilelement (1) wird unter Belassung eines zum Anschließen an das zweite Teilelement (5) vorgesehenen Übergangsbereiches (4) mit durch das Matrixsystem (3) unbenetzter Faserstruktur (2a) konsolidiert. Anschließend wird das zweite Teilelement (5) nach einem Eindringen des Matrixsystems (6) des zweiten Teilelementes (5) in den Übergangsbereich (4) des ersten Teilelementes (1) konsolidiert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauelements mit wenigstens zwei aneinander angrenzenden ersten und zweiten Teilelementen mit jeweils einer Faserstruktur und die Faserstruktur jeweils einbettenden Matrixsystemen.
Die Erfindung betrifft ferner ein Faserverbund-Bauelement mit wenigstens zwei aneinander angrenzenden ersten und zweiten Teilelementen mit jeweils einer Faserstruktur und die Faserstruktur jeweils einbettenden Matrixsystemen.

Es ist bekannt, Faserverbund-Bauelemente aus verschiedenen Teilelementen zusammenzusetzen, die unterschiedliche Faserstrukturen, insbesondere aber auch unterschiedliche Matrixsysteme aufweisen, um den unterschiedlichen Anforderungen an die Teilelemente gerecht zu werden. In herkömmlicher Technik werden die Teilelemente getrennt voneinander hergestellt und zu dem Bauelement mittels einer Kleb- und/oder Schraubverbindung zusammengefügt. Das Zusammenfügen der Teilelemente führt zu dem Nachteil, dass die Verbindung nur dann eine etwaig benötigte hohe Scherfestigkeit aufweist, wenn für die Verbindung ein hoher Aufwand getrieben wird, der das Gewicht des Faserverbund-Bauelements deutlich erhöht.

Durch DE 199 15 083 C1 und EP 1 400 341 A1 ist es bekannt, unterschiedliche Preforms, also Faserstruktur-Teilelemente zueinander anzuordnen und gemeinsam mit einem Bindemittel (Matrixsystem) zu durchtränken und – ggf. unter Vakuum – auszuhärten. Dabei werden für die Teilelemente jedoch ersichtlich gleiche Matrixsysteme verwendet.

US 5,667,881 offenbart eine Verbindung zwischen einem thermoplastischen und einem duroplastischen Kunststoff, die dadurch hergestellt wird, dass an der Grenzfläche zwischen beiden Kunststoffen diese sich im flüssigen bzw. plastifizierten Zustand etwas vermischen können, um so miteinander eine Art Dispersion zu bilden. Ein derartiges Verfahren ist auf die Verwendung miteinander mischbarer Kunststoffe beschränkt und hat daher nur einen begrenzten Anwendungsbereich.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Herstellung eines Faserverbund-Bauelements der eingangs erwähnten Art zu ermöglichen, das eine erhöhte Stabilität der Verbindung der Teilelemente aufweist, kostengünstig herstellbar ist und nicht auf bestimmte Kunststoffkombinationen beschränkt ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren der eingangs erwähnten Art dadurch gelöst, dass das erste Teilelement unter Belassung eines zum Anschließen an das zweite Teilelement vorgesehenen Übergangsbereiches mit durch das Matrixsystem unbenetzter Faserstruktur konsolidiert wird und das anschließend an das zweite Teilelement nach einem Eindringen des Matrixsystems des zweiten Teilelements in den Übergangsbereich des ersten Teilelementes konsolidiert wird.

Das erste Teilelement bzw. Bauteil einer Baugruppe wird somit separat so konsolidiert, dass ein trockener Faserbereich ohne Matrixmaterial im Übergang zur späteren Baugruppe, d.h. dem zweiten Teilelement verbleibt. Die Konsolidierung beispielswei se durch Matrixverflüssigung oder Matrixinjektion und Aushärtung kann auch vor der Montage mit dem zweiten Teilelement erfolgen. Dadurch wird die spätere Übergangszone von einem Matrixsystem des ersten Teilelementes zum anderen Matrixsystem des zweiten Teileelementes innerhalb des ersten Teilelementes festgelegt.

Das zweite Bauelement wird somit nicht thermisch belastet, wenn die Matrix des ersten Teilelementes verflüssigt wird, da der Übergangsbereich bereits vor der Montage des ersten und zweiten Teilelementes zu einer Baugruppe im ersten Teilelement erzeugt wird.

Das Konsolidieren des ersten und/oder zweiten Teilelementes kann beispielsweise durch Verflüssigen und anschließendem Aushärten des jeweiligen Matrixsystems erfolgen.

Es ist aber auch denkbar, dass das Konsolidieren des ersten und/oder zweiten Teilelementes durch Injektion von Matrixmaterial und anschließendem Aushärten des jeweiligen Matrixsystems erfolgt.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Übergangsbereich mit einer unregelmäßigen Dickenverteilung über die Fläche des Übergangsbereichs ausgeführt ist. Dies wird erreicht, da die Faserschichten des Übergangsbereiches in ihrer Fläche sowohl über trockene Faserbereiche verfügen, als auch über von Matrixmaterial des ersten Teilelementes durchsetzte Bereiche. Die sich dementsprechend ungleichmäßig durch die Faserschichten des Übergangsbereiches hierdurch ausbildende unregelmäßige Grenzschicht hat den Vorteil, dass eine verbesserte Verhakung und Verzahnung der beiden Teilelemente im Übergangsbereich erreicht wird. Es wird eine stoffschlüssige Verbindung der beiden Matrixbereiche über die Faser hergestellt.

In einer vorteilhaften Ausführungsform wird das erste Teilelement aus mindestens zwei Schichten aufgebaut, die miteinander beispielsweise durch Vernähen verbunden werden. Eine erste Schicht des ersten Teilelementes ist dabei eine mit Matrixsystemen versehene Faserstruktur und eine zweite Schicht eine mit der ersten Schicht verbundene, ohne Matrixsystem versehene und den Übergangsbereich bildende Faserstruktur. Bei der Konsolidierung des Matrixsystems beispielsweise durch Verflüssigung eines Thermoplastmaterials, fließt das Matrixmaterial teilweise in die zweite Schicht des ersten Teilsystems hinein, so dass sich bei der Aushärtung des Matrixmaterials eine Grenzschicht in der zweiten Schicht bildet.

Als erste Schicht dieses zweischichtigen ersten Teilelementes kann beispielsweise ein Thermoplast-Commingling-Hybrid oder ein Thermoplast-Prepeg eingesetzt werden.

Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform des ersten Teilelementes wird eine aus miteinander vernähten Faserschichten, aus einem Fasergelege oder aus einer Preform-Faserschicht gebildete zweite Schicht auf die erste Schicht zu Herstellung des ersten Teilelementes aufgebracht. Anschließend wird das Matrixsystem des ersten Teilelementes unter Belassung des Übergangsbereiches konsolidiert, indem beispielsweise ein Thermoplast der ersten Schicht verflüssigt wird, so dass dieser in die zweite Schicht hineinfließt. Bei der Aushärtung des Thermoplasts bildet sich dann eine Grenzschicht in der zweiten Schicht des ersten Teilelementes.

Eine andere vorteilhafte Ausführungsform des ersten Teilelementes wird durch Einlegen einer Thermoplastfolie zwischen die erste und zweite Schicht des ersten Teilelementes vor der Konsolidierung des Matrixsystems des ersten Teilelementes und Aushärten des Matrixsystems mittels Wärmeeintrag hergestellt. Beim Wärmeeintrag schmilzt die Thermoplastfolie auf und dringt teilweise in die zweite Schicht zur Bildung eines ungleichförmigen Übergangsbereichs ein.

Die Thermoplastfolie kann beispielsweise gelocht oder perforiert sein.

Die Perforation der Thermoplastfolie bleibt weitestgehend in der zweiten Schicht erhalten und es bildet sich eine Grenzschicht mit Löchern aus. Dadurch kann das Matrixsystem des zweiten Teilelementes in diese Löcher hineinfließen und bei dessen Aushärtung sich mit dem Matrixsystem des ersten Teilelementes zusätzlich verzahnen. Somit erzeugen beide Matrixsysteme eine uneinheitliche Grenzfläche.

Ein mit dem beschriebenen Verfahren hergestelltes Faserverbund-Bauelement kann beispielsweise für Stringer versteifte Rumpf- oder Flügelschalen eines Luftfahrzeuges genutzt werden. Dabei werden die Schalenelemente aus Epoxyd-Kohlefaser-Pregeg gelegt, während die Stringer aus Kohlerfasermaterial mit thermoplastischer Matrix mit dem oben beschriebenen Verfahren hergestellt werden. Die Stringer sind dann bis auf die Kontaktbereiche des Stringerfußes zur Prepegschale fertig konsolidiert und können durch Warmumformung an zum Beispiel sphärische Konturen der Schale fein angepasst werden. Beim Aufheizen des gesiegelten Schalenbauteils mit den Stringern wird der noch trockene Bereich der Stringerfüße mit Überschussharz des Prepegs getränkt und bildet so eine belastbare Anbindung der Stringer an die Schale.

Es ist offensichtlich, dass das Verfahren auch zur Herstellung von Faserverbund-Bauelementen für andere Anwendungsgebiete entsprechend genutzt werden kann.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit den beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1a) bis f) – Skizze des Verfahrens zur Herstellung eines Faserverbund-Bauelementes mit Querschnittsansichten eines das Faserverbund-Bauelement bildenden ersten und zweiten Teilelementes;
2 – Skizze einer ersten Ausführungsform des ersten Teilelementes als Querschnittsansicht;
3a) und b) – Skizze der Konsolidierung des Matrixsystems des ersten Teilelementes aus 2;
4 – Skizze einer zweiten anderen Ausführungsform des ersten Teilelementes als Querschnittsansicht;
5a) und b) – Skizze der Konsolidierung des Matrixsystems des ersten Teilelementes aus 4;
6 – Skizze einer dritten Ausführungsform des ersten Teilelementes als Querschnittsansicht;
7a) und b) – Skizze des Verfahrens zur Konsolidierung des Matrixsystems des ersten Teilelementes aus 6;
8a) bis c) – Skizze der Herstellung von stringerversteiften Rumpf- oder Flügelschalen.
Die 1a) bis f) lässt die verschiedenen Verfahrensschritte zur Herstellung eines Faserverbund-Bauelementes bestehend aus zwei aneinander angrenzenden Teilelementen erkennen.
Die 1a) zeigt eine Querschnittsansicht eines ersten Teilelementes 1 bestehend aus einer Faserstruktur 2 und einem in die Faserstruktur 2 eingebetteten Matrixsystem 3.
Wie in der 1b) erkennbar ist, wird das Matrixsystem 3 des ersten Teilelementes 1 durch Temperatur und Druck verflüssigt, um das erste Teilelement 1 anschließend durch Aushärtung des Matrixmaterials 3 zu konsolidieren. Dadurch, dass die Faserstruktur 2 in einem Übergangsbereich 4 des ersten Teilelementes 1 von Matrixsystem 3 unbenetzt ist, dringt das Matrixsystem 3 bei der Konsolidierung nur unvollständig in den Übergangsbereich 4, d.h. in den matrixfreien Übergangsbereich 4 ein. Nach Aushärtung entsteht dort ein Übergangsbereich 4 mit einer unregelmäßigen Dickenverteilung über die Fläche des Übergangsbereiches 4, wie in der 1c) erkennbar ist.
In einem nächsten Schritt, der in der 1d) skizziert ist, wird das separat konsolidierte erste Teilelement 1 flächig auf ein zweites Teilelement 5 aufgelegt. Anschließend wird ein Matrixsystem (Injektionsharz) 6 in das zweite Teilelement 5 injiziert und durch Temperatur und Druck erreicht, dass das Matrixsystem 6 des zweiten Teilelementes 5 durch dieses in den Übergangsbereich 4 des ersten Teilelementes hineinfließt. Dort verhakt oder verzahnt sich das Matrixsystem 6 mit dem Übergangsbereich und wird ausgehärtet (1e) und f)).
Es ist somit vorgesehen, dass das Matrixsystem 3 des ersten Teilelementes 1 verflüssigt wird und aufgrund seiner hohen Viskosität den Übergangsbereich 4 des ersten Teilelementes 1 unvollständig durchdringt, so dass sich eine unregelmäßige Grenzschicht beim Aushärten des Matrixsystems 3 ausbildet. Das Matrixsystem 6 des zweiten Teilelementes 5 ist beim Aushärten des ersten Teilelementes 1 noch nicht anwesend bzw. das Matrixsystem 3 des ersten Teilelementes 1 wird ohne die Anwesenheit des zweiten Teilelementes 5 verflüssigt und ausgehärtet. Anschließend wird das Matrixsystem 6 in das zweite Teilelement 5 injiziert oder ein bereits im zweiten Teilelement 5 enthaltenes Matrixsystem 6 erwärmt. Hierdurch dringt das Matrixsystem 6 des zweiten Teilelementes 5 in den Übergangsbereich 4 des ersten Teil elementes 1 ein, der noch nicht mit einem Matrixsystem 6 benetzt worden ist. Demzufolge fließt das Matrixsystem des zweiten Teilelementes 5 an die Grenzschicht des ersten Matrixsystems 3 heran, verhakt oder verzahnt sich mit diesem und wird ausgehärtet.
Die 2 lässt eine zweite Ausführungsform des ersten Teilelementes 1 erkennen, das aus zwei Schichten 7a, 7b aufgebaut ist. Die erste Schicht 7a besteht aus Thermoplast-Commingling-Hybrid, das mit der zweiten Schicht 7b verbunden ist. Die zweite Schicht 7b kann aus einer oder mehreren trockenen bzw. ohne Matrixsystem versehenen Faserschichten bestehen. Die Verbindung der ersten und zweiten Schicht 7a, 7b miteinander kann beispielsweise durch Vernähen erfolgen. Bei der Verflüssigung des in der ersten Schicht 7a enthaltenen Thermoplasts fließt dieser teils in die zweite Schicht 7b hinein, so dass sich bei der Aushärtung des Thermoplasten als Matrixsystem eine Grenzschicht in der zweiten Schicht 7b als Übergangsbereich 4 bildet.
Hierzu wird, wie in der 3a) gezeigt ist, das aus den beiden Schichten 7a, 7b gebildete erste Teilelement 1 mit Hilfe von Temperatur und Druck konsolidiert. Die 3b) lässt das fertig konsolidierte erste Teilelement 1 mit dem Übergangsbereich 4 erkennen.
Eine in der 4 skizzierte dritte Ausführungsform des ersten Teilelementes 1 ist ebenfalls aus zwei Schichten 8a, 8b aufgebaut. Wiederum besteht die erste Schicht 8a aus Thermoplast-Commingling-Hybrid oder aus Thermoplast-Prepeg. Die zweite Schicht 8b besteht aus mehreren miteinander vernähten Faserschichten, aus einem Fasergelege oder aus einer Preform-Faserschicht.
Vor dem Aufschmelzen des Thermoplasten in der ersten Schicht 8a wird die zweite Schicht 8b mit der ersten Schicht 8a in Kontakt gebracht. Anschließend wird, wie in der 5a) skizziert ist, der Thermoplast der ersten Schicht 8a durch Temperatur und Druck verflüssigt und beginnt in die zweite Schicht 8b hinein zufließen. Dadurch bildet sich bei der Aushärtung des Thermoplasten eine Grenzschicht in der zweiten Schicht 8b, die wiederum einen Übergangsbereich 4 mit unregelmäßiger Dickenverteilung schafft.
Die 6 lässt eine vierte Ausführungsform des ersten Teilelementes 1 erkennen, bei der vor der Konsolidierung des in einer ersten Schicht 9a enthaltenen Thermoplasten als Matrixsystem zwischen die erste und zweite Schicht 9a, 9b eine gelochte oder perforierte Thermoplastfolie 10 gelegt wird.
Bei der in der 7a) skizzierten Konsolidierung des ersten Teilelementes 1 durch Temperatur und Druck beginnt die Thermoplastfolie 10 aufzuschmelzen und fließt teilweise in die zweite Schicht 9b hinein. Bei der Aushärtung des ersten Teilelements 1 werden damit beide Schichten 9a, 9b miteinander verbunden. Außerdem bleibt die Perforation der Thermoplastfolie 10 weitestgehend in der zweiten Schicht 9b erhalten und es bildet sich eine Grenzschicht mit Löchern aus. Dies ist in der 7b) skizziert. Dort ist der entsprechende Löcher aufweisende Übergangsbereich 4 zu erkennen. Das Matrixsystem des zweiten Teilelementes 5 kann dann in diese Löcher des Übergangsbereichs 4 hineinfließen und sich bei Aushärtung mit dem Matrixsystem des ersten Teilelementes 1 zusätzlich verzahnen bzw. eine verstärkt uneinheitliche Grenzfläche erzeugen.
Die 8a) bis c) lässt die Anwendung des oben beschriebenen Verfahrens zur Herstellung stringerversteifter Rumpf- oder Flügelschalen für Luftfahrzeuge erkennen. Das erste Teilelement 1 ist beispielsweise ein aus Kohlefasermaterial mit thermoplastischer Matrix hergestellter Stringer, der mit Ausnahme des Übergangsbereiches 4 am Stringerfuß zum Schalenelement als zweites Teilelement 5 fertig konsolidiert ist. Die Stringer können auch durch Warmumformung an zum Beispiel sphärische Konturen der Schale, d.h. des zweiten Teilelementes 5 fein angepasst werden.
Die Schalenelemente, d.h. das zweite Teilelement 5 ist beispielsweise aus Epoxyd-Kohlefaser-Prepeg gelegt. Beim Aufheizen des gesiegelten Schalenbauteils, d.h. des zweiten Teilelements 5, mit den Stringern, d.h. dem ersten Teilelement 1, wird der noch trockene Bereich der Stringerfüße mit Überschussharz des Prepegs getränkt und bildet so eine belastbare Anbindung der Stringer an die Schale. Dies ist in den 8b) und c) skizziert.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Faserverbund-Bauelementes mit wenigstens zwei aneinander angrenzenden ersten und zweiten Teilelementen (1, 5) mit jeweils einer Faserstruktur (2a, 2b) und die Faserstruktur (2a, 2b) jeweils einbettenden Matrixsystemen (3), dadurch gekennzeichnet, dass das erste Teilelement (1) unter Belassung eines zum Anschließen an das zweite Teilelement (5) vorgesehenen Übergangsbereiches (4) mit durch das Matrixsystem (3) unbenetzter Faserstruktur (2a) konsolidiert wird und dass anschließend das zweite Teilelement (5) nach einem Eindringen des Matrixsystems (6) des zweiten Teilelementes (5) in den Übergangsbereich (4) des ersten Teilelementes (1) konsolidiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Konsolidieren des ersten und/oder zweiten Teilelementes (1, 5) durch Verflüssigen und anschließendem Aushärten des jeweiligen Matrixsystems (3, 6) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Konsolidieren des ersten und/oder zweiten Teilelementes (1, 5) durch Injektion und anschließendem Aushärten des jeweiligen Matrixsystems (3, 6) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergangsbereich (4) mit einer unregelmäßigen Dickenverteilung über die Fläche des Übergangsbereichs (4) ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch Aufbauen des ersten Teilelementes (1) aus mindestens zwei Schichten (7a, 7b oder 8a, 8b oder 9a, 9b), die miteinander verbunden werden, wobei eine erste Schicht (7a, 8a, 9a) eine mit Matrixsystem (3) versehene Faserstruktur (2) und eine zweite Schicht (7b, 8b, 9b) eine mit der ersten Schicht (7a, 8a, 9a) verbundene, ohne Matrixsystem versehene und den Übergangsbereich (4) bildende Faserstruktur (2) ist.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als erste Schicht (7a, 8a, 9a) ein Thermoplast-Commingling-Hybrid oder ein Thermoplast-Prepreg eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, gekennzeichnet durch Vernähen von Faserstrukturen (2) mindestens zweier Schichten (7a, 7b; 8a, 8b; 9a, 9b) miteinander.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, gekennzeichnet durch Aufbringen der zweiten Schicht (7b, 8b, 9b), die aus miteinander vernähten Faserschichten (2), aus einem Fasergelege oder aus einer Preform-Faserschicht gebildet ist, auf die erste Schicht (7a, 8a, 9a) und Konsolidieren des Matrixsystems (3) des ersten Teilelementes (1) unter Belassung des Übergangsbereichs (4).
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, gekennzeichnet durch Verflüssigen von thermoplastischem Matrixmaterial (3) der ersten Schicht (7a, 8a, 9a) und Aushärtung des bei der Verflüssigung teilweise in die zweite Schicht (7b, 8b, 9b) eingedrungenen Matrixmaterials (3).
Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch Einlegen mindestens einer Thermoplastfolie (10) zwischen die erste und zweite Schicht (9a, 9b) des ersten Teilelementes (1) vor der Konsolidierung des Matrixsystems (3) des ersten Teilelementes (1) und Aushärten des Matrixsystems (3) mittels Wärmeeintrag derart, dass die Thermoplastfolie (10) aufschmilzt und teilweise in die zweite Schicht (9b) zur Bildung eines ungleichförmigen Übergangsbereichs (4) eindringt.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermoplastfolie (10) gelocht oder perforiert ist.
Faserverbund-Bauelement mit wenigstens zwei aneinander angrenzenden ersten und zweiten Teilelementen (1, 5) und jeweils einer Faserstruktur (2) und die Faserstruktur (2) jeweils einbettenden Matrixsystemen (3, 6), dadurch gekennzeichnet, dass sich das Matrixsystem (6) des zweiten Teilelementes (5) in einem sich an die Grenzfläche zwischen erstem und zweitem Teilelement (1, 5) anschließenden Übergangsbereich (4) des ersten Teilelementes (1) hinein erstreckt und sich das Matrixsystem (3) des ersten Teilelementes (1) innerhalb des ersten Teilelementes (1) mit komplementären Grenzflächen an das Matrixsystem (6) des zweiten Teilelementes (5) anschließt.