DE102006031334A1

DE102006031334A1 - Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils für die Luft- und Raumfahrt

Info

Publication number: DE102006031334A1
Application number: DE102006031334A
Authority: DE
Inventors: Torben Jacob; Joachim Piepenbrock
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2006-07-06
Filing date: 2006-07-06
Publication date: 2008-01-10
Also published as: RU2009103204A; BRPI0714226A2; DE602007009529D1; RU2438866C2; CN101484290A; ATE482808T1; US8906489B2; CN101484290B; US20110076461A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils (1), insbesondere für die Luft- und Raumfahrt, mit den folgenden Verfahrensschritten: Ausbilden eines Formkerns (4) mit einer vorbestimmten Anzahl von Hohlkörpern (7) zum Festlegen einer äußeren Geometrie des Formkerns (4), wobei die Hohlkörper (7) sich in Längsrichtung des Formkerns (4) erstreckend und zumindest in ihrer Querrichtung elastisch dehnbar ausgebildet werden; wenigstens abschnittsweise Ablegen von wenigstens einem Faserhalbzeug (3) auf dem ausgebildeten Formkern (4) zur Formgebung von wenigstens einem Formabschnitt (14) des herzustellenden Faserverbundbauteils (1); und Beaufschlagen des wenigstens einen Formabschnitts (14) mit Wärme und/oder Druck zum Herstellen des Faserverbundbauteils (1); sowie ein entsprechender Formkern (4) und ein entsprechendes Faserverbundbauteil (1).

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 zugrunde liegende 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 hohen Belastungen im Flugzeugbereich 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 Schale 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-Stringer 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 können 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 Q-Stringer nur schwierig entfernt werden kann, so 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 12 und/oder durch ein Faserverbundbauteil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 23 gelöst.
Demgemäß wird ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils, insbesondere für die Luft- und Raumfahrt, mit den folgenden Verfahrensschritten geschaffen: Ausbilden eines Formkerns mit einer vorbestimmten Anzahl von Hohlkörpern zum Festlegen einer äußeren Geometrie des Formkerns, wobei die Hohlkörper sich in Längsrichtung des Formkerns erstreckend und zumindest in ihrer Querrichtung elastisch dehnbar ausgebildet werden; wenigstens abschnittsweise Ablegen von wenigstens einem Faserhalbzeug (3) auf dem ausgebildeten Formkern (4) zur Formgebung von wenigstens einem Formabschnitt (14) des herzustellenden Faserverbundbauteils (1); und Beaufschlagen des wenigstens einen Formabschnitts (14) mit Wärme und/oder Druck zum Herstellen des Faserverbundbauteils (1).
Diese Hohlkörper werden bei Verwendung des Formkerns in geeigneter Weise mit einem Innendruck beaufschlagt, wodurch sie sich in Querrichtung ausdehnen und den Formkern mit der äußeren Geometrie bilden. Zum Entformen wird der Innendruck so verändert, dass zum Beispiel der Querschnitt des Formkerns sich wieder verringert. Dadurch kann der Formkern vorteilhaft einfach entfernt werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der Formkern wieder verwendbar ist.
Ferner wird ein Formkern zur Herstellung eines Faserverbundbauteils, insbesondere eines Stringers an einem Basisteil, mit einem Kernwerkstoff aus Kunststoff, mit einer vorbestimmten Anzahl von Hohlkörpern bereitgestellt, wobei sich die Hohlkörper in Längsrichtung des Formkerns erstrecken und zumindest in ihrer Querrichtung elastisch dehnbar sind.
Weiterhin wird ein Faserverbundbauteil mit wenigstens einem Stringer, insbesondere für 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 Faserverbundbau teil mittels eines kostengünstigen Formkerns herstellbar ist. Anstelle eines herkömmlichen kostenintensiven Kernmaterials das im Bauteil verbleibt kann vorteilhaft ein wieder verwendbarer Formkern benutzt werden, der in einfacher Weise durch Beaufschlagung mit Innendruck in seiner Gestalt so veränderbar ist, dass eine leichte Entformbarkeit geschaffen wird. Dadurch trägt der Formkern nicht mehr zum Bauteilgewicht bei.
In den Unteransprüchen sowie in der Beschreibung in Zusammenschau mit den Zeichnungen finden sich vorteilhafte Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Verbesserungen der Erfindung.
Bei einem solchen Formkern ist es bevorzugt, dass die Hohlkörper untereinander fixiert werden, und der so gebildete Formkern mit einer flexiblen Außenschicht zur Konturglättung der Außenflächen des Formkerns versehen wird. Dadurch werden die äußeren Flächen des Formkerns in vorteilhafter Weise geglättet. Die Flexibilität der Außenschicht ermöglicht in einfacher Weise, dass sich die Hohlkörper in Querrichtung flexibel ausdehnen bzw. zusammenziehen können.
In einer alternativen Ausführung ist vorgesehen, dass die Außenschicht so aufgebracht wird dass sie die Hohlkörper 7 vollständig umgibt und deren Fixierung untereinander bildet.
Der Formkern wird in einer bevorzugten Ausgestaltung mit einer Kernhülle vollständig umschlossen, welche beim Entformen eine vorteilhafte Trennung zwischen Formabschnitt und den Oberflächen des Formkerns bewirkt. Desweiteren verhindert die Kernhülle bei einer eventuellen Leckage eines Röhrchens, dass das Druckmedium, z.B. Luft, in das Faserverbundbauteil entweichen kann. Gleichzeitig wird eine Beschädigung bzw. Beeinträchtigung des Formkerns verhindert, wodurch seine Wiederverwendbarkeit sichergestellt ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind im Bereich scharfkantig auszubildender Übergänge der äußeren Ge ometrie des auszubildenden Formkerns werden innerhalb oder außerhalb der Kernhülle Verstärkungsmittel angeordnet. Diese Verstärkungsmittel, insbesondere Eckprofilteile, weisen den Vorteil auf, dass sie die scharfen Kanten und Ecken ausbilden, wobei der Formkern in diesen Bereich mit leicht herzustellenden Ausrundungen versehen werden kann.
Vorzugsweise wird eine Trennschicht auf die Kernhülle aufgebracht, welche ein Anhaften des Faserhalbzeugs und/oder einer Matrix an der Kernhülle verhindert. Dadurch wird ein Entfernen der Kernhülle nach dem wenigstens teilweisen Aushärten des mittels des Formkerns geschaffenen Abschnitts des Faserverbundbauteils erleichtert.
Unter Faserhalbzeugen sind Gewebe, Gelege und Fasermatten zu verstehen. Diese werden mit einer Matrix, beispielsweise einem Epoxidharz, versehen und anschließend beispielsweise in einem Autoklav ausgehärtet.
Gemäß einer weiter bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird der Formkern auf einem Basisteil aus Faserverbundhalbzeugen angeordnet und/oder mit Faserhalbzeugen zum Ausbilden wenigstens eines Formabschnitts des Faserverbundbauteils wenigstens teilweise umgeben. Somit können vorteilhaft Basisteile, beispielsweise Hautschalen, Druckkalotten etc, mit Ω-Stringern ausgebildet werden. Alternativ oder zusätzlich können auch separate Faserverbundbauteile hergestellt werden, die gänzlich in ihrer Form durch den Formkern definiert werden, hergestellt werden.
Die Kernhülle wird, beispielsweise bei der Herstellung eines Ω-Stringers bei der Entformung, aus diesem in Längsrichtung des Stringers herausgezogen. Folglich trägt dann der Kern nicht mehr zu dem Gesamtgewicht des Flugzeugs bei.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen dabei:
1 eine schematische perspektivische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines Faserverbundbauteils beim Herstellen gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren;
2 eine schematische, allgemeine Schnittdarstellung eines Formkerns des Faserverbundbauteils nach 1;
3 eine schematische Schnittdarstellung eines ersten erfindungsgemäßen Formkerns des Faserverbundbauteils nach 1;
4 eine schematische Schnittdarstellung eines zweiten erfindungsgemäßen Formkerns des Faserverbundbauteils nach 1;
5 eine schematische Seitenansicht des ersten oder zweiten erfindungsgemäßen Formkerns nach 3 oder 4; und
6 eine schematische perspektivische Ansicht des fertig gestellten Faserverbundbauteils nach 1 nach Entfernen der Formkerne.
In allen Figuren der Zeichnung sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente – sofern nichts anders angegeben ist – mit jeweils den gleichen Bezugszeichen versehen worden.
1 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines Faserverbundbauteils 1 beim Herstellen gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren
Dieses Beispiel weist zwei Formkerne 4 auf, wobei die Anzahl nicht darauf begrenzt ist. Die zwei Formkerne 4, deren Herstellung weiter unten erläutert wird, sind mit einem in etwa trapezförmigen Querschnitt mit ihrer Basis 5 anliegend auf einem Basisbauteil 2 angeordnet.
Faserhalbzeuge 3 werden auf den Formkernen 4 abgelegt. Die Faserhalbzeuge 3 liegen dabei mit einem mittleren Abschnitt an der äußeren Oberfläche der Formkerne 4 und mit ihren Enden auf dem Basisbauteil 2 auf, beispielsweise auf einer Flugzeughaut. Dadurch werden zwei Formabschnitte 14 des Faserverbundbauteils 1 gebildet.
Es können verschiedene Fertigungsverfahren zum Verarbeiten des Faserverbundwerkstoffs angewendet werden. Vorzugsweise wird das so genannte Infusionsverfahren gewählt, um eine Matrix, also beispielsweise Epoxidharz, in die Faserhalbzeuge einzubringen. Das Prepreg-Verfahren ist hier jedoch genauso anwendbar.
Ein weiterer Schritt besteht darin, das Basisbauteil 2 mit den Formkernen 4 und dem Faserhalbzeug 3 in einem Autoklav oder Ofen unter Einwirkung von Wärme und Druck gemäß einem nicht näher erläuterten Härtezyklus zu härten, wodurch das vollständige Faserverbundbauteil 1 hergestellt wird.
Zunächst wird die Erstellung der Formkerne 4 anhand der 2 bis 4 beschrieben.
2 zeigt eine schematische, allgemeine Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Formkerns 4 des Faserverbundbauteils 1 nach 1 in einem Querschnitt.
Der Formkern 4, auf dessen Aufbau weiter unten ausführlich eingegangen wird, weist einen Querschnitt 6 auf, welcher in einem Formwerkzeug 8 verkörpert ist und in diesem in die gewünschte Form, hier eine etwa trapezförmige Gestalt, gebracht wird. In diesem Beispiel ist der Formkern 4 mit einer Kern hülle 9 umgeben, welche den Formkern 4 vollständig umschließt und für sein Herstellungsverfahren und seine weitere Be- und Verarbeitung hinsichtlich Temperatur und Druck geeignet ist. Die Kernhülle 9 ist aus einem Kunststoff, insbesondere einem Polyamid und/oder einem PTFE-Kunststoff gefertigt. Mit ihrer Innenseite 11 liegt sie direkt auf den Oberflächen des Formkerns 4 an, wobei in diesem Beispiel ihre Außenseite 10 mit einer Trennschicht (nicht gezeigt) beschichtet ist, die auch aus einer zusätzlichen Hülle bestehen kann. Die Trennschicht dient zur korrekten Trennung des Formkerns 4 vom Formabschnitt 14 beim Entformen.
Der Formkern 4 ist aus einzelnen Hohlkörpern 7 zusammengesetzt, wie in 3 dargestellt ist. Die Hohlkörper 7 sind in diesem Beispiel einzelne, bevorzugt foliendünne Röhrchen mit einem in etwa kreisrunden Querschnitt, welche in Querrichtung, das heißt in radialer Richtung flexibel sind. Die Hohlkörper 7 bilden einen zunächst etwas groben Aufbau des Querschnitts 6 des Formkerns 4. Sie werden in Längsrichtung untereinander an ihren Berührungslinien fixiert, beispielsweise mit Hilfe einer geeigneten Klebeverbindung. Dabei bleiben zwischen ihnen Zwischenräume 15 bestehen. Die Anzahl der Röhrchen nebeneinander und übereinander, sowie deren Durchmesser kann in gewissen Grenzen frei gewählt werden, um einen gewünschten Querschnitt zu erzielen. Einzig die Eckwinkel sind in diesem Beispiel auf 60° festgelegt.
Die Außenseite des aus den einzelnen Hohlkörpern 7 aufgebauten Formkerns 4 wird dann mit einer Außenschicht 16 versehen, welche zur Konturglättung beiträgt und glatte Oberflächen des Formkerns 4, beispielsweise unter Verwendung des Formwerkzeugs 8 (2), bildet. Diese Außenschicht 16 füllt äußere Rillen zwischen den Hohlkörpern 7 auf.
In 3 sind an den unteren Ecken Verstärkungsmittel 13 in Form von Profilen, beispielsweise Leisten aus Metall oder Kunststoff, eingesetzt. So kann der Formkern 4 besonders gut ausgebildete Eckbereiche erhalten, indem die Verstärkungsmittel 13 in einem separaten Werkzeug angefertigt werden. Sie können innerhalb der Kernhülle 9 (in 3 nicht gezeigt) oder auch außerhalb von ihr angeordnet werden.
Die Außenschicht 16 besteht aus einem ausreichend flexiblen Material, beispielsweise einem geeigneten elastischen Kunststoff, der den auftretenden Prozesstemperaturen zuverlässig standhält.
Die Außenschicht kann auch in Teilbereichen dicker aufgetragen werden, so dass ein ansonsten festgelegte Eckwinkel von 60° in gewissen Grenzen verändert werden kann.
Die Außenschicht 16 kann auch so aufgebracht werden, dass sie die Hohlkörper 7 vollständig umgibt und deren Fixierung untereinander bildet. Ein Beispiel für einen solchen Kern, der gleichzeitig einen von 60° abweichenden Eckwinkel besitzt, ist in 4 dargestellt.
Der so erstellte Formkern 4 wird aus dem Formwerkzeug 8 entnommen und auf das Basisbauteil 2 wie oben beschrieben aufgebracht. Dieser Zustand ist in den 3 und 4 gezeigt. In diesem unbedruckten Zustand besitzt der Formkern zunächst einen geringfügig kleineren Querschnitt. Die Hohlkörper 7 werden dann mit einem Innendruck so beaufschlagt, dass der Formkern 4 die gewünschte äußere Geometrie annimmt. Dieses wird weiter unten ausführlicher erläutert. Der Formkern 4 wird dann mit dem Faserhalbzeug 3 zur Bildung des Formabschnitts 14 überzogen, wie oben erläutert ist.
Das nach einem nicht näher erläuterten Härtezyklus hergestellte Faserverbundbauteil 1 ist in 6 in einer perspektivischen Ansicht nach Entformen der Formkerne 4 mit als Stringern 20 ausgebildeten Formabschnitten 14 dargestellt.
5 zeigt eine Seitenansicht des Formabschnitts 14 in schematischer Darstellung. Der Formkern 4 ist so angeordnet, dass die Kernhülle 9 beidseitig mit ihren Öffnungen 12 aus dem Formabschnitt 14 hervorsteht. Diese hat den Vorteil, dass bei Undichtigkeiten der Hohlkörper 7 die entweichende Luft nicht in das zu härtende Faserhalbzeug 3 eindringen kann, sondern durch die Kernhülle 9 nach außen geleitet wird. Ebenfalls stehen alle Enden der Hohlkörper 7 auf beiden Seiten des Formabschnitts 14 hervor.
In diesem Beispiel sind die rechten Enden der Hohlkörper 7 mit Verschlüssen 19 verschlossen und die anderen gegenüber liegenden Enden der Hohlkörper 7 jeweils mit einer Anschlussvorrichtung 17 verbunden. Diese Verbindung kann so ausgebildet sein, dass die Anschlüsse auf die Enden der Hohlkörper 7 aufgesteckt oder, wie in 5 gezeigt, in diese eingesteckt sind. Die Anschlussvorrichtung 17 besteht in diesem Beispiel aus einer Leitung 18, die zu jedem Hohlkörper 7 führende und mit den Hohlkörpern 7 verbundene Verzweigungsenden aufweist.
Daraufhin wird die Kernhülle 9, die einen Umfang besitzt, der geringfügig größer ist als der Umfang des Formkerns 4, über diesen übergeschoben.
Über die Anschlussvorrichtung 17 werden die Hohlkörper 7 mit einem Innendruck beaufschlagt, der die Hohlkörper 7 in ihrer Querrichtung ausdehnt, wodurch die gewünschte äußere Geometrie des Formkerns 4 gebildet wird. Dieses geschieht vor Erstellen des Formabschnitts 14, wie oben erläutert ist. Durch die einhergehende Umfangsvergrößerung legt sich die straff um den Formkern 4. Die Kernhülle 9 wird bei Dehnung des Formkerns 4 durch seine Beaufschlagung mit Innendruck gespannt.
Maßgeblich für die Funktion dieses Verfahrens ist die richtige Kombination von einem hohen Innendruck von z. B. 10 bar, der aber eine elastische, reversible Querdehnung der Hohlkörper 7 bei der Härtetemperatur von z. B. 180°C noch zulässt und einer genügend kleinen Wandstärke der Hohlkörper 7 von z. B. 0,05 mm. Mitentscheidend ist hier der Werkstoff mit einem geeigneten Kompromiss aus E-Modul, geringer Kriechneigung bei der Härtetemperatur mit guten Zeitstandwerten und ausreichend großer Streckdehnung. In Fragen kommen hierbei als Material insbesondere Thermoplaste aus der Gruppe der aromatischen Polysulfide und Polysulfone, wie beispielsweise PSU, PPS oder PES. Diese bieten bei derartigen Temperaturen hohe Zeitstandfestigkeiten bei geringer Kriechneigung.
In diesem Beispiel wurden 35 Hohlkörper 7 mit jeweils einem Durchmesser von 5 mm verwendet. Es können mit den oben genannten Beispieldaten reversible Dehnungen zwischen 2 und 3% in der Höhe und der Breite des Formkerns erreicht werden. Jeder Hohlkörper 7 besitzt einen Druckanschluss und einen Verschluss. Es sind auch auf beiden Seiten Druckanschlüsse (Anschlussvorrichtungen 17) möglich.
6 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht des fertig gestellten Faserverbundbauteils 1 nach 1 mit als Stringern 20 ausgebildeten Formabschnitten 14 nach Entfernen der Formkerne 4.
Beim Entformen werden die Hohlkörper 7 über die Anschlussvorrichtung 17 mit einem solchen Innendruck beaufschlagt, bei dem die Hohlkörper 7 wieder ihre ursprüngliche Ausdehnung annehmen, das heißt sich zusammenziehen und sich von der Wandung bzw. vom Trennschlauch lösen. Es kann auch ein Unterdruck beaufschlagt werden, der zu einem weiteren Zusammenziehen des Kerns führt, indem die einzelnen Röhrchen noch weiter zusammenfallen und sich z. B. flach zusammenlegen. Dadurch kann der Querschnitt sehr stark reduziert werden.
Der so zusammengeschrumpfte Formkern 4 kann aus dem gehärteten Formabschnitt 14 herausgezogen und wieder verwendet werden. Die Kernhülle 9 kann anschließend ebenfalls herausgezogen werden, was bei einer vorhandenen Trennschicht besonders vorteilhaft einfach und leicht erfolgen kann. Das Faserverbundbauteil 1 kann nun weiter verarbeitet werden. Im Fall von Verstärkungsmitteln 13 werden diese ebenfalls mit ausgezogen oder verbleiben im Faserverbundbauteil 1.
Somit ist ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils, ein entsprechender Formkern und ein entsprechendes Faserverbundbauteil geschaffen, welches gegenüber dem Stand der Technik mit verbleibenden Kernmaterialien eine merkliche Materialkostensenkung erzielen kann. Der Formkern wird vollständig entfernt, wodurch das Gewicht des Faserverbundbauteils gegenüber dem Stand der Technik verringert werden kann.
Die Erfindung ist nicht auf das in den Figuren dargestellte, spezielle Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils für Luft- und Raumfahrt beschränkt.
So ist beispielsweise der vorliegende Erfindungsgedanke auch auf Faserverbundbauteile im Sportgeräte- oder Motorsportbereich, anwendbar.
Ferner ist die Geometrie des Formkerns, insbesondere Wandstärke und Durchmesser der Röhrchen sowie deren Anordnung, auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.
Ferner können auch mehrere Formkerne verwendet werden, um einen Formkern auszubilden, der mit Faserverbundmatten umlegt wird. Dabei ist es das Ziel, eine komplexere Geometrie mittels der Vielzahl an Formkernen zu schaffen. Folglich können komplexere Faserverbundbauteile hergestellt werden.
In einer alternativen Ausführung ist vorgesehen, dass die Außenschicht in Teilbereichen dicker aufgetragen wird, so dass der ansonsten festgelegte Eckwinkel von 60° in gewissen Grenzen verändert werden kann.
Die Querschnitte der Hohlkörper 7 können in unbedrucktem Zustand auch andere als kreisrunde Querschnitte sein. Ihre Durchmesser können ebenfalls unterschiedlich ausgebildet sein, um somit andere Eckradien zu erhalten.
Eine Druckregelung des Innendrucks ist erforderlich, um reproduzierbare Dehnungen des Querschnittes sicherzustellen.
Auch die Wandstärke der Hohlkörper 7 kann unterschiedlich ausgeführt sein.

1: Faserverbundbauteil
2: Basisplatte
3: Faserhalbzeug
4: Formkern
5: Basis des Formkerns
6: Querschnitt des Formkern
7: Hohlkörper
8: Formwerkzeug
9: Kernhülle
10: Außenseite der Kernhülle
11: Innenseite der Kernhülle
12: Öffnung der Kernhülle
13: Verstärkungsmittel
14: Formabschnitt
15: Zwischenraum
16: Außenschicht
17: Anschlussvorrichtung
18: Leitung
19: Verschluss
20: Stringer

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils (1), insbesondere für die Luft- und Raumfahrt, mit folgenden Verfahrensschritten: – Ausbilden eines Formkerns (4) mit einer vorbestimmten Anzahl von Hohlkörpern (7) zum Festlegen einer äußeren Geometrie des Formkerns (4), wobei die Hohlkörper (7) sich in Längsrichtung des Formkerns (4) erstreckend und zumindest in ihrer Querrichtung elastisch dehnbar ausgebildet werden; – wenigstens abschnittsweise Ablegen von wenigstens einem Faserhalbzeug (3) auf dem ausgebildeten Formkern (4) zur Formgebung von wenigstens einem Formabschnitt (14) des herzustellenden Faserverbundbauteils (1); und – Beaufschlagen des wenigstens einen Formabschnitts (14) mit Wärme und/oder Druck zum Herstellen des Faserverbundbauteils (1).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkörper (7) untereinander fixiert werden, und der ausgebildete Formkern (4) mit einer flexiblen Außenschicht (16) zur Konturglättung seiner Außenflächen ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Enden der Hohlkörper (7) auf einer Seite verschlossen und auf der anderen Seite mit einer Anschlussvorrichtung (17) zur Beaufschlagung mit einem Druckmedi um versehen werden oder auf beiden Seiten mit einer Anschlussvorrichtung (17) versehen werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der ausgebildete Formkern (4) mit einer ihn umschließenden Kernhülle (9), beispielsweise einem Schlauch, versehen wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Trennschicht auf die Kernhülle (9) des Formkerns (4) aufgebracht wird, welche ein Anhaften des Faserhalbzeugs (3) und/oder einer Matrix an der Hülle verhindert.
Verfahren nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkern (4) beim wenigstens abschnittsweise Ablegen von wenigstens einem Faserhalbzeug (3) auf einem Basisbauteil (2) aus Faserverbundhalbzeugen angeordnet wird und/oder mit Faserhalbzeugen (3) zum Ausbilden des wenigstens einen Formabschnitts (14) des Faserverbundbauteils (1) wenigstens teilweise umgeben wird, wobei die Hohlkörper (7) des Formkerns (4) über ihre Enden mit einem festlegbaren Innendruck beaufschlagt werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Enden der Kernhülle (9) und die Enden der Hohlkörper (7) des Formkerns (4) beim wenigstens abschnittsweisen Ablegen außerhalb des Formabschnitts (14) angeordnet werden.
Verfahren nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Matrix in das wenigstens eine Faserhalbzeug (3) mit dem Formkern (4) eingebracht wird und anschließend unter Druck und/oder Wärme wenigstens teilweise ausgehärtet wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Beaufschlagen mit Wärme und/oder Druck der Innendruck der Hohlkörper (7) über deren Enden so verändert wird, dass der Formkern (4) für ein Entfernen aus dem Formabschnitt (14) schrumpft.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verändern des Innendrucks der Hohlkörper (7) durch Beaufschlagen mit dem Atmosphärendruck oder einem Vakuum erfolgt.
Verfahren nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zur Herstellung des Faserverbundbauteils (1) als Handlaminier-, Prepreg-, Spritzpress- und/oder Vakuuminfusionsverfahren ausgebildet wird.
Formkern (4) zur Herstellung eines Faserverbundbauteils (1), insbesondere eines Stringers (20) an einem Basisbauteil (2) für die Luft- und Raumfahrt, mit einer vorbestimmten Anzahl von Hohlkörpern (7), wobei sich die Hohlkörper (7) in Längsrichtung des Formkerns (4) erstrecken und zumindest in ihrer Querrichtung elastisch dehnbar sind.
Formkern (4) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkörper (7) untereinander fixiert sind, und der Formkern (4) mit einer flexiblen Außenschicht (16) zur Konturglättung seiner Außenflächen versehen ist.
Formkern (4) nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenschicht (16) zur Konturglättung der Außenflächen des Formkerns (4) nach innen erweitert ist und die Zwischenräume (15) mit auffüllt, wobei eine Fixierung der Hohlkörper (7) ausgebildet ist.
Formkern (4) nach wenigstens einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkörper (7) jeweils einen in etwa kreisrunden Querschnitt aufweisen.
Formkern (4) nach wenigstens einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkörper (7) jeweils einen thermoplastischen Werkstoff aus der Gruppe der aromatischen Polysulfide und/oder Polysulfone aufweisen.
Formkern (4) nach wenigstens einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkern (4) mit einer ihn umschließenden Kernhülle (9), beispielsweise einen Schlauch, versehen ist.
Formkern (4) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Kernhülle (9) eine Trennschicht aufweist, welche eine äußere Oberfläche des Formkerns (4) bildet.
Formkern (4) nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkern (4) aus einem Kunststoff, insbesondere einem Polyamid und/oder einem PTFE-Kunststoff ausgebildet ist.
Formkern (4) nach wenigstens einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Formkern (4) im Bereich scharfkantig auszubildender Übergänge seiner äußeren Geometrie Verstärkungsmittel (13) angeordnet sind.
Formkern (4) nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsmittel (13) als Eckprofilteile aus Metall und/oder Kunststoff ausgebildet sind.
Formkern (4) nach wenigstens einem der Ansprüche 12 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkern (4) Ω-förmig, trapezförmig, dreiecksförmig, ringförmig und/oder wellenförmig ausgebildet ist.
Faserverbundbauteil (1) mit wenigstens einem Stringer (20), insbesondere für Luft- und Raumfahrt, welches mittels eines Formkerns (4) nach wenigstens einem der Ansprüche 13 bis 24 und/oder eines Verfahrens nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 12 hergestellt ist.