DE102008044208A1

DE102008044208A1 - Vorrichtung zum Aushärten eines Kunststoffmaterials

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Publication number: DE102008044208A1
Application number: DE102008044208A
Authority: DE
Inventors: Rainer Schildt
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2008-12-01
Filing date: 2008-12-01
Publication date: 2010-06-10

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1, 19) zum Aushärten eines Kunststoffmaterials (5, 40), insbesondere einer Dichtmasse und/oder einer Füllmasse zum Toleranzausgleich bzw. zur Spaltfüllung, wobei das Kunststoffmaterial (5, 40) zumindest bereichsweise in einen Spaltbereich (2, 39) zwischen zwei Bauteilen (3, 4, 34, 35) eingebracht ist, und mindestens eines der Bauteile (3, 4, 35) mit einem faserverstärkten Kunststoffmaterial, insbesondere mit einem kohlefaserverstärkten Epoxidharz, gebildet ist. Erfindungsgemäß verfügt die Vorrichtung (1, 19) über mindestens einen elektromagnetischen Induktor zur lokal begrenzten Erwärmung des Spaltbereichs (2, 39) und zur Aushärtung des darin befindlichen Kunststoffmaterials (5, 40). Infolge des elektromagnetischen Induktors, der beispielsweise als Linieninduktor (6, 44) oder als Ringinduktor (22) ausgebildet sein kann, ist eine berührungslose und schnelle Aushärtung des Kunststoffmaterials (5, 40) möglich. Darüber hinaus erfolgt eine schonende Aushärtung, da eine gegebenenfalls für angrenzende Komponenten schädliche Wärmewirkung räumlich im Wesentlichen auf den Wirkbereich des vom Induktor erzeugten magnetischen Wechselfeldes begrenzt bleibt. Eine Ausführungsvariante der Vorrichtung (1, 19) verfügt über einen großformatigen, bevorzugt segmentierten Ringinduktor (22), der eine zeitlich simultane Aushärtung eines vollständigen Querstoßbereichs (21, 36) zwischen zwei Rumpfsektionen (20) ermöglicht. Das in einen Spaltbereich ...

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Aushärten eines Kunststoffmaterials, insbesondere einer Dichtmasse und/oder einer Füllmasse, wobei das Kunststoffmaterial zumindest bereichsweise in einen Spaltbereich zwischen zwei Bauteilen eingebracht ist, und mindestens eines der Bauteile mit einem faserverstärkten Kunststoffmaterial, insbesondere mit einem kohlefaserverstärkten Epoxidharz, gebildet ist. Im modernen Flugzeugbau finden zunehmend faserverstärkte Verbundmaterialien, wie zum Beispiel kohlefaserverstärkte Epoxidharze Verwendung. Rumpfsektionen zur Herstellung von Flugzeugrümpfen werden beispielsweise mit Schalensegmenten gefertigt, die zum überwiegenden Teil mit faserverstärkten Verbundmaterialien hergestellt sind. Im Gegensatz zur klassischen Aluminiumbauweise ergeben sich jedoch bei solchen Verbundmaterialien unvermeidbare Fertigungstoleranzen, die beispielsweise aus einem nicht sicher reproduzierbaren Schrumpfungsverhalten bei der Aushärtung großformatiger Komponenten herrühren. Zwar entstehen auch im Fall der Aluminiumbauweise Maßabweichungen, die jedoch aufgrund der duktilen Eigenschaften der eingesetzten Aluminiumlegierungen, beispielsweise durch Drücken oder Ziehen, kompensiert werden können. Diese Vorgehensweise ist jedoch bei Verbundmaterialien aufgrund deren hoher Sprödigkeit nach erfolgter Aushärtung nicht anwendbar. Demzufolge müssen beim Zusammenfügen von Schalensegmenten zu Rumpfsektionen und der anschließenden Bildung von kompletten Flugzeugrumpfzellen durch das Zusammenfügen mehrerer Rumpfsektionen andere Ausgleichsmaßnahmen getroffen werden. Zum Ausgleich dieser fertigungsbedingt un gleich zwischen den zu fügenden Verbundbauteilen in der Regel ein so genanntes ”Flüssigshim”-Material zum Einsatz. Bei diesem ”Flüssigshim”-Material handelt es sich in der Regel um ein aushärtbares Kunststoffmaterial auf Zwei-Komponentenbasis, zum Beispiel ein Epoxidharz, das optional mit weiteren Füll- und/oder Zuschlagstoffen versetzt sein kann. Heutzutage erfolgt das Trocknen bzw. Aushärten des ”Flüssigshim”-Materials üblicherweise bei Raumtemperatur, sodass bei einem Zwei-Komponenten-Epoxidharz eine chemisch-physikalisch bedingte Prozesszeit von mehreren Stunden (in der Regel zwischen 4 und 9 Stunden) gegeben ist.
Eine beschleunigte Aushärtung des in die unvermeidbaren Fügespalte eingebrachten Shimmaterials erfolgt vereinzelt durch im Fügebereich aufgelegte und elektrisch beheizbare Matten. Diese Matten erfordern jedoch einen hohen Energieeinsatz und führen zu einer unkontrollierten Erwärmung angrenzender Bereiche. Darüber hinaus ist der mittels Heizmatten im Spaltbereich erreichbare Temperaturverlauf aufgrund der thermischen Trägheit der Heizmatten nicht verzögerungsfrei zu kontrollieren und die Anordnung der Heizmatten erfordert einen hohen Arbeitsaufwand.
Aufgabe der Vorrichtung ist es, die vorstehend beschriebenen Nachteile der bekannten Ausführungsformen zu vermeiden.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Dadurch, dass zur lokal begrenzten Erwärmung des Spaltbereichs mindestens ein elektromagnetischer Induktor vorgesehen ist, ist eine räumlich exakt begrenzte und schnelle Erwärmung im Spaltbereich der zu fügenden Bauteile und damit eine punktgenaue Aushärtung des als Shimmaterial eingesetzten Zweikomponenten-Kunststoffes möglich. Darüber hinaus lässt sich durch das Abschalten des Induktors die Wärmeeinwirkung zeitlich exakt begrenzen. Der oder die Induktoren werden bevorzugt mit Wechselströmen in einem Frequenzbereich zwischen 10 und 30 kHz gespeist. Hierbei sind elektrische Leistungen oberhalb von 1,0 kW erforderlich, die in der Regel eine Wasserkühlung des Induktors erfordern.
Bevorzugt sind die Bauteile mit kohlefaserverstärkten Kunststoffen, insbesondere mit kohlefaserverstärkten Epoxidharzen gebildet. Kunststoffmaterialien in einem Spaltbereich zwischen zwei zu fügenden metallischen Bauteilen lassen sich mittels der Vorrichtung im Allgemeinen nicht aushärten, da zum einen die Wärmeableitung zu hoch ist und zum anderen die Abschirmwirkung der metallischen Bauteile bei bestimmten Frequenzen eine unmittelbare Erwärmung des eingebrachten Kunststoffmaterials erschwert.
Die Kohlefasern innerhalb der CFK-Bauteile sollten vorzugsweise lagenweise gekreuzt übereinander verlaufen, so dass sich innerhalb der Verstärkungsfaseranordnung eine Vielzahl von Kreuzungspunkten bildet, von denen jeweils vier benachbarte eine elektrisch leitfähige Masche bilden. Das durch die Induktoren erzeugte Magnetfeld bewirkt in diesen Maschen die Entstehung einer Vielzahl von kleinen, in gleicher Richtung umlaufenden Kreisströmen, die aufgrund der zwar geringen, aber dennoch vorhandenen elektrischen Leitfähigkeit der Kohlefasern zu einer ausreichenden inneren ohmschen Erwärmung der Verbundbauteile und damit des Kunststoffmaterials führen.
Die Vorrichtung kann wahlweise mit nur einem Induktor oder auch mit einer Vielzahl von Induktoren ausgestattet sein. Beim Einsatz nur eines Induktors muss dieser nach der erfolgten Aushärtung des jeweils bearbeiteten Abschnittes bzw. Bereiches in einen angrenzenden Abschnitt versetzt werden, wodurch sich der Arbeitsaufwand erhöht. Um im Fall dieses so genannten ”Pilgerschritt”-Verfahrens lediglich teilausgehärtete Zonen zu vermeiden, ist in der Regel eine überlappende Arbeitsweise erforderlich, wodurch der Zeitaufwand weiter ansteigt. Demgegenüber ermöglicht eine Vorrichtung, die mit einer Vielzahl von gleichzeitig wirkenden Induktoren ausgestaltet ist, zwar die zeitgleiche Aushärtung großflächiger Spaltbereiche, erfordert im Gegenzug jedoch einen erhöhten konstruktiven Aufwand.
Bei dem Kunststoffmaterial handelt es sich insbesondere um eine Füllmasse und/oder eine Dichtmasse. Bei der Füllmasse bzw. dem Shimmaterial handelt es sich bevorzugt um ein Epoxidharz auf Zweikomponentenbasis, das optional mit weiteren Zuschlagstoffen versetzt sein kann. Als Dichtmassen kommen beispielsweise bekannte Polyurethane auf Zweikomponentenbasis in Betracht.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Vorrichtung sieht vor, dass der mindestens eine Induktor insbesondere ein Linieninduktor oder ein Ringinduktor ist.
Hierdurch kann bei der Herstellung der Vorrichtung auf standardmäßig vorhandene Induktoren zurückgegriffen und zudem der räumliche Wirkbereich der Induktoren den Erfordernissen angepasst werden.
Beispielsweise ist ein Linieninduktor aufgrund der hieraus resultierenden Magnetfeldgeometrie insbesondere zur Aushärtung von langgestreckten Spaltbereichen geeignet, während ein Hufeiseninduktor oder ein Ringinduktor zur Erwärmung flächenhafter Spaltbereiche dient. Spiralförmige Induktoren sind insbesondere für die Aushärtung von kreisförmigen Spaltbereichen geeignet. Grundsätzlich kann durch die geometrische Gestalt der eingesetzten Induktoren die resultierende Magnetfeldgeometrie in weiten Grenzen verändert und somit der Wirkungsbereich des Induktors, das heißt die Form der räumlich begrenzten Zone, in der die definierte Erwärmung des Kunststoffmaterials zur Aushärtung erfolgt, variiert werden. Vorzugsweise ist die Vorrichtung mit universellen Halterungen zur Aufnahme einer Vielzahl unterschiedlicher Induktorentypen ausgestattet, so dass ein schneller Wechsel zur Anpassung der Vorrichtung an unterschiedliche räumliche Gegebenheiten möglich ist. Um ein optimales Aushärtungsergebnis zu erzielen, sollte die Geometrie des Induktors und des von diesem generierten Magnetfeldes möglichst genau an den Spaltbereich angepasst sein.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Vorrichtung sieht vor, dass ein Abstand zwischen dem mindestens einen Induktor und dem Spaltbereich zwischen 0 mm und 30 mm beträgt.
Hierdurch wird ein flexibler Einsatz der Vorrichtung möglich, ohne dass auf die exakte Einhaltung genauer Abstände zu achten wäre. In der Regel ist jedoch bei einer Vergrößerung des Abstandes eine Leistungserhöhung der Induktoren erforderlich, was beispielsweise durch eine Erhöhung der Stromstärke in den Induktoren bewirkt werden kann.
Nach Maßgabe einer weiteren vorteilhaften Fortbildung der Vorrichtung kann eine Materialstärke des auszuhärtenden Kunststoffmaterials bis zu 5 mm betragen. Hierdurch ist eine universelle Anwendbarkeit der Vorrichtung auch bei hohen Materialstärken des eingesetzten Shimmaterials gegeben.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Fortbildung der Vorrichtung ist im Kunststoffmaterial mit dem Induktor eine Temperatur zwischen 40°C und 90°C erreichbar. In Folge dieser genau einstellbaren Temperaturen erfolgt eine schnelle Aushärtung in weniger als 1 Stunde. Das Unter- bzw. das Überschreiten einer vorgegebenen Aushärtungstemperatur kann beispielsweise durch vorab empirisch ermittelte Kennlinien verhindert werden, bei denen die mittels einer bestimmten Induktorenanordnung innerhalb des Kunststoffmaterials erreichte Temperatur in Abhängigkeit von der jeweiligen Stromstärke und/oder der Frequenz des Speisewechselstroms der Induktoren gemessen wird. Werden die Induktoren im Bereich dieser Kennlinien betrieben bzw. von einer Leistungselektronik angesteuert, kann eine Soll-Aushärtungstemperatur über den gesamten Aushärtungszeitraum mit hinreichender Genauigkeit eingehalten werden. Eine direkte Messung der Temperatur innerhalb des Kunststoffmaterials, die in der Regel die Einbettung einer Vielzahl von Temperaturmesssensoren erfordert, kann somit entfallen.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass mindestens ein Bauteil zumindest bereichsweise mit einer metallischen Kaschierung, insbesondere einem Netz oder einem Gewebe, versehen ist.
Hierdurch kann die thermische Wirkung der Induktoren erhöht werden, da innerhalb der metallischen Kaschierung starke Wirbelströme induziert werden, die ihrerseits eine ohmsche Erwärmung des Bauteils und hiermit verbunden eine indirekte Temperaturerhöhung des Kunststoffmaterials bewirken.
Eine Weiterentwicklung der Vorrichtung sieht vor, dass das Kunststoffmaterial mit metallischen Partikeln, insbesondere mit Aluminiumpartikeln, versetzt ist.
Hiermit wird eine unmittelbare Erwärmung des zwischen den Bauteilen befindlichen Kunststoffmaterials möglich, weil durch die Induktoren unmittelbar im Kunststoffmaterial Wirbelströme induziert werden, die zu einer direkten, inneren Erwärmung des Kunststoffmaterials führen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung sind in den weiteren Patentansprüchen dargelegt.
In der Zeichnung zeigt:
1 Eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Aushärtung eines in einen Spaltbereich zwischen zwei zu fügenden Bauteilen eingebrachten Kunststoffmaterials,
2 eine schematische Darstellung des Verlaufs von Verstärkungsfasern innerhalb der den Spaltbereich begrenzenden bzw. diesen bildenden Bauteile,
3 eine prinzipielle Darstellung einer Vorrichtung zur simultanen Aushärtung eines vollständigen Querstoßbereichs zwischen zu fügenden Rumpfsektionen,
4 einen prinzipiellen Versuchsaufbau zur Ermittlung eines Temperaturverlaufs in zwei induktiv erwärmten, sich bereichsweise überlappenden und kaschierten Faserverbundbauteilen, und
5 ein Diagramm mit dem Temperaturverlauf, der mit dem Versuchsaufbau nach 4 ermittelt wurde.
In der Zeichnung weisen dieselben konstruktiven Elemente jeweils die gleiche Bezugsziffer auf.
Die 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Aushärtung von Kunststoffmaterialien in einem Spaltbereich zwischen zwei Bauteilen.
Eine Vorrichtung 1 umfasst unter anderem einen Spaltbereich 2 zwischen zwei Bauteilen 3, 4, wobei in den Spaltbereich 2 zumindest bereichsweise ein Kunststoffmaterial 5, insbesondere eine Dichtmasse oder eine Füllmasse eingebracht ist. Oberhalb des ersten Bauteils 3 befindet sich ein exemplarisch als Linieninduktor 6 ausgestalteter Induktor zur Erzeugung eines Magnetfeldes 7, das die Bauteile 3, 4 sowie das Kunststoffmaterial 5 im Spaltbereich 2 durchsetzt. Anstelle des Linieninduktors 6 können – in Abhängigkeit vom Anwendungsfall – Hufeisen-(”C”)-Induktionsköpfe, Welleninduktionsköpfe, Spiralinduktoren oder andere Bauformen von Induktoren zum Einsatz kommen. Für die zeitgleiche Aushärtung eines kompletten Quernahtbereichs zwischen zwei Rumpfsektionen ist jedoch ein Ringinduktor erforderlich. Eine Stromstärke I eines zur Speisung des Linieninduktors 6 dienenden Wechselstroms wird so gewählt, dass sich im auszuhärtenden Kunststoffmaterial 5 eine Temperatur zwischen 40°C und 90°C über einen Zeitraum von bis zu einer Stunde einstellt. Bei dem verwendeten Kunststoffmaterial 5 handelt es sich beispielsweise um Duroplaste mit den Bezeichnungen EA 9394 A/B von der Fa. Henkel^®, Redux 870 A/B von der Fa. Hexcel^®, EA 9394.2 von der Fa. Henkel^® oder Epibond 1590-3 A/B von der Fa. Huntsman^®. Alternativ kann das Kunststoffmaterial 5 auch eine Dichtmasse bzw. ein Dichtmittel, wie zum Beispiel ein Polyurethan-Kunststoffmaterial auf Zwei-Komponenten-Basis, sein. In dieser Konstellation ist im Allgemeinen eine Temperatur von etwa 50°C im Bereich des Dichtmittels für eine forcierte Aushärtung ausreichend.
Beim Einsatz des Linieninduktors 6 ist, insbesondere im Fall eines großflächigen Spaltbereichs 2, der vom Magnetfeld 7 des Linieninduktors 6 nicht zeitgleich durchsetzt wird, eine Positioniereinrichtung von Vorteil, mittels derer der Linieninduktor 6 über den Spaltbereich 2 automatisiert in definierten Bahnkurven hinweg führbar ist. Hierbei ist eine ausreichende Verweildauer des Linieninduktors 6 über den Spaltbereich 2 vorzusehen, um eine ausreichende thermische Härtung des Kunststoffmaterials 5 zu bewirken. Alternativ kann der Linieninduktor 6 – wie in der 1 mit der punktierten Umrissdarstellung angedeutet – auch eine Handhabe, wie beispielsweise einen Handgriff, aufweisen, die einen manuellen Einsatz des Linieninduktors 6 ermöglicht. In dieser Konstellation verfügt der Linieninduktor 6 bevorzugt über eine Laserzieleinrichtung, um den räumlichen Wirkungsbereich des vom Linieninduktor 6 generierten Magnetfeldes 7 für einen Anwender berührungslos optisch auf den Bauteilen 3, 4 zu visualisieren. Hierdurch wird eine vollständige Aushärtung des Kunststoffmaterials 5 sicher gestellt.
Beide Bauteile 3, 4 sind im Wesentlichen mit einer Schicht 8, 9 aufgebaut, die jeweils mit einem kohlefaserverstärkten Epoxidharz (so genanntes ”Prepreg-Material”) gebildet ist, wobei sich die in einer nicht dargestellten Kunststoffmatrix eingebetteten Verstärkungsfasern lagenweise unter einem Winkel von bis zu 90° unter Schaffung von Kreuzungspunkten überkreuzen. Die Kreuzungspunkte zwischen den Verstär kungsfasern wirken als elektrisch leitfähige Kontaktierungspunkte, das heißt über die Kreuzungspunkte zwischen den Verstärkungsfasern kann ein, wenn auch kleiner Strom fließen. Hierdurch bilden sich beispielsweise quadratische, rechteckige oder rhombische Maschen mit jeweils vier Kreuzungspunkten. Aufgrund der zumindest rudimentär vorhandenen elektrischen Leitfähigkeit der Kohlefasern können in den Maschen infolge des vom Linieninduktor 6 erzeugten magnetischen Wechselfeldes Kreisströme induziert werden, die zu einer unmittelbaren ohmschen Erwärmung der Schichten 8, 9 führen. Darüber hinaus können die Bauteile 3, 4 jeweils auf einer Seite zumindest bereichsweise mit einer Kaschierung 10, 11 versehen sein, die mit einem leitfähigen Material, wie beispielsweise einem Kupfergewebe, einer gelochten Kupferfolie und/oder einem Kupfergeflecht (so genanntes ”Mesh”) gebildet ist. Innerhalb der elektrisch leitfähigen Kaschierungen 10, 11 werden durch die Wirkung des vom Linieninduktor 6 erzeugten magnetischen Wechselfeldes gleichfalls Wirbelströme erzeugt, die zu einer direkten thermischen Erwärmung der Kaschierungen 10, 11 und damit zu einer indirekten Erwärmung des Kunststoffmaterials 5 durch Wärmeleitungsprozesse führen. Bevorzugt ist das Kunststoffmaterial 5 gleichfalls mit einer Vielzahl von elektrisch leitfähigen, metallischen Partikeln versetzt, von denen ein Partikel 12 repräsentativ mit einer Bezugsziffer versehen ist. Durch den Einsatz der Partikel 12 wird die elektrische Leitfähigkeit des Kunststoffmaterials 5 so weit erhöht, dass allein hierdurch eine Temperatur von bis zu 40°C im Kunststoffmaterial 5 erreichbar ist. Insbesondere aus Gewichtsgründen wird das Kunststoffmaterial 5 bevorzugt mit Partikeln aus einem leichtgewichtigen Aluminiumlegierungsmaterial versetzt. Das Kunststoffmaterial 5 selbst bzw. die die Partikel 12 einschließende Matrix ist bevorzugt mit einem thermisch aushärtbaren Zweikomponenten-Epoxidharzsystem gebildet. Zur vollständigen Aushärtung des Kunststoffmaterials 5 ist die durch die eingebrachten Aluminiumpartikel erreichbare Eigenleitfähigkeit hingegen nicht ausreichend.
Die Aufbringung der exemplarisch dargestellten Kaschierung 10, 11 ist für die Funktion der Vorrichtung 1 nicht zwingend erforderlich, denn die Erwärmung des Kunststoffmaterials 5 aufgrund der ohmschen Heizwirkung der in den Bauteilen 3, 4 enthaltenen Kohlefasern in Verbindung mit der thermischen Eigenerwärmung aufgrund der elektrisch leitfähigen Partikel 12 ist in aller Regel für den Aushärtungsprozess des Kunststoffmaterials 5 hinreichend. Abweichend von der Darstellung in 1 können die Kaschierungen 10, 11 jeweils auf einer Oberseite und/oder einer Unter seite der Bauteile 3, 4 vorgesehen sein. Bevorzugt sind die Kaschierungen – wie gezeigt – jedoch auf der Oberseite der Bauteile 3, 4 angeordnet, denn die Kaschierungen, insbesondere in Gestalt eines Kupfergewebes, einer Kupferkaschierung oder eines Kupfernetzes, dienen primär als Blitzschutzeinrichtung. Für den Fall, dass die Bauteile 3, 4 nicht wie gezeigt überlappend angeordnet sind, sondern auf Stoß aneinander grenzen und unterseitig mit einer Querstoßlasche gefügt sind, verfügt die Querstoßlasche in der Regel über keine Kaschierung.
Die 2 zeigt schematisch den Verlauf von Verstärkungsfasern in einem Bauteil zur Schaffung von Maschen.
Innerhalb einer nicht dargestellten Harzmatrix des Bauteils 3, 4 verlaufen in einer ersten Lage 13 eine Vielzahl von horizontalen Verstärkungsfasern bzw. Verstärkungsfasersträngen, von denen lediglich eine Verstärkungsfaser 14 repräsentativ für alle übrigen mit einer Bezugsziffer versehen ist. In einer zweiten Lage 15 verläuft gleichfalls eine Vielzahl von Verstärkungsfasern, wobei sich die Verstärkungsfasern in den Lagen unter einem Winkel von bis zu 90° kreuzen. Eine Verstärkungsfaser 16 in der zweiten Lage 15 kreuzt sich beispielsweise mit der Verstärkungsfaser 14 in der ersten Lage 13 unter einem Winkel von etwa 90°, wodurch eine Masche 17 mit insgesamt vier, durch kleine schwarze Kreise angedeutete Kreuzungspunkte, entsteht. Da das vom Linieninduktor 6 erzeugte magnetische Wechselfeld die Masche 17 durchsetzt, entsteht in der Masche 17 ein Kreisstrom 18. Der Kreisstrom 18 führt aufgrund der zwar geringen, aber dennoch vorhandenen elektrischen Leitfähigkeit der Verstärkungsfasern, bei denen es sich bevorzugt um Kohlefaserfilamente bzw. Kohlefaserstränge handelt, zu einer geringfügigen ohmschen Erwärmung der Masche 17. Dieser Vorgang wiederholt sich über die gesamte, vom Magnetfeld des Linieninduktors 6 durchsetzte Fläche der Bauteile 3, 4 und in allen Maschen der Verstärkungsfaseranordnung, so dass das an diesem Bereich der Bauteile 3, 4 anliegende Kunststoffmaterial 5 ausreichend erwärmt und hierdurch thermisch ausgehärtet wird.
Die 3 illustriert eine Ausführungsvariante einer Vorrichtung, mit der die gleichzeitige Aushärtung einer in einen umlaufenden Querstoßbereich einer Rumpfsektion eingebrachten Füllmasse bzw. Dichtmasse möglich ist.
An eine (Heck-)Rumpfsektion 20 als ein erstes Bauteil wird eine weitere, nicht dargestellte Rumpfsektion als ein zweites Bauteil angeschlossen. Die Vorrichtung 19 umfasst einen Ringinduktor 22, dessen Außendurchmesser – abzüglich eines Luftspaltes zum Toleranzausgleich – in etwa an die Querschnittsabmessungen bzw. die Querschnittsgeometrie der Rumpfsektion 20 im Querstoßbereich angepasst ist. Der Ringinduktor 22 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel der 3 mit drei aneinander schließenden 120°-Segmenten 23 bis 25 aufgebaut. Die Segmente 23 bis 25 können mit einer Vielzahl von C-förmigen, aneinander gereihten und einer lokalen Krümmung der Rumpfsektion nachfolgenden Elektromagneten gebildet sein, wobei die Magnetfeldlinien ausgehend von den Polschuhen der Elektromagnete die Außenhaut der Rumpfsektionen in etwa senkrecht (in radialer Richtung) durchsetzen und angenähert parallel zum Umfang der Rumpfsektion zurück zu den Elektromagneten verlaufen.
Um die gewünschte Erwärmung des vollständigen Querstoßbereichs 21 mittels des Ringinduktors 22 auf eine Temperatur zwischen 40°C und 90°C zu erreichen, muss dem Ringinduktor 22 eine sehr hohe elektrische Leistung zugeführt werden. Aufgrund dieser hohen elektrischen Anschlussleistung muss im Allgemeinen eine Wasserkühlung vorgesehen sein. Die zum Betrieb des Ringinduktors 22 erforderlichen elektrischen Leistungen können sich hierbei auf deutlich mehr als 1.000 kW bei einer Frequenz zwischen 10 kHz und 30 kHz belaufen.
Aufgrund der in der Regel großen Querschnittsabmessungen der zu fügenden Rumpfsektionen, die in Abhängigkeit vom Flugzeugtyp einen Innenumfang von bis zu 25 m erreichen können und die einen Ringinduktor 22 mit einem annähernd entsprechenden Außenumfang erfordern, kann es erforderlich sein, diesen in mehr als die drei exemplarisch dargestellten Segmente 23 bis 25 aufzuteilen. Durch eine höhere Anzahl von Segmenten kann darüber hinaus die in der Regel notwendige Wasserkühlung der einzelnen Induktorsegmente konstruktiv erheblich vereinfacht werden, da für jedes Segment eine Zuleitung und ein Ableitung kleineren Durchmessers ausreichend ist. Durch die Segmentierung des Ringinduktors 22 wird zudem die zur Versorgung der einzelnen Ringinduktorsegmente benötigte elektrische Leistung verringert und die zur Ansteuerung feinstufige Regelung der Induktorsegmente durch eine Leistungselektronik vereinfacht. Ferner erlaubt die Segmentierung des Ringinduktors 22 eine Anpassung an lokal unterschiedlich große Krümmungs grade der im Querstoßbereich 21 aneinander schließenden Rumpfsektionen und zudem eine Anpassung an unterschiedliche Gegebenheiten im Baukastenprinzip. Das Baukastenprinzip ermöglicht durch die Kombination einer Auswahl von Induktorsegmenten aus einem begrenzten Vorrat von standardisierten Induktorsegmenten eine flexible Zusammenstellung des Ringinduktors 22, die auf einfache Art und Weise unterschiedlichen Querschnittsgeometrien und Querschnittsabmessungen von Rumpfsektionen angepasst sind. Die einzelnen Ringinduktorsegmente können mittels eines Stecksystems untereinander verbindbar sein, wobei ein optionales Verriegelungssystem vorhanden sein kann. Im Querstoßbereich 21 können innenseitig in den Rumpfsektionen 20 Vorrichtungen zur Anordnung, Ausrichtung und zeitweisen Befestigung der Ringinduktorsegmente vorgesehen sein.
Der Ringinduktor 22 kann ferner eine optionale Zentralbefestigung 26, die mit insgesamt drei, sich in einem Mittelpunkt 27 kreuzenden Streben 28 bis 30 gebildet ist, aufweisen, um die Positionierung innerhalb der Rumpfsektion 20 zu erleichtern. Im Bereich des Mittelpunktes 27 ist eine Positioniereinrichtung 31 bzw. eine Sockelplatte angeordnet, die zur Ausrichtung und zum Aufstellen des Ringinduktors 22 innerhalb eines Innenbereiches 32 der Rumpfsektion 20 dient.
Als Vorbereitung für den Einsatz der Vorrichtung 19 wird in einer denkbaren Variante zunächst der Querstoßbereich 21 der Rumpfsektion 20 mit dem aushärtbaren Kunststoffmaterial zur Spaltfüllung und/oder zum Toleranzausgleich versetzt. Anschließend wird der komplett montierte Ringinduktor 22 mittels der Positioniereinrichtung 31 in Richtung des Pfeils 33 in den einseitig noch offenen Innenbereich 32 der Rumpfsektion 20 hinein verfahren, so dass der gesamte Querstoßbereich 21 möglichst vollständig vom magnetischen Wechselfeld des Ringinduktors 22 durchsetzt wird. Abschließend wird die anzufügende Rumpfsektion in Bezug zur Rumpfsektion 20 ausgerichtet bzw. mit dieser zusammen gefahren und mit dieser beispielsweise durch eine Stoßverbindung unter Einsatz einer Querstoßlasche verschraubt und/oder vernietet. Alternativ kann auch eine Überlappverbindung ohne Querstoßlasche erfolgen.
Nachdem der Fügeprozess zumindest teilweise beendet ist, das heißt die Rumpfsektionen zumindest zur Erzielung einer hinreichenden Lagesicherung provisorisch geheftet sind, kann mittels des Ringinduktors 22 das vorab in den Spaltbereich zwischen den Rumpfsektionen eingebrachte Kunststoffmaterial ausgehärtet werden. Abschließend kann der Ringinduktor 22 wieder in seine drei Segmente 23 bis 25 zerlegt und einschließlich der Positioniereinrichtung 31 und der Streben 28 bis 30 aus den zusammen gefügten Rumpfsektionen entfernt werden.
Für den Fall, dass die zu fügenden Rumpfsektionen sowohl vor als auch nach dem Einbringen und Aushärten des zur Spaltfüllung erforderlichen Kunststoffmaterials (”Shim”-Materials) ohnehin wieder auseinander gefahren werden müssen, kann der Ringinduktor 22 auch in die bereits zueinander positionierten und ausgerichteten Rumpfsektionen hinein montiert werden. Da die Rumpfsektionen zu diesem Zeitpunkt bereits mit dem Passagier- und Frachtfußboden ausgerüstet sind, ergeben sich Abstützungs-, Montage- und Abstellmöglichkeiten für die einzelnen Induktorsegmente bzw. den gesamten Ringinduktor 22. Die Zentralbefestigung 26 mit der Positioniereinrichtung 31 und den Streben 28 bis 30 bzw. der Sockelplatte kann entfallen, wenn die Rumpfsektionen im Querstoßbereich 21 über Vorkehrungen (z. B. Spanthalter für Induktorsegmente) zur zeitweisen Befestigung der Ringinduktorsegmente verfügen.
Die 4 zeigt eine Querschnittsdarstellung durch einen Versuchsaufbau mit zwei sich überlappenden Bauteilen, die oberseitig mit einer Kaschierung versehen sind, zur Ermittlung eines Temperaturverlaufs, der sich bei einer induktiven Erwärmung einstellt.
Ein oberes Bauteil 34 und ein unteres Bauteil 35 überlappen sich in einem Querstoßbereich 36, dessen prinzipieller Aufbau somit im Wesentlichen einem Querstoßbereich zwischen zu zusammen zu fügenden Rumpfsektionen einer Flugzeugrumpfzelle entspricht. Die beiden Bauteile 34, 35 sind jeweils oberseitig mit einer Kaschierung 37, 38 versehen, bei der es sich bevorzugt um ein elektrisch leitfähiges Kupfergewebe, ein Kupfernetz zum Blitzschutz (s. g. Kuper-”Mesh”) handelt. Die beiden Bauteile 34, 35 sind bevorzugt mit einem kohlefaserverstärkten Epoxidharz gebildet. In einem Spaltbereich 39 befindet sich entsprechend zur Darstellung der 1 ein Kunststoffmaterial 40. Drei Temperatursensoren 41 bis 43 dienen zur Erfassung einer durch einen elektromagnetischen Induktor 44 in den Bauteilen 34, 35 erzeugten Temperaturerhöhung. Der Temperatursensor 41 ist auf der Kaschierung 37 angeordnet, der Temperatursensor 42 ist unterseitig am oberen Bauteil 34 angeordnet und der dritte Temperatursensor 43 ist auf der Kaschierung 38 positioniert. Ein sich aus dem vorstehend erläuterten Messaufbau ergebender zeitlicher Verlauf der von den Temperaturmessstellen 41 bis 43 erfassten Temperaturen im Querstoßbereich 36 ist in dem Diagramm nach Maßgabe von 5 zusammengefasst. Die Anzahl und/oder die Positionierung der drei Temperatursensoren 41 bis 43 sind nur beispielhaft gewählt, das heißt bei der praktischen Durchführung einer Messung des Temperaturverlaufs ist in der Regel eine größere Anzahl und insbesondere eine räumlich besser verteilte Anordnung der Temperatursensoren erforderlich, um zu aussagekräftigen Ergebnissen zu gelangen.
Die 5 illustriert mit dem Versuchsaufbau gemäß 4 gemessene zeitliche Temperaturverläufe beim induktiven Erwärmen von zwei plattenförmigen, sich in einem Naht- bzw. Querstoßbereich überlappenden Bauteilen mit im Überlappungsbereich eingebrachtem Kunststoffmaterial 40 bzw. mit einem Shimmaterial. Auf der Abszisse ist die Zeit t in Minuten abgetragen, während auf der Ordinate die von den drei Temperatursensoren 41 bis 43 zum jeweiligen Zeitpunkt gemessene Temperatur ϑ in °C abgetragen ist. Die mit einer durchgezogenen Linie dargestellte Messkurve entspricht dem vom oberen Temperatursensor 41 ermittelten zeitlichen Temperaturverlauf, während die mit einer gestrichelten Linie dargestellte Messkurve dem vom mittleren Temperatursensor 42 ermittelten Verlauf entspricht und die mit einer punktierten Linie eingezeichnete Kurve den Temperaturverlauf repräsentiert, der vom unteren Temperatursensor 43 gemessen wurde.
Aus dem Diagramm nach 5 ist zu erkennen, dass durch die induktive Erwärmung mittels des Induktors 44 im Bereich des oberen Temperatursensors 41 in Relation zu den beiden anderen Temperatursensoren 42, 43 zwar die höchsten Temperaturwerte erreicht werden, aber im Bereich des unteren Temperatursensors 43 – unabhängig vom Vorhandensein einer metallischen Kaschierung 37, 38 der Bauteile 34, 35 – dennoch Temperaturen bis zu 90°C erreichbar sind, die zur beschleunigten Aushärtung des Kunststoffmaterials 40 optimal sind. Zusammenfassend bleibt festzuhalten, dass mittels des Induktors 44 die beiden Faserverbundbauteile 34, 35 unabhängig vom Vorhandensein der metallischen Kaschierungen 37, 38 induktiv erhitzbar sind, um das Kunststoffmaterial 40 beschleunigt auszuhärten. Darüber hinaus ergibt sich die überraschende Erkenntnis, dass die Kaschierungen 37, 38 den Heizeffekt des Induktors 44 im Bereich des bevorzugt armierungsfreien Kunststoffmaterials 40 sogar verbessern.

1: Vorrichtung
2: Spaltbereich
3: erstes Bauteil
4: zweites Bauteil
5: Kunststoffmaterial (Ausgleichsmasse/Füllmasse/Dichtmasse)
6: Linieninduktor (Induktorkopf, Induktor)
7: Magnetfeld
8: Schicht (CFK-Material)
9: Schicht (CFK-Material)
10: Kaschierung
11: Kaschierung
12: Partikel
13: erste Lage
14: Verstärkungsfaser
15: zweite Lage
16: Verstärkungsfaser
17: Masche
18: Kreisstrom
19: Vorrichtung
20: Rumpfsektion
21: Querstoßbereich
22: Ringinduktor
23: 120°-Segment
24: 120°-Segment
25: 120°-Segment
26: Zentralbefestigung
27: Mittelpunkt
28: Strebe
29: Strebe
30: Strebe
31: Positioniereinrichtung
32: Innenbereich (Rumpfsektion)
33: Pfeil
34: erstes Bauteil
35: zweites Bauteil
36: Querstoßbereich
37: Kaschierung
38: Kaschierung
39: Spaltbereich
40: Kunststoffmaterial (Ausgleichsmasse/Füllmasse/Dichtmasse)
41: Temperatursensor
42: Temperatursensor
43: Temperatursensor
44: Linieninduktor

Claims

Vorrichtung (1, 19) zum Aushärten eines Kunststoffmaterials (5), insbesondere einer Dichtmasse und/oder einer Füllmasse, wobei das Kunststoffmaterial (5, 40) zumindest bereichsweise in einen Spaltbereich (2, 39) zwischen zwei Bauteilen (3, 4, 34, 35) eingebracht ist, und mindestens eines der Bauteile (3, 4, 34, 35) mit einem faserverstärkten Kunststoffmaterial, insbesondere mit einem kohlefaserverstärkten Epoxidharz, gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zur lokal begrenzten Erwärmung des Spaltbereichs (2, 39) mindestens ein elektromagnetischer Induktor vorgesehen ist.
Vorrichtung (1, 19) nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Induktor insbesondere ein Linieninduktor (6, 44) oder ein Ringinduktor (22) ist.
Vorrichtung (1, 19) nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand zwischen dem mindestens einen Induktor und dem Spaltbereich (2, 39) zwischen 0 mm und 30 mm beträgt.
Vorrichtung (1, 19) nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Materialstärke des Kunststoffmaterials (5, 40) bis zu 5 mm beträgt.
Vorrichtung (1, 19) nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Kunststoffmaterial (5, 40) mittels des mindestens einen Induktors eine Temperatur zwischen 40°C und 90°C erreichbar ist.
Vorrichtung (1, 19) nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Bauteil (3, 4, 34, 35) zumindest bereichsweise mit einer metallischen Kaschierung (10, 11, 37, 38) versehen ist.
Vorrichtung (1, 19) nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoffmaterial (5, 40) mit metallischen Partikeln (12), insbesondere mit Aluminiumpartikeln, versetzt ist.
Vorrichtung (1, 19) nach einem der Patentansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringinduktor (22) mit einer Vielzahl von Segmenten (23–25) aufgebaut ist, um insbesondere eine zeitgleiche Aushärtung eines Querstoßbereichs (21) zwischen einer Rumpfsektion (20) und einer an diese anzufügenden weiteren Rumpfsektion zur Herstellung einer Flugzeugrumpfzelle zu ermöglichen.
Vorrichtung (1, 19) nach Patentanspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringinduktor (22) in einem Innenbereich (32) der Rumpfsektion (20) angeordnet ist.