DE102006031325A1 - Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils für die Luft- und Raumfahrt - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein erstes Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils (34), insbesondere in der Luft- und Raumfahrt, mit folgenden Verfahrensschritten: Einbringen einer Kernhülle (9) in ein Formwerkzeug (2) zum Festlegen einer äußeren Geometrie eines auszubildenden Formkerns (27); Befüllen der eingebrachten Kernhülle (9) mit einem vakuumfixierbaren Füllmaterial (21); Anlegen eines Vakuums an die Kernhülle (9) und damit Vakuumfixieren des Füllmaterials (21) zum Ausbilden des Formkerns (27); und wenigstens abschnittsweise Ablegen von wenigstens einem Faserhalbzeug (33a, 33b) auf dem ausgebildeten Formkern (27) zur Formgebung des herzustellenden Faserverbundbauteils (34).

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils, insbesondere für die Luft- und Raumfahrt, auf einen Formkern zur Herstellung eines derartigen Faserverbundbauteils und auf ein Faserverbundbauteil mit wenigstens einem Stringer, welches mittels eines solchen Formkerns und/oder eines solchen Verfahrens hergestellt ist.
  • Obwohl auf beliebige Faserverbundbauteile anwendbar, werden die vorliegende Erfindung sowie die ihr zugrundeliegende Problematik nachfolgend mit Bezug auf flächige, stringerversteifte Kohlefaserkunststoff (CFK)-Bauteile, beispielsweise Hautschalen, eines Flugszeugs näher erläutert.
  • Es ist allgemein bekannt, CFK-Hautschalen mit CFK-Stringern zu versteifen, um den im Flugzeugbereich auftretenden Belastungen bei möglichst geringem zusätzlichen Gewicht standzuhalten. Dabei werden im Wesentlichen zwei Arten von Stringern unterschieden: T- und Ω-Stringer.
  • Der Querschnitt von T-Stringern setzt sich aus der Basis und dem Steg zusammen. Die Basis bildet die Verbindungsfläche zur Hautschale. Die Verwendung von T-Stringer versteiften Hautschalen ist im Flugzeugbau weit verbreitet.
  • Ω-Stringer weisen in etwa ein Hutprofil auf, wobei dessen Enden mit der Hautschale verbunden sind. Ω-Stringer können entweder im ausgehärteten Zustand auf die ebenfalls ausgehärtete Hautschale geklebt, oder gleichzeitig mit der Schale Nass-in-Nass ausgehärtet werden. Letzteres wird angestrebt, weil dies prozesstechnisch günstiger ist. Zur Nass-in-Nass-Herstellung von mit Ω-Stringern versteiften Hautschalen sind jedoch Stütz- bzw. Formkerne notwendig, um die formlabilen Faserhalbzeuge während des Herstellungsprozesses in der gewünschten Ω-Form zu fixieren und abzustützen. Hautschalen mit Ω-Stringern weisen gegenüber T-Stringern den Vorteil einer besseren Infiltrierbarkeit während eines Infusionsverfahrens zum Einbringen einer Matrix, beispielsweise eines Epoxidharzes, in die Faserhalbzeuge auf. Infusionsverfahren sind gegenüber anderen bekannten Verfahren zur Herstellung von Faserverbundbauteilen, wie beispielsweise dem Prepreg-Verfahren, kostengünstig, weil dies die Verwendung von kostengünstigeren Faserhalbzeugen erlaubt.
  • Es besteht jedoch bei der Herstellung von Ω-Stringern das Problem, dass das gegenwärtig für den Stütz- bzw. Formkern verwendete Material kostenintensiv ist und nach dem Ausbilden der Ω-Stringer nur schwierig entfernt werden kann, so dass das in den Stringern verbleibende Material zu dem Gewicht des Faserverbundbauteils und damit zu dem Gewicht des Flugzeugs nachteilig beiträgt. Weiterhin ist problematisch, dass das in den Stringern verbleibende Material zu dem Gesamtgewicht des Flugzeugs nachteilig beiträgt.
  • Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein kostengünstigeres und leichteres Faserverbundbauteil, insbesondere für die Luft- und Raumfahrt, bereitzustellen.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, einen Formkern mit den Merkmalen des Patentanspruchs 22 und/oder durch ein Faserverbundbauteil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 29 gelöst.
  • Demgemäß wird ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils, insbesondere eines Stringers an einem Basisteil in der Luft- und Raumfahrt, mit den folgenden Verfahrensschritten bereitgestellt: Einbringen einer Kernhülle in ein Formwerkzeug zum Festlegen einer äußeren Geometrie eines auszubildenden Formkerns; Beschicken der eingebrachten Kernhülle mit einem vakuumfixierbaren Füllmaterial; Anlegen eines Vakuums and die Kernhülle und damit Vakuumfixieren des Füllmaterials zum Ausbilden des Formkerns; und wenigstens abschnittsweise Ablegen von wenigstens einem Faserhalbzeug auf dem ausgebildeten Formkern zur Formgebung für das herzustellende Faserverbundbauteil.
  • Ferner wird ein Formkern zur Herstellung eines Faserverbundbauteils, insbesondere eines Stringers an einem Basisteil, insbesondere in der Luft- und Raumfahrt, mit einer Kernhülle, welche eine äußere Oberfläche des Formkerns bildet, und einem vakuumfixierbaren Füllmaterial, welches mittels der Kernhülle vakuumfixiert ist, bereitgestellt.
  • Weiterhin wird ein Faserverbundbauteil mit wenigstens einem Stringer insbesondere für die Luft- und Raumfahrt, welches mittels des erfindungsgemäßen Formkerns und/oder dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist, bereitgestellt.
  • Somit weist die vorliegende Erfindung gegenüber den eingangs genannten Ansätzen den Vorteil auf, dass das Faserverbundbauteil mittels eines kostengünstigen Formkerns herstellbar ist. Anstelle eines kostenintensiven Materials für den Formkern kann vorteilhaft ein äußerst kostengünstiges fixierbares Füllmaterial, wie beispielsweise Quarzsand, für den Formkern verwendet werden.
  • In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der vorliegenden Erfindung.
  • Unter einem „vakuumfixierbaren Füllmaterial" ist vorliegend ein Füllmaterial zu verstehen, das insbesondere kornförmige Elemente aufweist, die sich bei Anlegen eines Kompressionsdrucks auf das Füllmaterial ineinander verhaken. Die Form des Füllmaterials ist solange fest definiert, wie der Kompressionsdruck auf das Füllmaterial aufrechterhalten wird. Wird der Kompressionsdruck entfernt, stehen die Elemente nicht mehr im Eingriff und eine Veränderung der geometrischen Form des Füllmaterials ist freigegeben.
  • Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird die Kernhülle vor dem Befüllen durch Schwerkraft und/oder durch ein auf eine äußere Oberfläche der Kernhülle wirkendes Ansaugmittel geöffnet gehalten. Somit lässt sich die Kernhülle leicht befüllen. Besonders vorteilhaft werden die Ansaugmittel durch die gleichen Mittel gebildet wie die Mittel, welche zur Vakuumfixierung der Kernhülle verwendet werden.
  • Es kann beispielsweise entweder eine elastische Kernhülle mit etwas geringerem Durchmesser als der auszubildende Formkern verwendet werden, oder eine Kernhülle mit einem etwas größerem Durchmesser, wobei es im letzteren Fall zu einer tolerierbaren Faltenbildungen kommen kann.
  • Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird das vakuumfixierbare Füllmaterial in dem Formwerkzeug vor dem Vakuumfixieren kompaktiert und/oder geschüttelt. Unter „Kompaktieren" ist eine Verdichtung der Körner des Füllmaterials zu verstehen.
  • Vorzugsweise ist das Formwerkzeug in Längsrichtung teilbar ausgebildet, um eine einfache Entnahme des Formkerns sicher zu stellen.
  • Ein Kompaktieren und/oder Schütteln vor dem Vakuumfixieren fördert ein in Eingriff kommen der Elemente des Füllmaterials und führt daher zu einer festen definierten geometrischen Form des Füllmaterials, wenn der Kompressionsdruck aufgebracht wird.
  • Unter "Vakuumfixieren" ist das Vorsehen eines Unterdrucks an einer Öffnung der Kernhülle zu verstehen. Bedingt durch den Unterdruck zieht sich die Kernhülle fest um das fixierbare Füllmaterial und fixiert dieses folglich. Die Öffnung wird anschließend durch beispielsweise Verschweißen und/oder Verkleben verschlossen bzw. versiegelt. Alternativ kann eine Vakuumerzeugungseinrichtung permanent bis nach der Aushärtung des CFK-Bauteils angeschlossen bleiben. Dadurch wird eine Prozessüberwachung besser möglich, wie beispielsweise das Detektieren von Undichtigkeiten in der Kernhülle. Ferner kann das Vakuum in der Kernhülle bei Undichtigkeiten in dieser aufrechterhalten werden.
  • Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind im Bereich scharfkantig auszubildender Übergänge der äußeren Geometrie des auszubildenden Formkerns innerhalb und/oder außerhalb der Kernhülle Verstärkungsmittel angeordnet. Diese Verstärkungsmittel, insbesondere Eckprofilteile mit einem in etwa dreieckigen Querschnitt, erhöhen unter Anderem die Kantenfestigkeit des Formkerns. Weitere Funktionen der Eckprofilteile können die Vergrößerung der Radien, beispielsweise in dem Bereich, in welchem der Stringer an das Basisteil anschließt, eine fasergerechte Auslegung, die Beeinflussung der Harzverteilung sowie das Schützen der Kernhülle vor Beschädigung sein.
  • Obwohl andere Ausführungsformen der Eckprofilteile denkbar sind, bietet sich eine Ausführung mit einem geflochtenen CFK-Zwickel oder extrudierten Kunststoffzwickel besonders an. Der CFK-Zwickel weist einen grob gewebten CFK-Flechtschlauch mit mittig eingezogenem Faserstrang auf, welcher sich einfach in eine dreieckige Form pressen lässt. Der CFK-Zwickel härtet mit dem Faserverbundbauteil aus. Der extrudierte Kunststoffzwickel kann wahlweise im Bauteil belassen oder entfernt werden. Die oberhalb beschriebene Ausführung mit dem CFK-Zwickel oder Kunststoffzwickel bietet folgende Vorteile: Die undefinierte Ausbildung von Harznestern in den Ecken wird vermieden. Dadurch kann zum Einen Gewicht gespart werden und zum Anderen werden scharfe Knicke im CFK-Gelege vermieden. Ferner bieten sich Möglichkeiten für einen optimierten Faserverlauf im Stringer und/oder Basisteil durch vergrößerte Radien. Weiterhin wird ein ungewolltes Voreilen des Harzes bei der Infiltration verhindert, da jegliche Kavitäten durch den Formkern mit den Eckprofilteilen ausgefüllt werden. Des Weiteren wird eine einfachere und sicherere Entformung gewährleistet. Ein Festklemmen des Kerns in den Ecken wird unwahrscheinlicher. Ferner wird die Empfindlichkeit eines spröden oder weichen Formkerns beim Handling reduziert, da Belastungen auf die Eckprofilteile verlagert werden. Weiterhin wird die Formkernherstellung vereinfacht, da der Formkern nun nicht mehr mit scharfen Kanten ausgebildet werden muss. Darüber hinaus wird die Kernhülle bei außenseitig zu dieser angeordneten Eckprofilteilen geschont, da nunmehr keine scharfen Kanten von der Kernhülle ausgebildet werden, an denen eine Ermüdung des Kernhüllenmaterials stattfinden könnte.
  • Unter „Faserhalbzeugen" sind Gewebe, Gelege und Fasermatten zu verstehen. Diese werden mit einer Matrix, beispielsweise einem Epoxydharz, versehen und anschließend zu einem Faserverbundbauteil beispielsweise mit Hilfe eines Autoklauen ausgehärtet.
  • Vorzugsweise wird eine Trennschicht auf die Kernhülle aufgebracht, welche ein Anhaften des ausgehärteten Faseverbundbauteils vermindert. Dadurch wird ein Entfernen der Kernhülle nach dem wenigstens teilweise Aushärten des mittels des Formkerns geschaffenen Abschnitts des Faserverbundbauteils erleichtert.
  • Gemäß einer weiter bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird der Formkern auf einem Basisteil aus Faserverbundhalbzeugen angeordnet und/oder mit Faserhalbzeugen zum Ausbilden wenigstens eines Abschnitts des Faserverbundbauteils wenigstens teilweise umgeben. Somit können vorteilhaft Basisteile, beispielsweise Hautschalen, Druckkalotten, etc. mit Q-Stringern ausgebildet werden. Alternativ oder zusätzlich können auch separate Faserverbundbauteile hergestellt werden, die gänzlich in ihrer Form durch den Formkern definiert werden.
  • Nach einem weiter bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird das fixierbare Füllmaterial nach dem Aufheben der Vakuumfixierung aus der Kernhülle entfernt, insbesondere ausgeschüttet, ausgespült und/oder abgesaugt. Das Entfernen des Vakuums bedingt, dass das fixierbare Füllmaterial nun nicht mehr fixiert ist und aus einer Öffnung der Kernhülle aus der Kernhülle entfernt werden kann. Dies kann beispielsweise mittels eines Saugrüssels geschehen, der in das Füllmaterial geschoben wird und dieses aus der Kernhülle aussaugt. Sobald ausreichend Füllmaterial aus der Kernhülle entfernt ist, kann die Kernhülle, beispielsweise bei der Herstellung eines Ω-Stringers, aus diesem in Längsrichtung des Ω-Stringers herausgezogen werden. Folglich trägt dann der Kern nicht mehr zu dem Gesamtgewicht eines Flugzeugs bei und beeinträchtigt somit nicht mehr dessen Nutzlast.
  • Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird der Formkern mit wenigstens einem Hinterschnitt ausgebildet. Dieser Hinterschnitt liegt vorzugsweise in Längsrichtung des Formkerns. Somit lassen sich mittels eines solchen Formkerns Stringer mit in deren Längsrichtung variablem Querschnitt herstellen. Weiterhin vorteilhaft ist, dass sich die Kernhülle nach Entfernen der Vakuumfixierung und des Füllmaterials vorteilhaft aus dem Formkern mit Hinterschnitt entnehmen lässt.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand des in den schematischen Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen dabei:
  • 1 einen Verfahrenszustand bei der Herstellung eines beispielhaften Formkerns gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 2 einen weiteren Verfahrenszustand bei der Herstellung des beispielhaften Formkerns gemäß dem Ausführungsbeispiel;
  • 3 einen noch weiteren Verfahrenszustand bei der Herstellung des beispielhaften Formkerns gemäß dem Ausführungsbeispiel;
  • 4A einen Schnitt entlang einer Schnittlinie A-A aus 3 gemäß dem Ausführungsbeispiel;
  • 4B einen Schnitt entlang der Schnittlinie A-A aus 3 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 5 einen Verfahrenszustand bei der Herstellung eines beispielhaften Faserverbundbauteils gemäß dem Ausführungsbeispiel; und
  • 6 einen weiteren Verfahrenszustand bei der Herstellung eines beispielhaften Faserverbundbauteils gemäß dem Ausführungsbeispiel.
  • In allen Figuren der Zeichnung sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente – sofern nichts Anderes angegeben ist – mit jeweils den gleichen Bezugszeichen versehen worden.
  • 1 bis 3 zeigen mehrere Verfahrenszustände gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • In einer Vorrichtung 1 ist ein Formwerkzeug 2 angeordnet. Das Formwerkzeug 2 besitzt vorzugsweise einen wie in 4A dargestellten Querschnitt 3. Der Querschnitt 3 des Formwerkzeugs 2 ist im Wesentlichen trapezförmig ausgebildet. Eine Wandung 4 des Formwerkzeugs 2 ist mit einer Vielzahl von kleinen Löchern 5 versehen, um ein Einsaugen der Kernhülle 9 zu verhindern. Das Einbringen einer Belüftungsfolie zwischen die Kernhülle 9 und die Wand 4 zum Sicherstellen eines gleichmäßig verteilten Vakuums ist ebenso denkbar.
  • Die Löcher 5 sind mittels eines Kanals 6 mit einem Schlauch 7 verbunden. Der Schlauch 7 wiederum ist mit einer ersten Vakuumpumpe (nicht dargestellt) verbunden. Die erste Vakuumpumpe ermöglicht das Erzeugen eines Unterdrucks in einem Innenraum 8 des Formwerkzeugs 2.
  • In den Innenraum 8 des Formwerkzeugs 2 wird eine vorzugsweise elastische und/oder flexible Kernhülle 9 eingebracht. Die Kernhülle 9 ist länglich mit einer bezogen auf die Schwerkraftwirkrichtung oberen Öffnung ausgebildet. Die Kernhülle 9 ist vorzugsweise aus einem Kunststoff, insbesondere einem Polyamid und/oder einen PTFE-Kunststoff gefertigt. Die Kernhülle 9 wird mit ihrer Längsachse L entlang der Längsachse des Formwerkzeugs 2 ausgerichtet und ragt an ihrem oberen Ende, welches die Öffnung 10 aufweist, aus einer verschließbaren Öffnung 11 der Vorrichtung 1 heraus.
  • Vorzugsweise wird anschließend ein Abschnitt der Kernhülle 9, der die Öffnung 10 aufweist, durch eine Öffnung 15 einer Platte 12 geschoben und dort mittels eines Klemmrings 18 befestigt.
  • Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die verschließbare Öffnung 11 der Vorrichtung 1 mit der Platte 12 verschlossen und diese mittels geeigneter Befestigungsmittel 13a, 13b abdichtend in Bezug auf den Innenraum 8 des Formwerkzeugs 2 verschlossen.
  • Zuvor oder anschließend wird die erste Vakuumpumpe zum Erzeugen eines Vakuums in dem Innenraum 8 des Formwerkzeugs 2 eingeschaltet. Dies führt dazu, dass eine äußere Oberfläche 16 der Kernhülle 9 an eine innere Oberfläche 17 des Formwerkzeugs gesogen wird. Folglich legt sich die Kernhülle 9 mit ihrer äußeren Oberfläche 16a eng an die innere Oberfläche 17 des Formwerkzeugs an. Die Pfeile 22 und 23 geben die Strömungsrichtung der Luft an.
  • Vorteilhaft sind derart viele Löcher 5 an dem Formwerkzeug 2 vorgesehen, dass die Wandung 16a der Kernhülle 9 vollständig an der inneren Oberfläche 17 des Formwerkzeugs als auch an der Platte 12 zum Verschließen der Öffnung 11 anliegt. Anstelle von Löchern können bei einem mehrteiligen Formwerkzeug 2 Spalte, insbesondere im Bereich von Ecken des Querschnitts des Formwerkzeugs, zwischen den mehreren Teilen zum Anlegen des Vakuums genutzt werden. Ein mehrteiliges Formwerkzeug 2 weist den Vorteil eines einfachen Einbringens der Kernhülle 9 bzw. einer einfachen Entnahme des hergestellten Formkerns 27 aus dem Formwerkzeug 2 auf und ist allgemein für diese Erfindung zu bevorzugen.
  • Anschließend wird ein vakuumfixierbares Füllmaterial, beispielsweise Quarzsand, mittels einer Zuführeinrichtung 19 der Öffnung 10 der Kernhülle 9 zugeführt. Die Zuführeinrichtung 19 kann beispielsweise durch einen Trichter 20 ausgebildet sein, dem Quarzsand mittels Schwerkraft und/oder Druckluft zugeführt wird.
  • Die Befüllung der Kernhülle 9 mit Quarzsand 21 wird gestoppt, sobald die Kernhülle 9 ausreichend, also beispielsweise knapp unterhalb der Öffnung 10, befüllt ist.
  • Eine Vakuumversiegelungseinrichtung 24 wird abdichtend mit der Öffnung 10 der Kernhülle gekoppelt. Die Vakuumversieglungseinrichtung kann dabei zumindest teilweise dieselben Bauteile wie die Zuführeinrichtung 19 aufweisen.
  • In einem weiteren Schritt wird die erste Vakuumpumpe abgeschalten und erlaubt nun ein Strömen der Luft in die gegenüber der in 2 gezeigten umgekehrten Stromrichtung, gekennzeichnet durch den Pfeil 25.
  • Daraufhin wird eine zweite Vakuumpumpe (nicht dargestellt) eingeschaltet und saugt Luft aus der Kernhülle, gekennzeichnet durch den Pfeil 26, ab und erzeugt somit ein zweites Vakuum innerhalb der Kernhülle 9. Die Wandung 16a der Kernhülle 9 spannt sich daraufhin fest um den fixierbaren Quarzsand 21 und komprimiert diesen.
  • Aufgrund des zuvorigen Vorspannens der Kernhülle 9 durch Anlegen des Vakuums an die äußere Oberfläche 16b der Kernhülle 9 mittels der ersten Vakuumpumpe wirft die Kernhülle 9 während des Zusammenziehens mittels des zweiten Vakuums keine Falten.
  • Die Kompression des Quarzsands 21 bewirkt ein Ineinandergreifen einzelner Körner des Quarzsands und somit wird der Formkern 27 ausgebildet. Bedingt durch die geringe Kompressibilität des Quarzsands verändert sich die äußere Gestalt des Formkerns 27 durch das Zusammenziehen der Wandung 16a der Kernhülle 9 nur minimal.
  • Zusätzlich kann das Formwerkzeug 2 vorzugsweise in Längsrichtung der Kernhülle 9 geschüttelt werden, beispielsweise vor dem Anlegen des zweiten Vakuums, um eine Verdichtung und da mit eine verbesserte Festigkeit zu erreichen. Damit erhöht sich der Widerstand des ausgebildeten Formkerns 27 gegen Punktlasten.
  • Der ausgebildete Formkern 27 weist den in 4A gezeigten Querschnitt 28 auf.
  • Zusätzlich können, wie in 4B gezeigt, Verstärkungselemente in Form von Eckprofilen 29a, 29b vor dem Anlegen des zweiten Vakuums innerhalb der Kernhülle 9 angeordnet werden.
  • In einem weiteren Schritt wird gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Öffnung 10 der Kernhülle 9 mittels der Vakuumversiegelungseinrichtung verschlossen, beispielsweise verschweißt. Alternativ kann vorgesehen sein, dass das Vakuum solange angeschlossen bleibt, wie eine Vakuumfixierung erforderlich ist. Somit kann eine Qualitätsüberwachung, beispielsweise das Detektieren von Undichtigkeiten in der Kernhülle 9, erfolgen. Wenn die Vakuumversiegelungseinrichtung 24 nun beispielsweise nach oben weggefahren wird, bleibt das zweite Vakuum innerhalb der Kernhülle 9 erhalten. Die Platte 12 wird daraufhin in einem weiteren Verfahrensschritt abgehoben. Der formstabile Formkern 27 wird nach dem öffnen des Formwerkzeugs 2 aus diesem entnommen und auf einer Platte 31 aus mehreren Fasermatten angeordnet.
  • 5 und 6 zeigen weitere Verfahrenszustände bei der Herstellung eines beispielhaften Faserverbundbauteils gemäß dem Ausführungsbeispiel.
  • Zwei Formkerne 27 mit einem in etwa trapezförmigen Querschnitt, die insbesondere nach dem oben beschriebenen Verfahren hergestellt worden sind, werden mit ihrer Basis 32 anliegend auf einem Basisteil 31 angeordnet. Das Basisteil 31 weist wenigstens eine Schicht eines Faserhalbzeuges auf.
  • In einem weiteren Schritt werden weitere Faserhalbzeuge auf den Formkernen 27 flächig abgelegt. Die Faserhalbzeuge 33a, 33b liegen dabei mit einem mittleren Abschnitt an der äußeren Oberfläche 16b der Formkerne 27 und mit ihren Enden auf dem Basisteil 31, also beispielsweise einer Flugzeughaut, an.
  • Es können verschiedene Fertigungsverfahren zum Herstellen des Faserverbundbauteils angewendet werden. Vorzugsweise wird das Infusionsverfahren gewählt, um eine Matrix, also beispielsweise Epoxydharz, in die Faserhalbzeuge 31, 33a, 33b einzubringen. Das Prepreg-Verfahren ist hier genauso anwendbar.
  • In einem weiteren Schritt wird vorteilhaft das Basisteil 31 mit den Formkernen 27a, 27b und den Faserhalbzeugen 33a, 33b je nach Verfahren in einem Ofen oder Autoklauen unter Einwirkung von Wärme und Druck ausgehärtet. Hierbei ist es wichtig, dass die Kernhülle 9 der Prozesstemperatur und dem Prozessdruck zuverlässig standhält.
  • Die Faserhalbzeuge 33a, 33b härten beispielsweise in einem geeigneten Ofen oder Autoklav (nicht dargestellt) zu Stringern 35a, 35b aus. Das wenigstens teilweise ausgehärtete Faserverbundbauteil 34 weist nach dem Aushärten folglich die zwei Ω-Stringer 35a, 35b auf.
  • In einem weiteren beispielhaften Verfahrensschritt wird nach dem stirnseitigen öffnen der Kernhülle 9 ein Saugrüssel 38 in die Öffnung 10 der Kernhülle 9 eingebracht. Der Saugrüssel 38 saugt den Quarzsand 21 aus der Kernhülle 9 und damit aus dem Stringer, exemplarisch in der 6 für den Stringer 35a illustriert, aus.
  • Ist der Quarzsand 21 weitgehend entfernt, kann die Kernhülle 9 in Längsrichtung aus dem Stringer, in der 6 exemplarisch für den Stringer 35b dargestellt, gezogen werden. Dies ist auch dann möglich, wenn der Stringer 35a, 35b Hinter schnitte in Längsrichtung, also Ausnehmungen in den Stringern, die sich quer zur Längsrichtung der Stringer erstrecken, aufweist. Eine Entformung der Kernhülle 9 bzw. der Formkerne 27 wird somit auf einfache Weise gewährleistet. Das Faserverbundbauteil 34 kann danach weiter verarbeitet oder direkt verwendet werden.
  • Die Erfindung ist nicht auf das in den Figuren dargestellte, spezielle Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils in der Luft- und Raumfahrt beschränkt.
  • Die einzelne Abfolge einzelner Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens ist beispielsweise auf vielfältige Arten veränderbar. Auch die Ausgestaltung der einzelnen Verfahrensschritte kann modifiziert werden. Beispielsweise kann ein Ausspülen des Quarzsands anstelle eines Absaugens vor dem Entformen der Kernhülle erfolgen. Der Formkern kann auch als Ganzes in Längsrichtung des Stringers aus diesem herausgezogen bzw. -gedrückt werden.
  • Weiterhin ist die Geometrie des Formkerns auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.
  • Ferner können auch mehrere Formkerne verwendet werden, um einen einzigen Formkern auszubilden, der mit Faserverbundmatten umlegt wird. Dabei können eine komplexere Geometrie mittels der Vielzahl an Formkernen geschaffen werden und somit komplexere Faserverbundbauteile hergestellt werden.
    • 1
    Vorrichtung
    2
    Formwerkzeug
    3
    Querschnitt des Formwerkzeugs
    4
    Wandung des Formwerkzeugs
    5
    Löcher
    6
    Kanal
    7
    Schlauch
    8
    Innenraum des Formwerkzeugs
    9
    Kernhülle
    10
    Öffnung der Kernhülle
    L
    Längsachse
    11
    verschließbare Öffnung der Vorrichtung
    12
    Platte
    13a
    Befestigungsmittel
    13b
    Befestigungsmittel
    15
    Öffnung der Platte
    16a
    Wandung der Kernhülle
    16b
    äußere Oberfläche der Kernhülle
    17
    innere Oberfläche der Kernhülle
    18
    Klemme
    19
    Zuführeinrichtung
    20
    Trichter
    21
    Quarzsand
    22
    erste Strömungsrichtung der Luft
    23
    erste Strömungsrichtung der Luft
    24
    Vakuumsversiegelungseinrichtung
    25
    zweite Strömungsrichtung
    26
    dritte Strömungsrichtung
    27
    Formkern
    28
    Querschnitt des Formkerns
    29a
    Eckprofil
    29b
    Eckprofil
    31
    Basisteil
    32
    Basis des Formkerns
    33a
    Faserhalbzeuge
    33b
    Faserhalbzeuge
    34
    Faserverbundbauteil
    35a
    Stringer
    35b
    Stringer
    37
    Aussaugeinrichtung

Claims (29)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils (34), insbesondere in der Luft- und Raumfahrt, mit folgenden Verfahrensschritten: – Einbringen einer Kernhülle (9) in ein Formwerkzeug (2) zum Festlegen einer äußeren Geometrie eines auszubildenden Formkerns (27); – Befüllen der eingebrachten Kernhülle (9) mit einem vakuumfixierbaren Füllmaterial (21); – Anlegen eines Vakuums and die Kernhülle (9) und damit Vakuumfixieren des Füllmaterials (21) zum Ausbilden des Formkerns (27); und – wenigstens abschnittsweise Ablegen von wenigstens einem Faserhalbzeug (33a, 33b) auf dem ausgebildeten Formkern (27) zur Formgebung für das herzustellende Faserverbundbauteil (34).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Befüllen der Kernhülle (9) durch die auf das vakuumfixierbare Füllmaterial (21) wirkende Schwerkraft und/oder einen auf das vakuumfixierbare Füllmaterial (21) wirkenden Gebläsestrom erfolgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kernhülle (9) vor dem Befüllen durch Schwerkraft und/oder durch auf eine äußere Oberfläche (16b) der Kernhülle (9) wirkende Ansaugmittel (5) geöffnet gehalten wird.
  4. Verfahren nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Befüllen der Kernhülle (9) die auf die Kernhülle (9) wirkenden Ansaugmittel (5) die Kernhülle (9) freigeben.
  5. Verfahren nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Vakuum für die Vakuumfixierung zur Qualitätssicherung überwacht wird.
  6. Verfahren nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das vakuumfixierbare Füllmaterial (21) in dem Formwerkzeug (2) vor dem Vakuumfixieren kompaktiert und/oder geschüttelt wird;
  7. Verfahren nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich scharfkantig auszubildender Übergänge der äußeren Geometrie des auszubildenden Formkerns (27) Verstärkungsmittel (29a, 29b) innerhalb der Kernhülle (9) angeordnet werden.
  8. Verfahren nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkern (27) nach dem Vakuumfixieren aus dem vorzugsweise in Längsrichtung geteilten Formwerkzeug (2) entnommen wird.
  9. Verfahren nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Trennschicht auf die Kernhülle (9) aufgebracht, oder durch diese selbst ausgebildet wird, welche ein Anhaften des Faserhalbzeugs (31, 33a, 33b) und/oder einer Matrix an der Kernhülle (9) reduziert.
  10. Verfahren nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkern (27) auf einem Basisteil (31) aus Faserverbundhalbzeugen angeordnet wird und/oder mit Faserhalbzeugen (33a, 33b) zum Ausbilden wenigstens eines Abschnitts des Faserverbundbauteils (34) wenigstens teilweise umgeben wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Matrix in das wenigstens eine Faserhalbzeug (31, 33a, 33b) mit dem Formkern (27) eingebracht und anschließend unter Druck und/oder Wärme wenigstens teilweise ausgehärtet wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Vakuum in der Kernhülle (9) nach dem wenigstens teilweise Aushärten aufgehoben wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das fixierbare Füllmaterial (21) nach dem Aufheben des Vakuums aus der Kernhülle (9) entfernt, insbesondere ausgeschüttet, ausgespült und/oder abgesaugt, wird.
  14. Verfahren nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Kernhülle (9) aus dem wenigstens teilweise ausgehärteten Abschnitt des Faserverbundbauteils (27) entnommen wird.
  15. Verfahren nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kernhülle (9) aus einem elastisches, flexiblen und/oder formlabilen Material ausgebildet wird.
  16. Verfahren nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kernhülle (9) aus einem Kunststoff, insbesondere einem Polyamid und/oder einem PTFE-Kunststoff ausgebildet wird.
  17. Verfahren nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkern (27) mit wenigstens einem Hinterschnitt ausgebildet wird.
  18. Verfahren nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Formkern (27) trapezförmig, rund, oval, rund und/oder wellenförmig ausgebildet wird.
  19. Verfahren nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das fixierbare Füllmaterial (21) feinkörnig und/oder aus Sand, Quarzsand, Granulat und/oder Glaskugeln ausgebildet wird.
  20. Verfahren nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zur Herstellung des Faserverbundbauteils (34) als Handlaminier-, Prepreg-, Spritzpress- und/oder Vakuuminfusionsverfahren ausgebildet ist.
  21. Formkern (27) zur Herstellung eines Faserverbundbauteils (34), insbesondere eines Stringers (35a, 35b) an einem Basisteil (31) in der Luft- und Raumfahrt, mit: einer Kernhülle (9), welche eine äußere Oberfläche des Formkerns (27) bildet; und einem vakuumfixierbaren Füllmaterial (21), welches mittels der Kernhülle (9) vakuumfixiert wird.
  22. Formkern nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Kernhülle (9) ein elastisches, flexibles und/oder formlabiles Material aufweist.
  23. Formkern nach wenigstens einem der Ansprüche 21 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Kernhülle (9) einen Kunststoff, insbesondere ein Polyamid und/oder Teflon, aufweist.
  24. Formkern nach wenigstens einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkern (27) wenigstens einen Hinterschnitt aufweist.
  25. Formkern nach wenigstens einem der Ansprüche 21 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Formkern (27) im Bereich scharfkantig auszu bildender Übergänge seiner äußeren Geometrie Verstärkungsmitteln (29a, 29b) angeordnet werden.
  26. Formkern nach wenigstens einem der Ansprüche 21 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsmittel (29a, 29b) als Eckprofilteile aus Metall und/oder Kunststoff ausgebildet sind.
  27. Formkern nach wenigstens einem der Ansprüche 21 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Formkern (27) Ω-förmig, trapezförmig, dreiecksförmig, rund, oval und/oder wellenförmig ausgebildet ist.
  28. Formkern nach wenigstens einem der Ansprüche 21 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass das fixierbare Füllmaterial (21) feinkörnig ausgebildet ist und/oder Sand, Quarzsand, Granulat und/oder Glaskugeln aufweist.
  29. Faserverbundbauteil (34) mit wenigstens einem Stringer, insbesondere im Luft- und Raumfahrtbereich, welches mittels eines Formkerns (27) nach wenigstens einem der Ansprüche 22 bis 28 und/oder eines Verfahrens nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 21 hergestellt ist.
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