DE102007057110B4

DE102007057110B4 - Verfahren zur Herstellung eines endlosen, dreidimensionalen geschlossenen Faserverbundwerkstoff-Halbzeugs

Info

Publication number: DE102007057110B4
Application number: DE102007057110A
Authority: DE
Inventors: Dr. Weimer Christian
Original assignee: Eurocopter Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Helicopters Deutschland GmbH
Priority date: 2007-11-26
Filing date: 2007-11-26
Publication date: 2012-12-13
Anticipated expiration: 2027-11-27
Also published as: US20100307661A1; EP2214891A2; WO2009067993A2; WO2009067993A3; US8623159B2; DE102007057110A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines endlosen, dreidimensionalen geschlossenen Faserverbundwerkstoff-Halbzeugs aus einem ebenen, flächigen Faser-Vorformling, umfassend die folgenden Schritte: a) flächiges Ablegen des ebenen, flächigen Faser-Vorformlings; b) Ausrichten des ebenen, flächigen Faser-Vorformlings zur Herstellung einer lasffallgerechten Faserorientierung des flächigen Faser-Vorformlings; c) Formen des ebenen, flächigen Faser-Vorformlings zu einer dreidimensionalen Struktur; und d) Schließen der dreidimensionalen Struktur, gekennzeichnet durch Verwenden eines dehnfähigen Materials für das Vernähen zum Schließen der dreidimensionalen Struktur in Schritt d) und dadurch, dass das Vernähen mittels einer Armabwärtsmaschine oder eines 3D-Nähroboters durchgeführt wird.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines endlosen, dreidimensionalen geschlossenen Faserverbundwerkstoff-Halbzeugs aus einem ebenen, flächigen Faser-Vorformling gemäß dem Patentanspruch 1.
STAND DER TECHNIK
Bekanntermaßen werden schalenförmige Bauteile in der Luft- und Raumfahrt immer mit Stringer- und Spantstrukturen bzw. mit Sandwichelementen aufgebaut bzw. versteift.
Sind solche Strukturen in Kohlenstofffaser-Bauweise ausgeführt, werden die Versteifungselemente jeweils aus einer Bahnware herausgearbeitet, dem jeweiligen Bauteil entsprechend zugeschnitten und dann individuell mittels Fertigungsmittel zum Bauteil weiterverarbeitet.
Diese Vorgehensweise führte in der Vergangenheit zur Entwicklung des Flechtprozesses, der es wiederum erlaubt, schlauchförmige, geschlossene Halbzeuge zu generieren. Diese mittels Flechtprozessen generierten schlauchförmigen Halbzeuge bzw. die daraus resultierenden Versteifungselemente bieten dem Konstrukteur jedoch keine ”Design-Freiheit”, sind kostenintensiv in ihrer Herstellung und zudem in der Fertigung sehr schwer handhabbar. Insbesondere die Schwierigkeit der Sicherstellung einer lastfallgerechten Faserorientierung stellt einen wesentlichen Hemmschuh zum verstärkten Einsatz dieser Technologie dar.
Das Dokument DE 10 2004 006 615 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoffs, bei dem Materialbahnen zugeschnitten, übereinandergelegt und vernäht werden aus mehreren separaten Materialbahnen, die zueinander angeordnet werden. Überlappungen der Materialbahnen dieses Standes der Technik sollen eine bestimmte Faserarchitektur ergeben.
Das Dokument DE 102 50 826 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Preforms aus textilen Ausgangsmaterialien wie Fasern, Fasernbündeln oder Tapes. Die textilen Ausgangsmaterialien werden zweidimensional in einer Ebene abgelegt, wobei die Orientierung der Fasern und die Geometrie des zweidimensionalen Geleges durch Rückrechnung aus der dreidimensionalen Zielform bestimmt worden ist. Durch Umformen/Drapieren des zweidimensionalen Geleges wird die dreidimensionale Zielform hergestellt.
Das Dokument EP 1 529 865 A1 offenbart einen Vorformlingsvorgänger für einen faserverstärkten Verbundkunststoff mit einem Abschnitt, der gebogen werden kann entlang einer gekrümmten Linie in einer ebenen glatten oder gekrümmten glatten Region mit festgelegter Ausdehnung, die eine Vielzahl von verstärkten Fasern umfasst, die teilweise parallel angeordnet sind, ohne in eine Struktur entlang der besagten gekrümmten Linie zum Biegen formiert zu sein; und eine Vielzahl von verstärkten Fasern, die die vorherige Vielzahl von verstärkten Fasern in einem vorgegebenen Winkel und über die gesamte besagte Region angeordnet kreuzen, ohne in eine Struktur formiert zu sein, zum Biegen eines Abschnitts, der nur aus der genannten Vielzahl von verstärkten Fasern besteht, um eine gewünschte Form zu bilden.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Ausgehend von den oben aufgeführten Nachteilen, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung des endlosen, dreidimensionalen geschlossenen Faserverbundwerkstoff-Halbzeugs zur Verfügung zu stellen, welches eine einfache, kostengünstige und lastfallgerechte Herstellung eines Halbzeugs, beispielsweise für die Herstellung einer Versteifungsstruktur für eine Schalenbauweise, ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
Die Unteransprüche 2 bis 8 bilden vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines endlosen, dreidimensionalen geschlossenen Faserverbundwerkstoff-Halbzeugs aus einem ebenen, flächigen Faser-Vorformlings umfasst die folgenden Schritte:

a) flächiges Ablegen des ebenen, flächigen Faser-Vorformlings;
b) Ausrichten des ebenen, flächigen Faser-Vorformlings zur Herstellung einer lasffallgerechten Faserorientierung des flächigen Faser-Vorformlings;
c) Formen des ebenen, flächigen Faser-Vorformlings zu einer dreidimensionalen Struktur; und
d) Schließen der dreidimensionalen Struktur, wobei dehnfähiges Material verwendet wird für das Vernähen zum Schließen der dreidimensionalen Struktur in Schritt d) und das Vernähen mittels einer Armabwärtsmaschine oder eines 3D-Nähroboters durchgeführt wird.

Da gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung des Halbzeugs bereits enddicke, kompaktierte, aber weiterhin flexibel handhabbare, in ebener Form vorliegende Faserarchitekturen verwendet werden, ist in vorteilhafter Weise eine einfache, kostengünstige Herstellung gewährleistet. insbesondere ist eine einfache, lastfallgerechte Ausrichtung bzw. Ausprägung der Faserorientierung ermöglicht.
Vorteilhaft ist zudem, dass zur Herstellung keine weiteren Preform vorbereitende Fertigungsmittel erforderlich sind.
Das entstandene neue geschlossene Halbzeug kann sowohl in weiteren Preformmontageprozessen zu einem Gesamtbauteil geführt oder aber in einem Pultrusionsprozess weiter verarbeitet werden.
Das Schließen der dreidimensionalen Struktur wird mittels Vernähen durchgeführt. Die dreidimensionale Struktur mittels Vernähen zu schließen, erweist sich als besonders vorteilhaft, da dies einen einfach zu handhabenden Fertigungsschritt darstellt, der zudem auf eine einfache Art und Weise verschiedene Gestaltungsmöglichkeiten für die Fügestelle ermöglicht.
Um eine optimale, d. h. lastfallgerechte Ausbildung des Faserverbund-Halbzeugs zu gewährleisten, werden die Schritte a) und b) mehrfach wiederholt, d. h. auf eine erste Lage eines ebenen flächigen Faser-Vorformlings werden weitere Lagen des ebenen, flächigen Faser-Vorformlings aufgebracht, die dann ebenfalls wieder entsprechend der Bauteilanforderung ausgerichtet werden. Die aufeinander aufgebrachten ebenen, flächigen Faser-Vorformlinge können dabei auch unterschiedlich ausgebildet sein. D. h. auf die erste Lage des ersten ebenen, flächigen Faser-Vorformlings wird eine Lage eines anderen, zweiten ebenen flächigen Faser-Vorformlings aufgebracht. So könnten beispielsweise, um einen speziellen Lagenaufbau zu erzielen, auch nach unterschiedlichen Herstellverfahren (Weben, Wirken, Nähen, Sticken, etc.) hergestellte Faser-Vorformlinge verwendet werden.
Diese nunmehr aufeinander liegenden Faser-Vorformlings-Lagen werden vor ihrer Verformung zu einer dreidimensionalen Struktur zueinander fixiert. Das Fixieren hat den Effekt, dass ein ungewolltes Verrutschen der Lagen untereinander beim Verformen ausgeschlossen ist.
Erfindungsgemäß werden die aufeinander liegenden Faser-Vorformlings-Lagen mittels Vernähen zueinander fixiert.
Vorzugsweise wird für das Vernähen zum Schließen der dreidimensionalen Struktur und/oder für das Vernähen zum Fixieren der Lagen zueinander ein dehnfähiges und/oder steifes und/oder schmelzbares Fadenmaterial verwendet. Aufgrund der Verwendung eines der oben aufgeführten Materialien für den Faden ist auf eine einfache Art und Weise eine Beeinflussung der Fügestelle bzw. der Fixierung ermöglicht. Wird beispielsweise das Vernähen zum Schließen der dreidimensionalen Struktur mit einem dehnfähigen Fadenmaterial durchgeführt, ist hierdurch eine flexiblere Verwendung der geschlossenen Struktur ermöglicht.
Das Vernähen erfolgt mittels einer Armabwärtsmaschine oder eines 3D-Nähroboters. Hierdurch ist eine schnelle und exakte Nahtführung gewährleistet.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung erfolgt das Formen der ebenen, flächigen Faser-Vortormlings-Lagen mittels eines Faltprozesses. Die dadurch erzielte Profilform des geschlossenen Halbzeugs kann sowohl kreisförmig, aber auch mit engen Radien quadratisch oder ähnlich ausgeprägt sein.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nach Abschluss des Schrittes d) das dreidimensionale, geschlossene Faserverbundwerkstoff-Halbzeug einem Wärmeprozess unterzogen. Dies erweist sich insbesondere dann von Vorteil, wenn für das Schließen der Bahnware mittels Vernähen und zum Fixieren der Lagen mittels Vernähen jeweils ein schmelzbarer Faden verwendet wird. Wird beispielsweise für das Fixieren der verschiedenen aufeinander liegenden Faser-Vortormlings-Lagen ein schmelzbarer Faden verwendet, befindet sich nach dem Schließen zu einer dreidimensionalen Struktur dieser – nicht aufgeschmolzene – Faden in der gesamten Struktur. Durch den anschließenden Wärmeprozess und das damit verbundene Aufschmelzen des Fadenmaterials findet in vorteilhafter Weise eine endlose Fixierung der gesamten, geschlossenen Struktur statt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nach Abschluss des Schrittes d) das dreidimensionale, geschlossene Faserverbundwerkstoff-Halbzeug über einen Kern drapiert.
Weitere Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen.
Die Erfindung wird im Folgenden an Hand des in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben.
In der Zeichnung bedeuten:
1 Ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren endlos hergestelltes Verstärkungsstrukturprofil im Querschnitt;
2 eine Oberschale eines Kohlenstofffaser-Fußbodens mit nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Verstärkungsstrukturprofilen, und
3 der Fußboden aus 2 nach Aufbringen einer Decklage.
1 zeigt mehr oder minder schematisch in einer Querschnittsdarstellung ein insgesamt mit der Bezugsziffer 10 bezeichnetes dreidimensionales Halbzeug in Form eines Verstärkungsstrukturprofils. Das Verstärkungsstrukturprofil 10 ist aus mehreren Lagen von ebenen, flächigen Faser-Vorformlingen aufgebaut und weist eine im Wesentlichen quadratische Querschnittsfläche auf.
Die Faserarchitektur und die Art der ebenen, flächigen Faser-Vorformlinge sind dabei so gewählt, dass die seitlichen Flächen 12, 14, 16, 18 des Verstärkungsstrukturprofils 10 jeweils einen genau definierten Lagenaufbau aufweisen.
Nach Ausrichten bzw. Einstellung der gewünschten Faserarchitektur und dem Formen zu der dargestellten, im Wesentlichen quadratischen Querschnittsform, erfolgte vorliegend das Schließen der Struktur mittels einer endlos arbeitenden Armabwärtsnähmaschine. Die eingebrachten Nähte 20 haben die Eigenschaft das Material zu stabilisieren und bieten die Möglichkeit es im trockenen Zustand weiter zu verarbeiten.
Der so hergestellte ”Schlauch” kann in einem weiteren Schritt beispielsweise über einen Kern drapiert werden. Dabei gibt die Naht dem textilen Vorprodukt weiterhin eine Flexibilität und Drapierfähigkeit.
Die Lage der einzelnen Seitenwände ist je doch durch die Naht exakt positioniert. Der trocken vorliegende Schlauch kann je nach benötigter Länge des zu bestückenden Kernmaterials zugeschnitten werden. Zusätzliche Hilfsmittel, z. B. Drapierwerkzeuge oder Nachschnittschablonen können damit entfallen.
In 2 und 3 ist als Anwendungsbeispiel eine eben ausgeprägte zu versteifende Schalenstruktur in Form eines Fußbodens für einen Hubschrauber dargestellt.
Es ist ersichtlich, dass durch den Einsatz eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Halbzeugs, sämtliche Stege und Rippen eingebracht werden können. Die einzelnen ”Streifen” stellen somit Einheitselemente dar, die je nach Konstruktion und lokaler Ausprägung des Fußbodens (Anchor Points, Tankring, Deckel für Lasthaken etc.) zugeschnitten, auf einen Kern gesteckt und ausgehärtet werden können. Zur exakten Positionierung im Bauteil können dann feste Kernmaterialien (zwischen den Rippen) eingelegt werden.
Vorliegend sind auf einer Decklage 22 zur Verstärkung Längsrippen 24 und Querrippen 26 vorgesehen. Bezugsziffer 28 bezeichnet zusätzliche Verstärkungspatches zur lokalen Verstärkung, während mit Bezugsziffer 30 eine beispielhafte Anordnung der Profile zur Realisierung einer Versteifungsgruppe, z. B. Rahmen für Lasthaken bezeichnet ist.
Nach Positionierung der einzelnen Verstärkungselemente und sonstigen Funktionsgruppen, wird das Bauteil mittels einer Vakuuminfusionstechnik infiltriert und ausgehärtet.
Zur Fertigstellung des Sandwich-Panels ”Kohlenstofffaser-Fußboden” wird die Ober- bzw. Unterschale nach einem Infiltrationsprozess noch mit einer Decklage 32 verklebt.
Bezugszeichenliste

10: Verstärkungsstrukturprofil
12: seitliche Fläche
14: seitliche Fläche
16: seitliche Fläche
18: seitliche Fläche
20: Naht
22: Decklage
24: Längsrippe
26: Querrippe
28: Verstärkungspatches
30: Versteifungsgruppe
32: Decklage

Claims

Verfahren zur Herstellung eines endlosen, dreidimensionalen geschlossenen Faserverbundwerkstoff-Halbzeugs aus einem ebenen, flächigen Faser-Vorformling, umfassend die folgenden Schritte: a) flächiges Ablegen des ebenen, flächigen Faser-Vorformlings; b) Ausrichten des ebenen, flächigen Faser-Vorformlings zur Herstellung einer lasffallgerechten Faserorientierung des flächigen Faser-Vorformlings; c) Formen des ebenen, flächigen Faser-Vorformlings zu einer dreidimensionalen Struktur; und d) Schließen der dreidimensionalen Struktur, gekennzeichnet durch Verwenden eines dehnfähigen Materials für das Vernähen zum Schließen der dreidimensionalen Struktur in Schritt d) und dadurch, dass das Vernähen mittels einer Armabwärtsmaschine oder eines 3D-Nähroboters durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt d) die dreidimensionale Struktur mittels Vernähen geschlossen wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass vor Ausführung des Schritts c) die Schritte a) und b) wiederholt mit weiteren ebenen, flächigen Faser-Vorformlingen durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die ebenen, flächigen Faser-Vorformlinge zueinander fixiert werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die ebenen, flächigen Faser-Vorformlinge mittels Vernähen zueinander fixiert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) der/die flächige(n) Faser-Vorformling(e) mittels eines Faltprozesses zu der dreidimensionalen Struktur verformt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach Abschluss des Schrittes d) das dreidimensionale, geschlossene Faserverbundwerkstoff-Halbzeug einem Wärmeprozess unterzogen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach Abschluss des Schrittes d) das dreidimensionale, geschlossene Faserverbundwerkstoff-Halbzeug über einen Kern drapiert wird.