DE102006023865A1

DE102006023865A1 - Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Bauteils

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Publication number: DE102006023865A1
Application number: DE200610023865
Authority: DE
Inventors: Jürgen FILSINGER; Markus Siemetzki; Klaus Dr. Schmidtke; Frank Strachauer
Original assignee: EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2006-05-19
Filing date: 2006-05-19
Publication date: 2007-11-22
Anticipated expiration: 2026-05-20
Also published as: DE102006023865B4

Abstract

Die Erfindung schlägt ein einfaches und zuverlässiges Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Bauteilen vor, welches insbesondere auch zur Bildung von vergleichsweise dickwandigen Laminaten geeignet ist. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die Schritte a) Stapeln mehrerer Faserwerkstofflagen (12) zu einem ersten Stapel (20), Zugeben eines aushärtbaren Matrixwerkstoffes und zumindest Teilaushärten des ersten Stapels (20), wobei der erste Stapel (20) vor und/oder während des Aushärten kompaktiert wird, b) Stapeln und Kompaktieren mehrerer Faserwerkstofflagen (28) auf dem ersten zumindest teilausgehärteten Stapel (24) zur Bildung eines zweiten Stapels (32), und c) Vereinigen eines nach Schritt a) gebildeten Stapels (24) mit einem daraufliegenden nach Schritt b) gebildeten Stapel (32) zur Bildung des Bauteils.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung von faserverstärkten Bauteilen.
Die Verwendung von faserverstärkten Bauteilen, auch als Faserverbundbauteile bezeichnet, ist vor allem wegen ihrer hohen spezifischen Festigkeit (Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht) in vielen Anwendungsbereichen vorteilhaft. Ein Faserverbundwerkstoff ist ein Mischwerkstoff, der im Allgemeinen aus zwei Hauptkomponenten besteht, nämlich einer Matrix und darin eingebetteten Fasern. Durch gegenseitige Wechselwirkungen dieser Komponenten erhält der Werkstoff höherwertigere Eigenschaften als jede der beiden einzeln beteiligten Komponenten.
Im Besonderen betrifft die vorliegende Erfindung die Herstellung relativ dickwandiger Faserverbundbauteile, in welchen typischerweise eine Vielzahl von Faserhalbzeugen (z.B. Gewebe, Gelege, Geflechte, Fasermatten oder Prepregs) übereinander geschichtet in einer Matrix eingebettet sind.
Insbesondere die Herstellung von faserverstärkten Bauteilen mit endkonturnahen Geometrien bereitet in der Praxis eine Reihe von Problemen. Große Setzwege (Dickenreduktion des Verbundaufbaus während des Herstellungsprozesses) führen beispielsweise oftmals zu unerwünschten Ondulationen am resultierenden Bauteil. Ferner enthält der Herstellungsprozess häufig eine exotherme Reaktion, die insbesondere bei dicken Laminaten problematisch ist. Beispielsweise kann eine solche Reaktion beim Aushärten eines als Matrixwerkstoff dienenden Harzes erfolgen, wobei die dabei erzeugte Wärme die Gefahr der unkontrollierten Erwärmung (Exothermie) der Matrix bis hin zu einer Entflammung des gesamten Faserverbundes mit sich bringt.
Schließlich ist insbesondere die Herstellung von relativ dickwandigen Laminaten mit endkonturnaher Geometrie mittels einfacher und kostengünstiger Herstellungsverfahren schwierig, wie dies z. B. diskutiert wird in dem Artikel von Feiler, M., Keck, R., Dudenhausen, W., "Erzeugung endkonturnaher Geometrien in Vakuuminfusionsverfahren", DGLR Luft- und Raumfahrtkongress: 100 Jahre Motorflug – 112 Jahre Menschenflug: Visionen gestalten Zukunft, München, 17.-20. November 2003, Deutsche Gesellschaft für Luft- und Raumfahrt e.V., 2003.
In vorstehend genannter Veröffentlichung wird die Herstellung von konturtreuen Faserverbundbauteilen in einem Vakuuminfusionsverfahren unter Zuhilfenahme spezieller "Druckstücke" vorgeschlagen, mittels welchen die zur Erzeugung der Kontur notwendigen hohen Kräfte auf den Stapelverbund ausgeübt werden. Nachteilig ist jedoch, dass mit solchen Druckstücken jeweils nur ganz spezielle Geometrien erzeugbar sind. Außerdem wird die oben erläuterte Problematik von exothermen Reaktionen während des Herstellungsprozesses wie auch das Problem von Ondulationen in den nicht eigens druckbeaufschlagten Bereichen des Stapelaufbaus nicht gelöst.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein einfaches und zuverlässiges Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Bauteilen bereitzustellen, welches insbesondere auch zur Bildung von vergleichsweise dickwandigen Laminaten geeignet ist.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Bauteils, umfassend die Schritte:

a) Stapeln mehrerer Faserwerkstofflagen zu einem ersten Stapel, Zugeben eines aushärtbaren Matrixwerkstoffes und zumindest Teilaushärten des ers ten Stapels, wobei der erste Stapel vor und/oder während des Aushärtens kompaktiert wird,
b) Stapeln und Kompaktieren mehrerer Faserwerkstofflagen auf dem ersten zumindest teilausgehärteten Stapel zur Bildung eines zweiten Stapels, und
c) Vereinigen eines nach Schritt a) gebildeten ersten Stapels mit einem daraufliegenden nach Schritt b) gebildeten zweiten Stapel zur Bildung des Bauteils.

Für die Erfindung wesentlich ist zunächst, dass ein erster Stapelaufbau aus Faserwerkstofflagen in einem Matrixwerkstoff bereits kompaktiert und zumindest teilausgehärtet ist (Schritt a), bevor weitere, ebenfalls der Bildung des Bauteils dienende Faserwerkstofflagen gestapelt und kompaktiert werden (Schritt b). Dieser mehrstufige Aufbauprozess des Verbundwerkstoffs entschärft bereits die Problematik im Hinblick auf ungünstig große Setzwege wie auch eine übermäßige Wärmeentwicklung erheblich. Darüber hinaus sind die zum Kompaktieren erforderlichen Kräfte vergleichsweise gering, so dass diese mit geringerem Werkzeugaufwand erzeugt werden können. Für die Erfindung wesentlich ist jedoch auch, dass das Stapeln und Kompaktieren der weiteren Faserwerkstofflagen (im Schritt b) zur Bildung des zweiten Stapels auf dem (bereits zumindest teilausgehärteten) ersten Stapel erfolgt. Der erste Stapel fungiert damit vorteilhaft als "integriertes Werkzeug" zur Bildung des zweiten Stapels.
Ein besonders bevorzugter Anwendungsbereich des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Herstellung von Kraftübertragungs- oder Krafteinleitungselementen oder Beschlägen, insbesondere z. B. mit L- oder T-förmigem Querschnitt, doppelt T-förmigem Querschnitt oder auch in Form einer so genannten "Kofferecke". Derartige Elemente bzw. Beschläge sind insbesondere als Strukturbauteile im Flug zeugbau interessant (z. B. mit Abmessungen in der Größenordnung von einigen 10 cm bis einigen m). Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können insbesondere derartige Bauteile oder auch andere Bauteile mit gekrümmten Bauteilabschnitten und/oder mit (zusammengesetzten) Wandstärken von mehr als 25 mm kostengünstig hergestellt werden, was nachstehend auch als „dicke" Laminate bzw. „dickwandige" Bauteile bezeichnet wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist vorteilhaft kompatibel zur Fertigung von dicken Laminaten bzw. dickwandigen Bauteilen mittels textiler Preform-Technik und Vakuuminfusionsverfahren (bzw. prinzipiell nach dem "open mould"-Verfahren).
Als Faserwerkstofflagen im oben erwähnten Schritt a) und/oder Schritt b) können insbesondere textile Halbzeuge wie Matten, Gelege, Gewebe, Geflechte oder auch Prepregs verarbeitet werden. Bei den Prepregs (engl. „preimpregnated fibers") sind die Setzwege zwar in der Regel weniger problematisch, jedoch bereitet die exotherme Reaktion bei den bisherigen Verfahren häufig Probleme. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können insbesondere hohe Werkzeugkosten, eine aufwendige Preformherstellung, eine schwierige Bestückung des Werkzeugs und ein empfindlicher Prozess vermieden werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Faserwerkstofflagen im Schritt a) schichtweise auf einer Formfläche eines Werkzeugs abgelegt. Insbesondere bei Verwendung einer größeren Anzahl von Faserlagen ist die Verwendung von so genannten NCF ("non crimp-fabric")-Einzellagen bevorzugt. Die Formfläche des Werkzeugs kann hierbei sowohl eben sein als auch wenigstens einen gekrümmten Flächenabschnitt aufweisen, beispielsweise um dem ersten Stapelaufbau einen abgewinkelten Profilquerschnitt (oder eine beliebig anders gekrümmte Form) zu verleihen.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass beim Stapeln der Faserwerkstofflagen im Schritt a) Binderlagen zwischen einander benachbarten Werkstofflagen vorgesehen werden. Derartige Binderlagen (z. B. Bindervlies) können als einzelne separate Lagen zwischen den Faserwerkstofflagen oder auch z. B. als Binder in Pulverform zu Vorfixierungs-Zwecken abgelegt bzw. angeordnet werden. Alternativ können auch Faserwerkstofflagen verwendet werden, die bereits mit einem Binder, beispielsweise durch Kaschieren, belegt sind oder mit einem aufschmelzbaren Garn/Faden oder Vlies verwebt bzw. verbunden sind.
In einer Ausführungsform, die insbesondere im Hinblick auf die Herstellung von dickwandigen Laminaten vorteilhaft ist, werden im Schritt a) insgesamt wenigstens zwei Faserwerkstofflagen gestapelt. In diesem Schritt können auch mehrere Stapel-Kompaktierungs-Zyklen erfolgen. Beispielsweise kann zunächst eine Anzahl von Faserwerkstofflagen (z. B. 2 bis 5) gestapelt und kompaktiert werden, sodann eine weitere Anzahl von Faserwerkstofflagen (z. B. nochmals 2 bis 5) darauf gestapelt und kompaktiert werden und dieser Stapel-Kompaktierungs-Prozess gegebenenfalls noch weiter wiederholt werden, bevor der aushärtbare Matrixwerkstoff zugegeben und zumindest teilausgehärtet wird.
Zum Kompaktieren im Schritt a) kann in einfacher Weise z. B. ein Vakuumaufbau verwendet werden. Ein Standardvakuumaufbau besteht beispielsweise darin, dass der Lagenaufbau mit einer luftdichten Folie bedeckt wird und sodann der Raum unter der Folie, in welchem sich der Lagenaufbau befindet, mehr oder weniger evakuiert wird. In diesem Fall kann der Lagenaufbau mit dem atmosphärischen Umgebungsdruck beaufschlagt werden. Alternativ oder zusätzlich zum Evakuieren des von der Folie begrenzten Raumes kann ein erhöhter Umgebungsdruck angewendet werden, etwa indem der Lagenaufbau samt Folie in einen Autoklaven gebracht wird. Auch ein Kompaktieren mittels Presse kann zur Anwendung kommen.
Falls Binderlagen (z. B. Thermoplastbinder) zwischen den Faserwerkstofflagen vorgesehen sind, so können diese vorteilhaft bereits vor oder während der Kompaktierung aktiviert (z. B. geschmolzen, angehärtet oder ausgehärtet) werden, etwa durch entsprechende Temperaturführung.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind im Schritt a) Binderlagen zwischen einander benachbarten Faserwerkstofflagen vorgesehen, die während oder unmittelbar nach der Kompaktierung zur Vorfixierung aktiviert werden, wobei der dann bereits zugegebene oder bevorzugt erst danach zugegebene Matrixwerkstoff erst dann teilausgehärtet bzw. gehärtet wird, wenn der Lagenaufbau durch die Aushärtung des Binders bereits vorfixiert ist.
Die Zugabe des aushärtbaren Matrixwerkstoffes in Schritt a) erfolgt in einer bevorzugten Ausführungsform durch Infiltration, beispielsweise durch Verwendung eines Vakuuminfusionsverfahrens, z. B. mittels eines Standardinfusionsverfahrens (VAP, VARI, etc.). Für ein Vakuuminfiltrationsverfahren kann z. B. ein Infiltrationsaufbau mit Membranaufbau verwendet werden, wobei in einer Abdeckfolie (z.B. Membran) und/oder dem Werkzeug entsprechende Ein- und Auslässe für eine Harzmatrix vorgesehen sind.
Eine Teilaushärtung des ersten Stapels im Schritt a) kann z. B. durch geeignete Temperaturführung erfolgen, wodurch z. B. ein Vernetzungsgrad einer Harzmatrix zwischen 50 % und 90 %, vorzugsweise etwa 80 % erzielt werden kann.
Aber auch die Kombination aus vollständig (100%) ausgehärtetem Stapel in Verbindung mit einer Klebstoffschicht zum Vereinigen von ersten und zweiten Stapeln ist möglich.
Im Schritt b) dient der teilausgehärtete (alternativ: vollausgehärtete) erste Stapel vorteilhaft als Fertigungs- bzw. Formwerkzeug für die nachfolgende Kompaktierung der weiteren Faserwerkstofflagen, die auf dem ersten Stapel zur Bildung des zweiten Stapels angeordnet werden. Der Vorteil des mit dem ersten Stapel gewissermaßen in den Prozess "integrierten Werkzeugs" ist besonders gravierend, wenn der erste Stapel wenigstens abschnittweise gekrümmt ist, beispielsweise einen gekrümmten Verlauf entsprechend einer gekrümmten Formfläche eines Werkzeugs besitzt, auf welcher die ersten Faserwerkstofflagen im Schritt a) gestapelt wurden. Der im Schritt a) gebildete erste Stapel gibt dann den oder die "richtigen" Krümmungsradien für die weiteren Lagen bzw. den weiteren Aufbau vor.
Abgesehen davon, dass im Schritt b) das Stapeln auf dem bereits vorgefertigten ersten Stapel erfolgt, können im Schritt b) die oben für den Schritt a) bereits erläuterten Ausgestaltungen und Besonderheiten vorteilhaft vorgesehen werden. So können beispielsweise auch im Schritt b) Binderlagen zwischen einander benachbarten Faserwerkstofflagen vorgesehen werden, eine größere Anzahl von Faserwerkstofflagen gestapelt werden, mehrere Stapel-Kompaktierung-Zyklen erfolgen, und zum Kompaktieren ein Vakuumaufbau (alternativ: Autoklav- oder Presstechnik) verwendet werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass dem in Schritt b) gebildeten Stapel spätestens im Schritt c) ein aushärtbarer Matrixwerkstoff zugegeben und ausgehärtet wird.
In einer Ausführungsvariante des Schritts c) ist vorgesehen, dass der im Schritt b) gebildete zweite Stapel mit dem bei Abschluss dieses Schritts b) darunter angeordneten, im Schritt a) gebildeten ersten Stapel dauerhaft vereinigt wird, bei spielsweise durch Zugabe und Vollaushärtung eines aushärtbaren Matrixwerkstoffes, z. B. mittels eines wie oben bereits beschriebenen Infiltrationsverfahrens.
In einer anderen Ausführungsvariante wird der im Schritt b) gebildete zweite Stapel im kompaktierten und gegebenenfalls durch Binderlagen gebundenen Zustand vom ersten Stapel abgenommen und mit einem anderen, z. B. nach Schritt a) gebildeten Stapel vereinigt. Bei diesem Vereinigungsschritt erfolgt dann bevorzugt die Zugabe und Aushärtung eines aushärtbaren Matrixwerkstoffes, um eine dauerhafte (d. h. nicht zerstörungsfrei lösbare) Verbindung zwischen den beiden Stapelaufbauten zu schaffen.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass im Schritt c) mehrere nach Schritt a) gebildete Stapel mit mehreren nach Schritt b) gebildeten Stapeln zur Bildung des gewünschten Bauteils vereinigt werden. Beispielsweise können die Schritte a) und b) parallel zueinander doppelt ausgeführt werden, so dass damit 2 Stapelpaare jeweils bestehend aus einem ersten Stapel und einem zweiten Stapel gebildet werden. Sodann können die 4 Stapel vereinzelt und neu zusammengefügt werden, um das Bauteil durch Vereinigung (z. B. Zugabe und Aushärtung eines Matrixwerkstoffes) dauerhaft miteinander zu verbinden.
In vielen Fällen ist es z. B. hinsichtlich der Logistik von Vorteil, wenn der oder die im Schritt b) verwendeten Faserwerkstoffe wenigstens teilweise identisch mit dem oder den bereits im Schritt a) verwendeten Faserwerkstoffen sind. Dasselbe gilt für gegebenenfalls vorgesehene Binderlagen sowie den im Herstellungsverfahren verwendeten Matrixwerkstoff.
Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante können die in Schritt a) und Schritt b) hergestellten Stapel jeweils nach dem Kompaktieren vollständig ausgehärtet wer den und dann anschließend in Schritt c) durch Verwendung einer Klebstoffschicht zu einem Bauteil zusammengefügt (d.h. vereinigt) werden.
Werden Prepregs (d.h. vor imprägnierte Faser-Halbzeuge) verwendet, so kann ggf. auf das Zugeben von aushärtbarem Matrixwerkstoff verzichtet werden, so dass das Verfahren dann folgende Schritte umfasst:

a) Stapeln mehrerer Prepreg-Lagen zu einem ersten Stapel, Kompaktieren der gestapelten Prepreg-Lagen und zumindest Teilaushärten des ersten Stapels,
b) Stapeln und Kompaktieren mehrerer Prepreg-Lagen auf dem zumindest teilweise ausgehärteten ersten Stapel zur Bildung eines zweiten Stapels, und
c) Vereinigen eines nach Schritt a) gebildeten ersten Stapels mit einem daraufliegenden nach Schritt b) gebildeten zweiten Stapel zur Bildung des Bauteils.

Auch bei einem derartigen Prepreg-Bauteil können die in den Schritten a) und b) gebildeten Stapel nach dem Kompaktieren auch vollständig ausgehärtet werden, die dann in Schritt c) mittels Klebstoffschicht zu einem Bauteil vereinigt werden. Bei einer derartigen Prepreg-Ausführung kann auf die oben beschriebenen Binderlagen sowie auf die Infiltration einer Hartmatrix verzichtet werden.
Prinzipiell ist das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren für beliebige Faserwerkstoffe und Matrixwerkstoffe geeignet. Besonders vorteilhaft ist das Verfahren gegenüber den bisherigen Verfahren für die Herstellung von stärker gekrümmten und/oder dickeren Bauteilen. Als Fasern kommen beispielsweise Glasfasern, Koh lenstofffasern, synthetische Kunststofffasern, Stahlfasern oder Naturfasern in Betracht. Als Matrixmaterial sind insbesondere Kunststoffe wie z. B. duroplastische Kunststoffe (Kunstharze) interessant. Diese Aufzählungen sind jedoch lediglich beispielhaft zu verstehen. Außerdem können gegebenenfalls in an sich bekannter Weise Füllstoffe oder andere Additive zugegeben werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben. In denen zeigt schematisch:
1 das Stapeln mehrerer Faserwerkstofflagen auf einer Formfläche eines Werkzeugs,
2 die Kompaktierung des gemäß 1 gebildeten Stapels,
3 die Zugabe und (Teil-)Aushärtung eines Matrixwerkstoffes nach der Kompaktierung gemäß 2,
4 das Stapeln mehrerer weiterer Faserwerkstofflagen auf dem gemäß der 1 bis 3 gebildeten ersten Stapel zur Bildung eines zweiten Stapels,
5 die Kompaktierung des zweiten Stapels sowie die Aktivierung des Binders des zweiten Stapels im Anschluss an das Stapeln gemäß 4,
6 ein Temperaturverlaufsdiagramm zur Veranschaulichung verschiedener Härtungszyklen,
7 die Positionierung eines Zwickels auf einem vorkompaktierten Bodenlaminat,
8 die Zusammenlegung von zwei gemäß 5 vorkompaktierten Stapeln auf dem in 7 dargestellten Bodenlaminat,
9 die Anfügung von zwei gemäß 3 gebildeten, zumindest teilausgehärteten Stapeln am Zusammenlegungsaufbau von 8,
10 die Infiltration des Gesamtaufbaus von 9 mit einem aushärtbaren Matrixwerkstoff,
11 die Teilaushärtung der im Gesamtaufbau von 10 enthaltenen vorkompaktierten und infiltrierten Stapel,
12 das Tempern des Gesamtaufbaus zur dauerhaften Verbindung der darin enthaltenen Verbundwerksstoffe und damit Schaffung des Bauteils, und
13 eine Übersichtsdarstellung des Gesamtprozesses.
Die 1 bis 12 veranschaulichen ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Bauteils 10 (12), umfassend drei nacheinander durchgeführte Schritte:

a) Stapeln mehrerer Faserwerkstofflagen zu einem ersten Stapel, Kompaktieren des ersten Stapels, Infiltrieren des ersten Stapels mit einem aushärtbaren Matrixwerkstoff und Aushärten oder Teilaushärten des ersten Stapels (1 bis 3),
b) Stapeln mehrerer weiterer Faserwerkstofflagen auf dem zumindest teilausgehärteten ersten Stapel zur Bildung eines zweiten Stapels und Kompaktieren der weiteren Faserwerkstofflagen (4 bis 5), und
c) Vereinigen von zwei nach Schritt a) gebildeten ersten Stapeln mit jeweils daran anliegenden nach Schritt b) gebildeten zweiten Stapeln zur Bildung des Bauteils (7 bis 12).

Diese 3 Schritte a), b) und c) werden nachfolgend detaillierter beschrieben.
Wie es in 1 dargestellt ist, werden zunächst mehrere Einzellagen 12 (in 1 sind 5 derartige Einzellagen 12 dargestellt) in Form von textilen Halbzeugen (z. B. Matten, Gelege, Gewebe, Geflechte oder Prepregs) schichtweise auf einer Formfläche 14 eines Werkzeugs, manuell oder automatisch, abgelegt. Der Pfeil 16 symbolisiert die Lege- bzw. Kompaktierrichtung bei diesem Stapelprozess. In der Figur nicht dargestellt sind Binderschichten, mit denen die einzelnen Faserwerkstofflagen 12 wenigstens auf denjenigen Seiten versehen sind, die im gebildeten Stapel einer benachbarten Faserwerkstofflage 12 zugewandt sind.
Sodann wird, wie dies aus 2 ersichtlich ist, der aus den Faserwerkstofflagen 12 gebildete Stapel bzw. Lagenaufbau mit einer luftdichten Folie 18 bedeckt und durch Evakuieren des Raums unterhalb der Folie mit dem Umgebungsdruck (atmosphärischer Luftdruck) beaufschlagt. Die hierfür erforderlichen Evakuierungsmittel (Luftabsauganschlüsse am Lagenaufbau und Vakuumpumpe) sind der Einfachheit der Darstellung halber in der Figur nicht eingezeichnet.
Diese Druckbeaufschlagung erfolgt bei einer Temperatur, die oberhalb der Aushärtetemperatur des Binders liegt, so dass der aus den Lagen 12 gebildete Stapel 20 hierbei sowohl in seiner Dicke reduziert wird als auch eine gewisse Eigenstabilität durch die Verfestigung des Binders erhält. Im dargestellten Beispiel ist ein Thermoplastbinder mit einer Erweichungstemperatur von etwa 80 °C vorgesehen. Die Temperatur beim Kompaktieren beträgt 110 °C. Die jeweiligen Temperaturen hängen selbstverständlich vom verwendeten Bindermaterial ab.
Dann erfolgt, wie es in 3 dargestellt ist, eine Infiltration des Stapels 20 mittels eines Standardinfusionsverfahrens (VAP, VARI, etc.), bei welchem der Stapel 20 mit einem (nicht dargestellten) Verteilermedium und typischerweise einer Folie 22 bedeckt wird. Sodann wird ein Matrixwerkstoff in Form einer flüssigen Harzmatrix über einen nicht dargestellten Einlass und das Verteilermedium für eine vergleichmäßigte Verteilung des Harzes einströmen gelassen. Ferner wird der Innenraum wieder evakuiert bzw. das überschüssige Harz über (nicht dargestellte) Auslässe abgesaugt. Nachdem der Stapel 20 vollständig mit dem Matrixwerkstoff getränkt ist, wird die Harzzufuhr unterbrochen und eine (Teil-) Aushärtung durch einen geeigneten Temperaturzyklus des Aufbaus bewirkt. Anstelle eines derartigen Infiltrationsprozesses kann die Harzmatrix auch durch einen Harzfilm (z.B. in Form einer Folie) appliziert werden, der z.B. den Stapel 20 abdeckt oder vorher zwischen den Faserwerkstofflagen 12 angeordnet wurde.
Im dargestellten Beispiel erfolgt eine Teilaushärtung des Stapels 20 zur Bildung eines teilausgehärteten Stapels 24 bei einer Temperatur von 110 °C mit einem Temperaturverlauf, der in 6 dargestellt und mit 26 bezeichnet ist. Diese Temperatur bzw. der Temperaturverlauf ist derart an die verwendete Harzmatrix angepasst, dass hierbei keine vollständige Vernetzung der Matrix erzielt wird, sondern lediglich ein Vernetzungsgrad von vorzugsweise 80 % ± 10 % erreicht wird. Bei dem in diesem Beispiel verwendeten Temperaturverlauf erfolgt zunächst ein etwa linearer Temperaturanstieg (0,5 °C/min), gefolgt von einer Phase mit etwa konstanter Temperatur von 110 °C, die den Großteil des Anhärteprozesses ausmacht, und schließlich gefolgt von einem wieder etwa linearen Temperaturabfall, der im Vergleich zum Temperaturanstieg relativ rasch erfolgt. Die somit maximal erreichte und über einen Großteil des Verlaufs (dieser ist abhängig von der Bauteildicke und der Matrix) gehaltene Aushärtetemperatur von 110 °C ist kleiner als die typische Aushärtetemperatur der verwendeten Harzmatrix. In 6 gestrichelt darge stellt und mit 42 bezeichnet ist ein "herkömmlicher Temperaturverlauf', der zum vollständigen Aushärten eines vergleichsweise dünnen Laminats aus den beschriebenen Werkstoffen verwendet werden könnte.
Damit ist der oben erwähnte Schritt a) abgeschlossen.
Der teilausgehärtete Stapel 24 dient sodann als Formwerkzeug für die nachfolgend beschriebene Ausbildung eines zweiten Lagenstapels.
Wie es in 4 dargestellt ist, werden nun weitere Faserwerkstofflagen 28 in einer Kompaktier- bzw. Legerichtung 30 auf dem bereits teilausgehärteten ersten Stapel 24 schichtweise abgelegt, wobei die in 4 obere Oberfläche des Stapels 24 im dargestellten Beispiel einen Krümmungsradius für den durch die weiteren Lagen 28 gebildeten Stapel vorgibt.
Dann erfolgt, wie es in 5 dargestellt ist, eine Kompaktierung der weiteren Lagen 28 zu einem kompaktierten zweiten Stapel 32. Diese Kompaktierung erfolgt im dargestellten Beispiel wie oben mit Bezug auf 2 für den ersten Stapel 20 beschrieben in einem Standardvakuumverfahren unter Zuhilfenahme einer luftdichten Folie 34, ggf. mittels Autoklav oder auch mit Presstechnik. Anders als mit Bezug auf 2 beschrieben, ist bei der Kompaktierung des zweiten Stapels 32 jedoch nicht die Werkzeugformfläche 14 konturbestimmend sondern die diesem Stapel zugewandte Flachseite des ersten teilausgehärteten Stapels 24. Damit wird eine zwangsläufige Anpassung der in 5 unteren Flachseite des zweiten Stapels 32 an die in 5 obere Flachseite des ersten Stapels 24 realisiert.
Damit ist der oben erwähnte Schritt b) beendet, der jedoch beliebig oft wiederholt werden kann.
Ausgehend von der in 5 dargestellten Situation ist es denkbar, ähnlich bzw. praktisch identisch wie mit Bezug auf 3 beschrieben, den zweiten vorkompaktierten Stapel 32 in seiner Anordnung auf dem bereits teilausgehärteten ersten Stapel 24 mit einem Matrixwerkstoff zu versehen und den Gesamtaufbau aus den beiden Stapeln 24, 32 vollständig auszuhärten, um hierdurch eine dauerhafte Verbindung herzustellen. Es wird damit ein faserverstärktes Bauteil mit dem aus 5 ersichtlichen L-förmigen Querschnitt resultieren, wobei die eingangs erläuterten Nachteile aus dem Stand der Technik vermieden sind. Insbesondere kann diese Bauteil mit vergleichsweise großer Schichtdicke (z. B. > 25 mm) problemlos gefertigt werden. Diese Herstellungsvariante kann selbstverständlich im Hinblick auf die Anzahl und Art der in den Schritten a) und b) verwendeten Faserwerkstoffe, hinsichtlich des oder der verwendeten Matrixwerkstoffe und hinsichtlich der Gestaltung der Werkzeugformfläche 14 modifiziert werden.
Der vorstehend erwähnte Vereinigungsschritt zur Bildung des gewünschten Bauteils ist bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel jedoch in anderer Weise vorgesehen und wird nachfolgend mit Bezug auf die 7 bis 12 beschrieben.
Wie es in 7 dargestellt ist, wird zur Realisierung des oben erwähnten Schritts c) ein in Form einer ebenen Platte vorkompaktiertes Bodenlaminat 36 bereitgestellt. Bei diesem Bodenlaminat 36 handelt es sich bevorzugt um eine textile Preform, die ähnlich wie oben mit Bezug auf die 1 und 2 beschrieben gefertigt wurde. Zur praktischen Vereinfachung der nachfolgenden Vereinigung vorgefertigter Komponenten kann sodann, wie in 7 dargestellt, ein Zwickel 38 (z.B. Schaumkern, textiler oder harter Zwickel z.B. aus CFK) auf dem kompaktierten Verbund 36 positioniert werden.
Sodann werden, wie es in 8 dargestellt ist, zwei nach obigem Schritt b) gebildete Stapel 32 als vorgefertigte Komponenten am Schaumkern 38 und Bodenla minat 36 angrenzend zusammengelegt. Dass hier zwei Komponenten 32 verwendet werden können, rührt daher, dass die oben mit Bezug auf die 1 bis 5 erläuterten Schritte parallel zueinander doppelt ausgeführt wurden (s. z.B. 13).
Anschließend werden die aus diesen beiden parallel ausgeführten Schritten resultierenden ersten, bereits teilausgehärteten Stapel 24 "passend" als noch weitere Komponenten an die kompaktierten Stapel 32 angelegt, wie dies in 9 dargestellt ist.
An dieser Stelle sei angemerkt, dass der in 9 gezeigte Gesamtaufbau auch dadurch realisiert werden kann, dass zwei Stapelpaare der in 5 dargestellten Art aneinander gefügt werden (ohne die jeweils ein Paar bildenden Stapel 24, 32 vorher zu vereinzeln). Selbstverständlich ist auch eine Anordnung ohne Bodenlaminat 36 und/oder Schaumkern 38 möglich. Daneben kann auch die Reihenfolge der Schritte gemäß 7 bis 9 umgekehrt werden.
Der Gesamtaufbau gemäß 9 mit dem im Zwickelbereich angeordneten Schaumkern 38 (oder einem anderen textilen Halbzeug oder vorausgehärtetem Material) wird sodann wie in 10 dargestellt erwärmt. Bei ca. 100 °C wird der Binder aktiviert und, wie in 11 dargestellt, wieder mit einer Harzmatrix infiltriert und bei 120 °C teilausgehärtet. Ein dazu zweckmäßiger Membranaufbau mit Einlass und Auslass für die Harzmatrix ist in dieser Figur und den nachfolgenden 11 und 12 der Einfachheit der Darstellung halber wieder weggelassen. Auch hier kann zur Applikation der Harzmatrix anstelle eines Infiltrationsprozesses der voranstehend erwähnte Harzfilm verwendet werden.
Die 11 und 12 veranschaulichen die Aushärtung des Gesamtaufbaus entsprechend einem modifizierten Aushärtezyklus, der in 6 dargestellt und mit 40 bezeichnet ist. Bei diesem Verlauf erfolgt wie beim Verlauf 26 zunächst ein etwa li nearer Temperaturanstieg zu einer Temperatur von etwa 120 °C, die sodann über einen längeren Zeitraum gehalten wird. In dieser Temperaturverlaufsphase erfolgt eine Teilaushärtung der in den Stapeln 24 befindlichen Harzmatrix (vgl. 11). Im weiteren Verlauf dieser Temperierung erfolgt ein noch weiterer etwa linearer Temperaturanstieg (0,5 °C/min) auf eine Maximaltemperatur von etwa 150 °C, die zum Tempern des Gesamtaufbaus eine gewisse Zeitdauer gehalten wird (vgl. 12), woraufhin die Temperatur zur Beendigung dieser Temperierung wieder abfällt. Durch das Tempern bei 150 °C für einige Stunden wird ein Vernetzungsgrad von nahezu 100 % der Matrix erreicht und der oben erwähnte Schritt c) und die Herstellung des Bauteils 10 sind beendet.
Das Bauteil 10 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel ein Profilteil mit T-förmigem Querschnitt. Dabei bilden die nach Schritt a) gebildeten Komponenten "äußere Schalen", wohingegen die nach Schritt b) gebildete Komponente eine "innere Schale" am fertigen Bauteil 10 ausbildet.
13 veranschaulicht nochmals den Gesamtprozess der vorstehend beschriebenen Herstellung des Bauteils 10. Daraus wird die beim obigen Ausführungsbeispiel vorgesehene "Kaskadierung" der Herstellungsschritte deutlich, bei welcher die Schritte a) und b) doppelt ausgeführt werden und die daraus resultierenden vorgefertigten Komponenten in einem einzigen weiteren Vereinigungsschritt c) miteinander verbunden und vollständig ausgehärtet werden.
Ganz allgemein können diese Schritte auch in anderer Weise kaskadisch hintereinander geschaltet sein, so dass das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren auch für die Fertigung von theoretisch beliebig dicken und/oder komplizierter geformten Laminaten geeignet ist. Insbesondere kann das beschriebene Verfahren z. B. hinsichtlich der Anzahl von parallel ausgeführten Schritten a) und b) modifiziert werden. Des Weiteren können auch der Schritt a) und/oder der Schritt b) der gestalt modifiziert werden, dass in jedem dieser Schritte jeweils eine bestimmte Anzahl von Faserwerkstofflagen gestapelt und kompaktiert und teilausgehärtet bzw. ausgehärtet werden und sodann gleich noch weitere Faserwerkstofflagen in demselben Schritt aufgestapelt und kompaktiert werden.
Auch im Hinblick auf die Gestaltung der Werkzeugformfläche sind vielfältige Modifikationen denkbar. Ein wesentlicher Punkt der Erfindung bleibt jedoch auch dann die dem Herstellungsverfahren inhärente Bereitstellung einer von der Oberfläche einer teil- oder ausgehärteten Komonente (Stapel 24) für die nachfolgende Formgebung beim Kompaktieren einer weiteren Bauteilkomponente (Stapel 32) für dasselbe Bauteil gebildeten "Werkzeugfläche". Diese Oberfläche kann zudem vor dem Ablegen weiterer Faserwerkstofflagen zur Bildung weiterer Stapel oberflächenbehandelt werden und/oder mit einer Klebstoffschicht versehen werden.
Es sei zudem angemerkt, dass bei der im Zusammenhang mit 1-13 beschriebenen Bauteil-Herstellung für den Fall, dass Prepreg-Lagen verwendet werden, ggf. auf die Infiltration einer Harzmatrix verzichtet werden kann, da die Prepreg-Lagen an sich vorimprägniert sind. Ebenso ist das Anordnen von Binderlagen nicht zwingend erforderlich. Ansonsten kommen die voranstehend beschriebenen Schritte a), b) und c) ebenso zur Anwendung.
Mit der erfindungsgemäßen Herstellung kann die Preformqualität erheblich verbessert werden (keine Ondulationen). Außerdem wird das Aushärten von dicken Laminaten (durch Verhinderung einer unkontrollierten exothermen Reaktion) vereinfacht und ohne größere Risiken ermöglicht. Schließlich kann das Bauteil bei geringen Werkzeugkosten (insbesondere bei einem Verzicht auf Autoklav-Prozessschritte oder geschlossene Werkzeuge wie beim RTM-Prozess) mit hoher Konturgenauigkeit hergestellt werden. Jedoch besteht auch die Möglichkeit einen oder mehrere Prozessschritte in einem geschlossenen Werkzeug herzustellen (z.B. RTM-Prozess).
Sämtliche bei dem beschriebenen Beispiel vorgesehenen Temperaturen und Temperierungszeiten bei den verschiedenen Prozessschritten können selbstverständlich an den jeweiligen Anwendungsfall und insbesondere das verwendete Matrixmaterial angepasst modifiziert werden.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Bauteils (10), umfassend die Schritte: a) Stapeln mehrerer Faserwerkstofflagen (12) zu einem ersten Stapel (20), Zugeben eines aushärtbaren Matrixwerkstoffes und zumindest Teilaushärten des ersten Stapels (20), wobei der erste Stapel (20) vor und/oder während des Aushärtens kompaktiert wird, b) Stapeln und Kompaktieren mehrerer Faserwerkstofflagen (28) auf dem ersten zumindest teilausgehärteten Stapel (24) zur Bildung eines zweiten Stapels (32), und c) Vereinigen eines nach Schritt a) gebildeten Stapels (24) mit einem darauf liegenden nach Schritt b) gebildeten Stapel (32) zur Bildung des Bauteils (10).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei im Schritt a) die Faserwerkstofflagen (12) schichtweise auf einer Formfläche (14) eines Werkzeugs abgelegt werden.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Formfläche (14) des Werkzeugs eben oder wenigstens einen gekrümmten Flächenabschnitt aufweist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei beim Stapeln der Faserwerkstofflagen (12, 28) im Schritt a) und/oder Schritt b) Binderlagen zwischen einander benachbarten Faserwerkstofflagen (12, 28) vorgesehen werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei beim Stapeln im Schritt a) und/oder Schritt b) wenigstens zwei Faserwerkstofflagen (12, 28) gestapelt werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei im Schritt a) und/oder Schritt b) mehrere Stapel-Kompaktierung-Zyklen erfolgen.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zum Kompaktieren im Schritt a) und/oder Schritt b) ein Vakuumaufbau (18, 34) verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei im Schritt a) der aushärtbare Matrixwerkstoff durch Infiltration oder mittels Harzfilm zugegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei für die Infiltration ein Vakuuminfusionsverfahren verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei im Schritt c) ein aushärtbarer Matrixwerkstoff zugegeben und ausgehärtet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei im Schritt c) mehrere nach Schritt a) gebildete Stapel (20) mit mehreren nach Schritt b) gebildeten Stapeln (32) vereinigt werden.
Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Bauteils (10), umfassend die Schritte: a) Stapeln mehrerer Prepreg-Lagen zu einem ersten Stapel, Kompaktieren der gestapelten Prepreg-Lagen und zumindest Teilaushärten des ersten Stapels, b) Stapeln und Kompaktieren mehrerer Prepreg-Lagen auf dem zumindest teilweise ausgehärteten ersten Stapel zur Bildung eines zweiten Stapels, und c) Vereinigen eines nach Schritt a) gebildeten ersten Stapels mit einem darauf liegenden nach Schritt b) gebildeten zweiten Stapel zur Bildung des Bauteils.