DE102008051533A1

DE102008051533A1 - Verfahren zur Herstellung eines Bauteil-Halbzeuges und Verfahren zur Herstellung eines Bauteils

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Publication number: DE102008051533A1
Application number: DE200810051533
Authority: DE
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH; Airbus Operations SAS
Priority date: 2008-10-14
Filing date: 2008-10-14
Publication date: 2010-04-15

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Bauteil-Halbzeugs zur Verwendung für die Herstellung eines dreidimensionalen Bauteils, auf dessen Oberfläche zumindest eine Heizschicht angeordnet ist, aufweisend die Schritte: . in einem Roving-Definitionsschritt (S5) ausgehend von einer für jede vorgesehene Heizschicht zu erzielende flächenspezifische Heizleistung (S2, S3, S4) Festlegung der Anordnung und des Verlaufs von zumindest einem Bündel oder einem Band von Rovingen zur Bildung der jeweiligen Heizschicht (Schritt S2), . gemäß der Anordnung und des Verlaufs des zumindest einen Bündels oder Bands von Rovingen nach dem Roving-Definitionsschritt (S5) Aufbringen von elektrisch leitenden Rovingen schrittweise nebeneinander auf ein flach eingespanntes aus einem elektrisch isolierenden Material gebildeten Trägerteil-Halbzeug und gruppenweises Befestigen der Rovinge (S6b) durch ein Stick- oder Nähverfahren auf dem Trägerteil-Halbzeug (S6), . Durchführen eines Binderprozesses zur Stabilisierung des Halbzeugs mit dem Rovingen oder des zumindest einen Bündels oder Bands von Rovingen; sowie Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit einer Anordnung von zumindest einer Heizschicht basierend auf einem derartigen Bauteil-Halbzeug.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteil-Halbzeuges mit einer Heizvorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit einer Heizvorrichtung. Das Bauteil-Halbzeug ist insbesondere zur Herstellung von Faserverbundwerkstoff (FVW)- oder Faserverbundkunststoff(FVK)-Bauteilen für Luftfahrtbauteile vorgesehen.
Aus der US 5824996 ist ein elektrisch leitendes textiles Heizelement bekannt, das aus Bändern, die aus nicht-metallischen Garnen gewebt sind, hergestellt ist. Dabei werden die Bänder in ihrer Längsrichtung auf ein Trägeteil abgelegt.
Aus der US 2006/0278631 A1 ist bekannt zur Herstellung eines elektrisch leitenden textilen Heizelements ein bandförmige Gewebe oder ungewebte Materialstrukturen zu verwenden, die in einer zuvor vorbereiteten Form auf ein Trägerteil aufgeklebt werden.
Die DE 101 51 298 A1 beschreibt eine Heizfolie auf einem Trägermaterial, in das Widerstandsdrähte entlang Vorzugsrichtungen integriert sind.
Weiterhin ist aus dem allgemeinen Stand der Technik ein Verfahren zur Herstellung eines Heizkörpers bekannt, bei dem auf ein Trägermaterial eine elektrisch-leitende Kohlefaser-Schicht aufgedampft wird.
Aufgabe der Erfindung ist, ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteil-Halbzeuges und ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit einer Heizvorrichtung zum Beheizen einer Bauteils-Oberfläche bereitzustellen, das für den jeweiligen Anwendungsfall optimiert werden kann, um eine effektive Erwärmung von Bauteil-Oberflächen zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere Ausführungsformen sind in den auf diese rückbezogenen Unteransprüchen angegeben.
Die erfindungsgemäß verwendete Faserverbund-Heizschicht ist aus elektrisch leitenden Materialien gebildet, die beim Anschließen einer elektrischen Versorgung als Ohmscher Widerstand wirken und dadurch Wärme erzeugen.
Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteil-Halbzeugs zur Verwendung für die Herstellung eines dreidimensionalen Bauteils, auf dessen Oberfläche zumindest eine Heizschicht angeordnet ist, aufweisend die Schritte:

• in einem Roving-Definitionsschritt ausgehend von einer für jede vorgesehene Heizschicht zu erzielende flächenspezifische Heizleistung Festlegung der Anordnung und des Verlaufs von zumindest einem Bündel oder zumindest einem Verbund oder zumindest einem Band von Rovingen zur Bildung der jeweiligen Heizschicht,
• gemäß der Anordnung und des Verlaufs des zumindest einen Bündels oder Bands von Rovingen nach dem Roving-Definitionsschritt Aufbringen von elektrisch leitenden Rovingen schrittweise nebeneinander auf ein flach eingespanntes aus einem elektrisch isolierenden Material gebildeten Trägerteil-Halbzeug und Befestigen der Rovinge auf dem Trägerteil-Halbzeug,
• Durchführen eines Binderprozesses zur Stabilisierung des Halbzeugs mit den Rovingen oder dem zumindest einen Bündel oder dem zumindest einen Verbund oder dem zumindest einen Band von Rovingen.

Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Rovinge durch ein durch ein Näh- oder Stickverfahren auf dem Trägerteil-Halbzeug befestigt werden.
Das Befestigen der Rovinge durch ein Stickverfahren auf dem Trägerteil-Halbzeug kann dabei insbesondere einzeln oder auch gruppenweise erfolgen. D. h. es kann vorgesehen sein, dass jeder Roving einzeln durch ein Stickverfahren auf dem Trägerteil-Halbzeug befestigt wird und/oder dass mehren Rovinge zusammen durch ein Stickverfahren auf dem Trägerteil-Halbzeug befestigt werden. Bei der gruppenweisen Befestigung der Rovinge ist insbesondere vorgesehen, dass Guppen von bis zu drei Rovingen zusammen befestigt werden, bevor anschließend ein oder mehrere Rovinge aufgelegt und befestigt wird bzw. werden. Bei der einzelnen Befestigung der Rovinge auf dem Trägerteil-Halbzeug kann zusätzlich vorgesehen sein, dass Gruppen von Rovingen durch ein Stickverfahren auf dem Trägerteil-Halbzeug befestigt werden.
Durch das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren mit einem Befestigen der Rovinge durch ein Stickverfahren auf dem Trägerteil-Halbzeug ist insbesondere möglich, dass die Rovinge über die Fläche des Trägerteil-Halbzeugs derart verteilt werden, dass jeder Roving in der Dickenrichtung des Trägerteil-Halbzeugs oder der zu bildenden Heizschicht gesehen auf derselben Ablageebene verläuft. Es werden also dabei keine Überlagerungen der einzelnen Rovinge oder Überlagerungen von Abschnitten desselben Rovings in der genannten Dickenrichtung zugelassen. Die Befestigung der Rovinge auf dem Trägerteil kann schrittweise für jeden einzelnen Roving erfolgen, so dass nach dem Feststicken eines Rovings auf dem Trägerteil der nächste Roving auf das Trägerteil aufgelegt wird.
Dieses Verfahren kann im einzelnen Anwendungsfall aufwendig sein, jedoch hat die sich aus diesem ergebende Anordnung von Rovingen auf dem Trägerteil-Halbzeug den Vorteil, dass z. B. die Anordnung, der Verlauf, die Dicke, die Beschaffenheit und/oder die Anzahl der Rovinge nach vorgebbaren Optimierungskriterien optimierbar ist oder sind. Weiterhin ist die Heizschicht für zeitlich veränderliche Heizströme mit phasenweise hohen Spitzen möglich, da die in der erfindungsgemäßen Heizschicht lokal auftretenden Temperaturen kontrollierbar und insbesondere regelbar sind. Die Kombination der Optimierbarkeit der Roving-Struktur auf dem Trägerteilhalbzeug bzw. an der Heizschicht mit der Kontrollierbarkeit oder Regelbarkeit der in der Heizschicht auftretenden Temperaturen macht einen besonders effektiven Einsatz in bestimmten Anwendungsfällen möglich, in denen mit möglichst einfach gebauten und leichten Strukturen und Materialien kurzzeitig hohe Heizleistungen möglich sind. Ein bevorzugter Anwendungsfall sind demgemäß Bauteile von Flugzeugen insbesondere von Oberflächen von der Umgebungsluft umströmten aerodynamischen Körpern. Die erfindungsgemäße Lösung erlaubt eine sichere und zeitlich beständige Integration einer Heizschicht in eine Bauteil und insbesondere ein Schalenteil eines aerodynamischen Körpers eines Flugzeugs. Weiterhin sind die Effekte einer Erhitzung der erfindungsgemäß hergestellten Heizschicht auf das Bauteil, auf das die Heizschicht angeordnet ist, auf sehr einfache Weise kontrollierbar.
Nach einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Auflegen und Befestigen der Rovinge auf das Trägerteil-Halbzeug derart erfolgt, dass die Rovinge ein Band aus einer Lage von nebeneinander liegenden Rovingen bilden. Dabei können die Rovinge derart aufgelegt werden, dass diese parallel zueinander und abschnittsweise serpentinenförmig verlaufen.
Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass nach dem Befestigen der Rovinge auf dem Trägerteil dieses mit den darauf befestigten Rovingen auf ein Werkzeug mit einer dreidimensionalen Auflageflächen-Kontur aufgelegt wird.
Bei einer Weiterführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass in dem Heizschicht-Definitionsschritt ausgehend von einer Definition von zumindest einer Heizschicht auf dem herzustellenden Bauteil die für jede vorgesehene Heizschicht zu erzielende flächenspezifische Heizleistung bei einer vorgegebenen Spannung ermittelt wird.
Alternativ oder zusätzlich kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen sein, dass nach dem Heizschicht-Definitionsschritt in einem Roving-Definitionsschritt für eine flächenspezifische Heizleistung die Anzahl der Rovinge für die jeweilige Heizschicht minimiert wird.
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass nach dem Heizschicht-Definitionsschritt in einem Roving-Definitionsschritt für eine flächenspezifische Heizleistung die Anzahl der Bündel oder Bändern von Rovingen für die jeweilige Heizschicht minimiert wird.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren kann auch vorgesehen sein, dass vor dem Auflegen der Trägerteil-Halbzeugs auf ein Werkzeug mit einer dreidimensionalen Auflageflächen-Kontur eine Kontaktierung von Endabschnitten der Rovinge oder des zumindest einen Bündels oder Bands von Rovingen durch Verbindung eines metallischen Kontaktkörpers mit den Endabschnitten der Rovinge oder des zumindest einen Bündels oder Bands von Rovingen mittels elektrisch leitfähigen Klebstoffs. Der Klebstoff kann insbesondere ein Metall enthaltender Klebstoff sein.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können die Rovinge oder die Bündel von Rovingen oder das zumindest eine Band von Rovingen aus elektrisch leitenden metallischen und nichtmetallischen Fasern gebildet sein.
Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass zwischen elektrisch leitenden Rovinge oder des zumindest einen Bündels oder Verbunds oder Bands von Rovingen Rovinge aus Glas abgelegt werden, um elektrisch leitende Rovinge voneinander elektrisch zu isolieren.
Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass zwischen elektrisch leitenden Rovingen oder des zumindest einen Bündels oder Verbunds oder Bands von Rovingen ein Glasgewebe abgelegt wird, um zwei Schichten von Rovings voneinander elektrisch zu isolieren.
Erfindungsgemäß ist weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit einer Anordnung von zumindest einer Heizschicht vorgesehen, bei dem die Herstellung eines Bauteil-Halbzeugs nach einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Herstellung eines Bauteil-Halbzeugs zur Verwendung für die Herstellung eines dreidimensionalen Bauteils erfolgt. Dabei ist vorgesehen, dass das Bauteil-Halbzeug mittels eines Harzinfusions- oder Harzinjektions-Verfahrens gehärtet wird.
Dabei kann weiterhin vorgesehen sein, dass das gehärtete Bauteil spanend nachbearbeitet wird. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass ein Anschliessen einer Energieversorgungs-Vorrichtung und eine Funktionsprüfung der Heizschicht-Anordnung mittels eines Thermographie-Verfahrens vorgenommen werden.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der beigefügten Figuren beschrieben, die zeigen:
1 ein Flussdiagramm mit erfindungsgemäßen Verfahrensschritten dargestellt ist, wobei einige der dargestellten Verfahrensschritte als optional anzusehen sind,
2 eine ebene Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer Heizschicht-Anordnung, die nach der erfindungsgemäßen Verfahren gebildet sein kann und zur Anordnung auf einem Bauteil vorgesehen ist,
3 eine perspektivische Darstellung eines herzustellenden Bauteils in Gestalt eines Vorflügels mit einer Oberfläche, auf der zwei Heizschicht-Anordnungen nach jeweils einem Ausführungsbeispiel der Erfindung angeordnet sind,
4 eine ebene Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Heizschicht-Anordnung, die nach der erfindungsgemäßen Verfahren gebildet sein kann und zur Anordnung auf einem Bauteil vorgesehen ist, mit der in der 3 dargestellten Heizschicht-Anordnung
5 ein Ablagemuster von Rovingen zur Bildung einer Heizschicht, die geradlinig und parallel nebeneinander angeordnet sind,
6 eine Anordnung von Rovingen zur Bildung einer Heizschicht, bei der die Rovinge wellenförmig verlaufen und parallel nebeneinander angeordnet sind,
7 zwei elektrisch miteinander gekoppelte Heizschichten, von denen jede aus einem mäanderförmig gestalteten Band aus Rovingen nach der 7 gestaltet ist.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit einer Heizschicht oder zur Herstellung eines Heizkörper-Halbzeuges zur Herstellung eines solchen Bauteils ist vorgesehen, auf einem Trägerteil-Halbzeug mit einem elektrisch nicht leitfähigen Trägermaterial eine oder mehrere Lagen von Kohlenstoff-Rovingen in Form von einer oder mehreren Lagen von Bündeln oder Bändern von Rovingen und/oder von metallischen Leitern in einem vorbestimmten Ablagemuster aufzulegen und an diesem mit einem Stickverfahren zu befestigen.
Bei dem bestimmungsgemäßen Einsatz des Bauteils mit einer Heizschicht werden die Rovinge an eine Stromversorgungs-Vorrichtung angeschlossen und bei Anlegen einer entsprechenden Spannung als Ohmscher Leiter verwendet, so dass diese entsprechend ihres spezifischen Widerstands und der angelegten Spannung eine vorbestimmte Wärmeleistung abgeben, um das Bauteil und/oder die Umgeben des Bauteils in vorbestimmter Weise zu erwärmen.
Unter ”Roving” wird in diesem Zusammenhang ein Bündel aus endlosen Kohlenstoff-Filamenten oder elektrisch leitenden Kabeln verstanden, die in dem Roving unverdreht und/oder gestreckt sein können. Die Kabel können dabei insbesondere aus mittels Glasfasern ummantelten elektrischen wie z. B. metallischen Leitern gebildet sein. Die elektrisch leitenden Einzelfilamente können aus Kohlenstoff-Filamenten und/oder Kohlenstoff-Fasern und/oder metallischen Legierungen und/oder aus Glasfasern mit z. B. metallischer Beschichtung gebildet sein. Auch können die Rovings insbesondere ausschließlich aus Fasern und insbesondere Kohlenstofffasern gebildet sein. Die Rovinge können mit oder ohne Matrix-Material versehen sein. Dabei können für die erfindungsgemäß verwendeten Rovings Materialien in Form von Endlos-Rovingen, Endlos-Garnen, Endlos-Zwirnen, Endlos-Schnüren, Endlos-Gewirke, Endlos-Webware, Endlos-Kordeln oder Endlos-Maschenware verwendet werden. Solche Endlos-Rovinge können zur Verwendung beim erfindungsgemäßen Verfahren auf Spulen oder Trommeln aufgewickelt sein, um Rovinge zur Anwendung für das erfindungsgemäße Verfahren in geeigneten Längenabschnitten von diesen zu entnehmen.
In weiteren Ausführungsbeispielen der Erfindung kann ein „Roving” nach der Erfindung auch aus mehreren Rovingen gebildet sein, die in diesen Fällen Unter-Rovinge sind. Insbesondere können dabei die Unter-Rovinge miteinander verflochten oder verdrillt sein. Eine derartige Kombination aus einer Mehrzahl von Unter-Rovingen, die nicht in einer ebenen Lage verlaufen müssen, wird in diesem Zusammenhang als „Bündel von Rovingen” verstanden.
Die auf dem Trägerteil-Halbzeug abgelegten Rovinge können sich auch abschnittsweise überlappen, d. h. dass Längsabschnitte der Rovinge in der Dickenrichtung der Heizschicht gesehen übereinander gelegen sein können. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung jedoch sind die Rovinge derart angeordnet, dass die Rovinge an keinem ihrer Längsabschnitte in der Dickenrichtung der Heizschicht gesehen übereinander gelegen sind.
Zur Bildung der Heizschicht Rovinge können als einzelne Rovinge oder als zumindest ein Verbund oder als zumindest ein Band von Rovingen abgelegt sein. Unter „Band von Rovingen” wird in diesem Zusammenhang eine Anordnung von in ihrer Längsrichtung nebeneinander verlaufenden Rovingen verstanden, die somit an keinem ihrer Längsabschnitte in der Dickenrichtung der Heizschicht gesehen übereinander gelegen sind. Unter „Verbund von Rovingen” wird in diesem Zusammenhang eine Anordnung von in ihrer Längsrichtung nebeneinander oder auch übereinander verlaufenden Rovingen verstanden, die somit an zumindest einem ihrer Längsabschnitte in der Dickenrichtung der Heizschicht gesehen übereinander gelegen sind.
Das Trägerteil-Halbzeug ist als ein flächiges oder mattenförmiges Gebilde geformt und hat die Funktion, die auf diese aufzubringenden Rovinge elektrisch gegenüber dem Bauteil zu isolieren, auf dem die Heizschicht anzuordnen ist. Das Trägerteil-Halbzeug kann insbesondere aus einem textilen Halbzeug und insbesondere einem Gewebe, wie z. B. einem Multiaxial-Gelege oder einem Kunststoff in Form einer Folie oder Kombinationen davon gebildet sein. Die Oberfläche des Bauteils, auf dem die Heizschicht anzuordnen ist, kann insbesondere eine Oberfläche eines Schalenbauteils sein. Dabei werden die Rovinge über die Fläche des Trägerteil-Halbzeugs verteilt, wobei jeder Roving in der Dickenrichtung des Trägerteil-Halbzeugs oder der zu bildenden Heizschicht gesehen auf derselben Ablageebene verläuft. Es werden also dabei keine Überlagerungen der einzelnen Rovinge oder Überlagerungen von Abschnitten desselben Rovings in der genannten Dickenrichtung zugelassen. Diese Anordnungsweise hat den Vorteil, dass z. B. die Anordnung, der Verlauf, die Dicke, die Beschaffenheit und/oder die Anzahl der Rovinge nach vorgebbaren Optimierungskriterien optimierbar sind. Weiterhin ist die Heizschicht für zeitlich veränderliche Heizströme mit phasenweise hohen Spitzen möglich, da die in der erfindungsgemäßen Heizschicht auftretenden Temperaturen kontrollierbar und insbesondere regelbar ist.
Die jeweiligen Heizschichten können aus einer oder mehreren Lagen von Rovingen oder einer oder mehreren Lagen von zumindest einem Bündel oder Band von Rovingen und/oder von metallischen Leitern in einem vorbestimmten Ablagemuster gebildet sein.
Das Bauteil mit einer Heizschicht weist eine elektrisch isolierende Schicht auf oder ist aus einer solchen gebildet. Demgemäß wird zur Herstellung des Bauteils ein Trägermaterial-Halbzeug und ein elektrisch isolierendes Material verwendet oder ist das Trägermaterial-Halbzeug aus einem elektrisch isolierenden Material gebildet. Das elektrisch isolierende Material kann insbesondere aus Glas, Aramid oder Kunststoffen gebildet sein.
Das Trägerteil-Halbzeug kann aus einem textilen Halbzeug insbesondere in Form eines Gewebe oder eines Multiaxial-Geleges oder einem sich flächig erstreckenden Kunststoff in Form einer Folie gebildet sein.
Das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Bauteil auf der Basis eines entsprechenden Bauteil-Halbzeug kann insbesondere eine FVW- und/oder ein FVK-Bauteil sein. Das Bauteil kann generell eine oder mehrere Heizschichten aufweisen. Bei dem Vorsehen von mehreren Heizschichten können diese von einer Energieversorgungs-Vorrichtung unterschiedlich angesteuert und somit bestromt werden. Auch kann vorgesehen sein, dass jede der Heizschichten von ein und derselben Energieversorgungs-Vorrichtung angesteuert wird.
Ein Ausführungsbeispiel einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Heizschicht 11 ist in der 2 dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel sind sechs Rovinge R nebeneinander auf dem Trägermaterial abgelegt und mit diesem strukturell integriert. Die Rovinge R liegen entlang ihrer gesamten Längserstreckung nebeneinander, d. h. es liegt kein Längsabschnitt eines Rovings R in der Dickenrichtung der Heizschicht gesehen oberhalb oder unterhalb eines Längsabschnitts eines anderen Rovings R desselben Bands B von Rovingen. Die Rovinge R verlaufen parallel zueinander und mäanderförmig in der Heizschicht 11. In diesem mäanderförmigen Ablagemuster, in dem das Band B von Rovingen R in der Ausführungsform nach der 2 angeordnet ist, bilden sich parallel zueinander verlaufende Längsabschnitte 11a, 11b, 11c, 11d, 11e des Bandes B von Rovingen R ausbilden. Das Band B von Rovingen R ist an seinen Enden mit einem Anschlussstück A11-1 bzw. A11-2 verbunden, das jeweils wiederum mit einer Leitung L11-1 bzw. L11-2 an eine Strom- oder Spannungsversorgung E angeschlossen ist. Somit kann die Heizschicht 11 durch die Energieversorgungs-Vorrichtung E bestromt werden, so dass die Heizschicht 11 entsprechend dieser Bestromung Wärme an das Bauteil und an dessen Umgebung abgeben kann.
Das erfindungsgemäß hergestellte Bauteil eignet sich insbesondere für die Anwendung und Integration in Flugzeug-Bauteile oder Flugzeug-Strukturen. In der 3 ist als Beispiel eines solchen Anwendungsfalls ein solches Bauteil 1 in Form einer Vorderkantenklappe dargestellt. Auf einer Oberfläche 3 des Bauteils 1 oder eines Basiskörpers 4, das im gezeigten Ausführungsbeispiel ein Schalenteil 4 der Vorderkantenklappe 1 ist, sind zwei Heizschicht-Anordnungen H1, H2 mit jeweils einer Basis-Heizschicht 10 und einer Mehrzahl von innerhalb der Basis-Heizschicht 10 angeordneten inneren Heizvorrichtungen oder Zusatz-Heizschichten 11, 12 integriert. Die Basis-Heizschicht 10 und die zumindest eine Zusatz-Heizschicht 11 sind als elektrothermische Heizschichten gestaltet, so dass diese zumindest teilweise elektrisch leitend ausgebildet und bei einer entsprechenden Bestromung Wärme erzeugen. Um die Basis-Heizschicht 10 und die zumindest eine Zusatz-Heizschicht 11 bei einer Anordnung auf einem zu beheizenden Strukturbauteil elektrisch gegenüber dem Strukturbauteil zu isolieren, ist zwischen der Basis-Heizschicht 10 und der zumindest einen Zusatz-Heizschicht 11, 12 eine elektrisch isolierende Isolations- oder Trennvorrichtung 20 angeordnet. Weiterhin sind Isolations- oder Trennvorrichtungen 20, 21, 22 zwischen benachbarten Abschnitten eines Bandes B von Rovingen R innerhalb einer Basis-Heizschicht 10 oder eine Zusatz-Heizschicht 11, 12 vorgesehen (4). Die Isolations- oder Trennvorrichtungen 20, 21, 22 können auch Teil des Strukturbauteils sein, auf dem die Basis-Heizschicht 10 und die Zusatz-Heizschichten 11, 12 angeordnet ist, selbst sein oder separate Teile sein. Die Isolations- oder Trennvorrichtungen können aus Glas gebildet sein. Weiterhin sind sämtliche Heizschichten 10, 11, 12 auf einer Isolationsschicht angeordnet, so dass der in den Heizschichten fließende Heizstrom gegenüber dem Teil des Bauteils 1 isoliert, auf dem die Heizschichten 10, 11, 12 angeordnet sind.
Die Zusatz-Heizschichten 11, 12 sind nach dem in der 2 dargestellten Ausführungsbeispiel gebildet, wobei diese aus Rovingen R gebildet sind, die in einer Lage ein mäanderförmig verlaufendes Band B bilden. Auch die Basis-Heizschicht 10 ist jeweils aus einer Lage von ein mäanderförmig verlaufendes Bandes B bildenden Rovingen R gebildet. Die Basis-Heizschicht 10, die Zusatz-Heizschichten 11, 12 sind auf dem Basiskörper 9 mit einer elektrisch isolierenden Schicht angeordnet, so dass die Heizschichten 10, 11, 12 in der Dickenrichtung der jeweiligen Heizschicht gesehen oberhalb der isolierenden Schicht gelegen sind.
Eine der beiden auf der Oberfläche 3 des Bauteils 4 angeordneten Heizschicht-Anordnungen H1, H2, die Heizschicht-Anordnung H1, ist im Detail in der 4 als eine ebene Darstellung derselben dargestellt. In der Ausführungsform der Kombination aus jeweils einer Basis-Heizschicht 10 und zwei Zusatz-Heizschichten 11, 12, die in der 4 gezeigt ist, sind die äußere Heizvorrichtung 10 und die zwei Zusatz-Heizschichten 11, 12 rechteckförmig gebildet. Generell können diese Heizvorrichtungen auch eine andere Form haben und z. B. rund oder elliptisch geformt sein. Die Heizschichten 10, 11, 12 sind jeweils an eine Energieversorgungs-Vorrichtung E10, E11 bzw. E12 angeschlossen und bilden jeweils ein Heizsystem S, S10, S11 bzw. S12.
Im Einzelnen ist die Basis-Heizschicht 10 über elektrische Anschlussvorrichtungen A10-1, A10-2 an die Energieversorgungs-Vorrichtung E10 angeschlossen, wobei die elektrischen Anschlussvorrichtungen A10-1, A10-2 die Rovinge R an den Enden des Bandes B elektrisch verbinden. Mittels Leitungen werden die Anschlussvorrichtungen A10-1, A10-2 mit der Energieversorgungsvorrichtung E10 verbunden. In analoger Weise sind auch die Rovinge R an den Enden des Bandes B der zwei Zusatz-Heizschichten 11, 12 mittels jeweils einer elektrischen Anschlussvorrichtung A11-1, A11-2 bzw. Al2-1, Al2-2 verbunden, die jeweils über elektrische Leitungen an die jeweils zugeordneten Energieversorgungs-Vorrichtung E11, E12 angeschlossen sind.
Mittels der Energieversorgungs-Vorrichtungen E10, E11, E12 kann an jedes der Heizsysteme S10, S11, S12 unabhängig voneinander eine Lastspannung angelegt werden, die in jeder jeweils zugehörigen Heizschicht 10, 11 bzw. 12 einen elektrischen Heizstrom mit unterschiedlichen und voneinander unabhängigen Stromstärken bewirken. Das aus den Heizsystemen S10, S11, S12 gebildete Gesamt-Heizsystem S kann somit die Oberfläche 3 des Bauteils 1 hinsichtlich der Heizleistung und auch in zeitlicher Hinsicht bereichsweise unterschiedlich angesteuert werden. Dabei können die Energieversorgungs-Vorrichtungen E10, E11, E12 insbesondere derart ausgeführt sein, dass an die Zusatz-Heizschichten 11, 12 relativ kurzzeitig und relativ hohe Lastspannungen angelegt und an die Basis-Heizschicht 10 über relativ langen Zeitspannen und relativ geringe Lastspannungen angelegt werden. Mit einer solchen System-Auslegung kann erreicht werden, das relativ große Flächen auf energetisch effiziente Weise mit relativ großem Heizeffekt beheizt werden können. Ein Anwendungsfall ist dabei insbesondere die Enteisung oder die Verhinderung einer Vereisung von Oberflächen von aerodynamischen Körpern.
Die Basis-Heizschicht 10 und/oder die zumindest eine Zusatz-Heizschicht 11, 12 kann auf der Innenseite oder der Außenseite des zu beheizenden Strukturbauteils 1 oder eines Schalenteils 4 des zu beheizenden Strukturbauteils angeordnet sein. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Basis-Heizschicht 10 auf der Außenseite eines Strukturbauteils oder Schalenteils angeordnet ist und zumindest eine Zusatz-Heizschicht 11, 12 auf der Innenseite des Schalenteils angeordnet ist, und umgekehrt.
Erfindungsgemäß wird zur Herstellung des Bauteil-Halbzeuges oder des Bauteils nach einer Definition technischer Vorgaben (Schritt 1) in einem Schritt S2 zur Auslegung der Anordnung der Heizschichten in einem Heizschicht-Definitionsschritt die geometrische Definition und/oder die Gestaltung der auf dem herzustellenden Bauteil vorgesehenen Heizschicht oder der Heizschichten definiert. In einem Ausführungsbeispiel des endungsgemäßen Verfahrens wird dabei von einem herzustellenden Bauteil mit einer vorgegebenen dreidimensionalen Form ausgegangen. An diesem wird in Untersuchungen (Schritt S3) und sowie mit elektrischen Berechungen und/oder in Simulationen, analytischen Untersuchungen und/oder Tests an einem Modell des herzustellenden Bauteils ermittelt, welche Heizleistung durch eine oder mehrere Heizschichten an dem herzustellenden Bauteil erreicht werden soll. Hierzu können insbesondere anforderungsgemäße Einsatzbedingungen simuliert werden. Als Ergebnis dieser Untersuchungen kann eine oder können mehrere der folgenden Kriterien stehen:

• die Anzahl und die Anordnung von zumindest einer auf dem herzustellenden Bauteil vorzusehenden Heizschichten, wobei zur Anordnung der zumindest einen Heizschicht die Lage der jeweiligen Heizschicht auf dem Bauteil bezeichnet;
• die Größe der jeweiligen Heizschicht; sowie
• die für jede vorgesehene Heizschicht zu erzielende flächenspezifische Heizleistung bei einer vorgegebenen und der Heizschicht bereitgestellten Spannung, wobei die Spannung zeitlich konstant oder zeitveränderlich sein kann.

Das Ergebnis des Heizschicht-Definitionsschritts und dabei insbesondere die ermittelte zu erzielende flächenspezifische Heizleistung kann in einem Iterationsverfahren zu einer Anpassung der Gestaltung der auf dem herzustellenden Bauteil vorgesehenen Heizschicht oder der Heizschichten führen, d. h. zur Anpassung Anzahl und die Anordnung von zumindest einer auf dem herzustellenden Bauteil vorzusehenden Heizschichten und/oder der Größe der jeweiligen Heizschicht (Schritt S4).
Bei diesen Untersuchungen kann vorgesehen sein, dass auch das Material des Trägerteils berücksichtigt wird.
In einem Ausführungsbeispiel des Heizschicht-Definitionsschritts kann die Anordnung und insbesondere Lage der Anordnung von zumindest einer Heizschicht und/oder die Größe der jeweiligen Heizschicht vorgeben sein. Solche Vorgaben können sich aus dem jeweiligen Anwendungsfall, der für das jeweils herzustellende Bauteil vorgesehen ist, ergeben. Bei diesem Ausführungsbeispiel des Heizschicht-Definitionsschritts wird aufgrund solcher Vorgaben die für jede vorgesehene Heizschicht bei einer vorgegebenen und der Heizschicht bereitgestellten Spannung zu erzielende flächenspezifische Heizleistung der Heizschichten oder der jeweiligen Heizschicht z. B. in einem Optimierungsverfahren ermittelt.
Auf der Basis der vorgenannten alternativen Definitionen der Heizschichten erfolgt dann die Durchführung eines Roving-Definitionsschritts (Schritt S5), bei dem die Definition der Gestaltung der Rovinge oder des zumindest einen Bündels oder Bands von Rovingen auf der zumindest einen Heizschicht vorgenommen wird. Dies beinhaltet die Festlegung

• der Art der Anordnung der elektrisch leitenden Rovinge oder des zumindest eines Bündels oder des Bands von Rovingen für die jeweilige Heizschicht der zumindest einen Heizschicht und
• der Art und der Anzahl der Rovinge oder des Bündels von Rovingen R für die jeweilige Heizschicht sowie des Bands von Rovingen und dabei auch die Anzahl der Rovinge für das zumindest eine vorgesehene Bündel oder Band von Rovingen, wobei in diesem Fall auch die Eigenschaften des Bündels oder Bands von Rovingen festzulegen sind.

Zu der Art oder den Eigenschaften des Bündels oder Bands von Rovingen gehört oder gehören insbesondere auch die Querschnittsabmessungen und dabei auch die Art der jeweils zu verwendenden Rovings, also insbesondere deren Dicke und/oder des Anteil der in ihnen enthaltenen elektrischen Leitern und/oder der Roving-Feinheit (Texzahl). Mit Hilfe der Orientierung der elektrischen Leiter, d. h. der Rovinge oder der Bündel oder Bänder von Rovingen, im Ablagemuster und des spezifischen elektrischen Widerstands der verwendeten Rovinge oder Bündel oder Bänder von Rovingen sowie durch geeignete elektrische Verschaltung ist der elektrische Gesamtwiderstand variabel einstellbar. Als Vorgabe kann auch festgelegt sein, dass einzelne Heizschichten der herzustellenden Heizstruktur zyklisch oder permanent beheizt werden.
Die Art der Anordnung der Rovinge kann die Festlegung beinhalten, in welcher Weise und in welchem Verlauf die Rovinge als einzelne Rovinge oder in Bündeln oder Bändern von Rovingen in der Heizschicht angeordnet sein sollen. Falls die Rovinge als Bündel oder Bänder von Rovingen in der Heizschicht angeordnet sein sollen, wird weiterhin festgelegt, wieviele Rovinge und welche Art von Rovingen pro Bündel und/oder Band vorzusehen sind. Mit der Art der Rovinge kann insbesondere festgelegt werden: die Dicke und/oder der Anteil oder die Anzahl von Leitungsteilen im Querschnitt des jeweiligen Rovings und/oder die Anzahl von übereinander liegenden Lagen von Rovingen bzw. Bündel oder Bänder von Rovingen. Zur Art der Anordnung kann auch festgelegt werden, ob zwischen den Rovingen und/oder zwischen den Bündeln oder Bändern von Rovingen Abstände vorgesehen sind. In diesen Abständen oder in den sich aus diesen ergebenden Zwischenräumen kann zur Bildung einer Isolationsvorrichtung 20, 21, 22 Isoliermaterial, das z. B. aus Glasfaser-Stränge gebildet sein kann, eingelegt sein, um die Rovinge oder Bündel oder Bändern von Rovingen gegeneinander elektrisch zu isolieren.
Die Art der Anordnung kann insbesondere die Feststellung beinhalten, dass ein Band B aus Rovingen R mäanderförmig abgelegt werden sollen, wie dies in den Ausführungsbeispielen gemäß der 2 und 4 dargestellt ist. Mäanderförmig bezeichnet einen Verlauf von Rovingen R bzw. des Bandes B von Rovingen R, bei denen Längsabschnitte desselben Bandes B bzw. derselben Rovinge R in Bezug auf die Koordinaten zur Beschreibung der flächigen Erstreckung der elektrisch isolierenden Schicht, auf der die Rovinge abgelegt werden, in einander entgegen gesetzten Richtungen verlaufen, so dass zwischen diesen Längsabschnitten Krümmungsabschnitte vorgesehen ist, wobei in Längsrichtung der Rovinge R oder des Bandes B aufeinander folgende Krümmungsabschnitte zueinander entgegen gesetzte Krümmungen haben. Mit anderen Worten: „Mäanderförmig” heißt in diesem Zusammenhang, dass Längsabschnitte ein und desselben Rovings nebeneinander und parallel zueinander abgelegt sind, wobei jeweils nebeneinander liegende Längsabschnitte in der Längserstreckung des Rovings hintereinander liegende Längabschnitte sind, so dass sich ein mäanderförmiger oder serpentinenförmiger Verlauf des Rovings ergibt.
Weiterhin wird in dem Roving-Definitionsschritt das Ablagemuster von Rovingen und oder zumindest eines Bündels oder Bands von Rovingen festgelegt. Durch ein Ablagemuster ist auch eine Streckenlänge für das jeweilige Roving bzw. das jeweilige Bündel oder Band von Rovingen und somit ein spezifischer elektrischer Widerstand derselben gegeben. Beispielartig sind verschiedene Ablagemuster in den 5 bis 7 dargestellt. In dem Beispiel der 5 ist eine Roving-Anordung 30 mit sechs Rovingen 31a, 31b, 31c, 31d, 31e, 31f geradlinig und parallel nebeneinander abgelegt, wobei zwischen den Rovingen, d. h. quer zu deren Längserstreckung jeweils ein Abstand 37 als Isolationsbereich vorgesehen ist. Die Rovinge sind an ihren Enden mit einem diese elektrisch kontaktierenden und verbindenden Verbindungs- oder Anschlussstück 35a bzw. 35b verbunden, das jeweils wiederum mit einer Leitung 36a bzw. 36b an eine Strom- oder Spannungsversorgung (nicht dargestellt) angeschlossen ist. Stattdessen kann auch vorgesehen sein, mehrere Bündel oder Bänder von Rovingen nebeneinander als Bestandteile einer Heizschicht anzuordnen, die dann insbesondere voneinander beabstandet sind. Das Bündel oder Bänder von Rovingen kann in verschiedenen Gestaltungen zur Bildung der Heizschicht abgelegt sein. In der 6 ist eine Anordnung 40 von Bündel oder Bänder 41 von Rovingen als Teil einer Heizschicht dargestellt, die entlang ihrer Längsrichtung sinusförmig und parallel zueinander verlaufen. Weiterhin zeigt die 7 zwei Heizschichten H-A, H-B mit jeweils einer mäanderförmigen Ablage jeweils einer Anordnung 60a, 60b eines Bandes 61 von Rovingen als Bestandteil der jeweiligen Heizschicht. Die Bänder 61 von Rovingen sind elektrisch seriell geschaltet, da jeweils ein Ende 65b, 65c der Bänder 61a, 61b über eine Verbindungsleitung 66 elektrisch miteinander verbunden sind und das jeweils andere Ende 65a, 65d der Bänder 61a, 61b jeweils über eine elektrische Verbindungsleitung 67a, 67b an eine Strom- oder Spannungsversorgung (nicht dargestellt) angeschlossen ist.
Der Roving-Definitionsschritt kann insbesondere einen Optimierungsprozess enthalten, der Computer-gestützt ablaufen kann. Nach einem Ausführungsbeispiel eines solchen Optimierungsprozesses wird als Eingangswerte des Optimierungsprozesses vorgegeben: für den Fall, dass die Rovings zur Bildung der Heizschicht einzeln abgelegt werden sollen, eine Art einer Anordnung oder Ablageform der elektrisch leitenden Rovinge oder, für den Fall, dass Bündel oder Bänder von Rovingen zur Bildung der jeweiligen Heizschicht abgelegt werden sollen, eine Anordnung oder Ablageform zumindest eines Bündels oder Bands von Rovingen.
In der Variante dieses Ausführungsbeispiels, bei der die Heizschicht durch Ablage von einzelnen Rovingen gebildet wird, optimiert der in einem Computer implementierte Optimierungsprozess aus der jeweiligen vorgenannten Vorgabe die Anzahl der Rovinge für die jeweilige Heizschicht. Als Optimierungsziel kann neben der Minimierung der Anzahl der Rovinge insbesondere auch die Flächenabdeckung mit dem elektrisch leitenden Material oder des Bandes B von Rovingen R verwendet werden. In einer Weiterführung kann der Optimierungsprozess derart gestaltet sein, dass dieser zusätzlich die Art der Rovings, die durch die Dicke und/oder den Querschnittsanteil der elektrischen Leiter in den Rovings optimiert und bestimmt.
In der anderen Variante dieses Ausführungsbeispiels, die alternativ oder zusätzlich zu der vorgenannten Variante vorgesehen sein kann, ermittelt der in einem Computer implementierte Optimierungsprozess aus der jeweiligen vorgenannten Vorgabe die Anzahl des Bands B von Rovingen sowie dabei auch die Anzahl der Rovinge für das zumindest eine vorgesehene Band B von Rovingen. In einer Weiterführung kann der Optimierungsprozess derart gestaltet sein, dass dieser zusätzlich auch die Eigenschaften des Bands B von Rovingen optimiert und bestimmt.
Die vorgenannten Ausführungsbeispiele der Optimierungsprozesse können derart gestaltet sein, dass diese aufsetzen auf einem vorgegebenen Ablagemuster oder einer vorgegebenen Ablageform der Rovinge bzw. Bündel oder Bänder von Rovingen zur Bildung einer Heizschicht. In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann vorgesehen sein, dass die Ermittlung des Ablagemusters oder der Ablageform der Rovinge bzw. Bündel oder Bänder von Rovingen im Rahmen und innerhalb der Optimierung erfolgt. Dies kann derart realisiert sein, dass vorgenannte optimale Ergebnisse für vorgegebene Ablagemuster ermittelt werden und diese optimalen Ergebnisse miteinander ermittelt werden. Aus dem Vergleich der optimalen Ergebnisse wird das beste optimale Ergebnis mit einem bestimmten Ablagemuster ausgefüllt.
Diese Optimierung kann für die zweidimensionale Form der Heizschicht durchgeführt werden, die aus dem dreidimensionalen Bauteil z. B. aufgrund einer Abwicklung von dessen Oberfläche erzeugt wird. Alternativ kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Optimierung für die dreidimensionale Heizschicht durchgeführt wird, die der dreidimensionalen Form des Bauteils an dem für die Heizschicht vorgesehenen Bereich desselben entspricht.
Nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Herstellung eines zweidimensionalen Heizstruktur-Halbzeugs aus Rovingen (Schritte S6 und S7) vorgesehen, um daraus ein dreidimensionales Heizstruktur-Halbzeug (Schritte S8 und S11) herzustellen. Dabei kann das Ablegen der elektrisch leitenden Rovinge oder der Bündel von Rovingen R oder der Bänder B von Rovingen R auf die Auftragsoberfläche des Trägerteils oder das Trägermaterial-Halbzeug, das zur Ausbildung des Trägerteils des herzustellenden Bauteils vorgesehen ist, maschinell und insbesondere automatisch oder CNC-gesteuert ablaufen (Schritt S6). Zur Herstellung einer zweidimensionalen Heizstruktur-Halbzeugs wird zumindest ein elektrisch leitender Roving und/oder zumindest ein Bündel von Rovingen und/oder zumindest ein Band von Rovingen (Schritt 6a) auf einer elektrisch isolierenden Schicht eines Trägerteil-Halbzeugs, das flach in eine Maschine eingespannt ist, aufgebracht und an dem Trägerteil-Halbzeug befestigt. Die Befestigung der Rovinge kann insbesondere mittels eines Näh- und/oder Stickverfahrens erfolgen. Das Befestigen der Rovinge durch ein Näh- oder Stickverfahren (Schritt 6b) auf dem Trägerteil-Halbzeug kann insbesondere einzeln oder auch gruppenweise erfolgen. D. h. es kann vorgesehen sein, dass jeder Roving oder jedes Bündel von Rovingen oder jeweils ein Band von Rovingen einzeln durch ein Stickverfahren auf dem Trägerteil-Halbzeug befestigt wird und/oder dass mehrere Rovinge zusammen durch ein Stickverfahren auf dem Trägerteil-Halbzeug befestigt werden. Bei der gruppenweisen Befestigung der Rovinge ist insbesondere vorgesehen, dass insbesondere Gruppen von bis zu drei Rovingen zusammen befestigt werden, bevor anschließend ein oder mehrere Rovinge aufgelegt und befestigt wird bzw. werden. Bei der einzelnen Befestigung der Rovinge auf dem Trägerteil-Halbzeug kann zusätzlich vorgesehen sein, dass Gruppen von Rovingen durch ein Stickverfahren auf dem Trägerteil-Halbzeug befestigt werden.
In einem Ausführungsbeispiel wird zumindest ein Roving-Bündel oder Roving-Bänder oder werden die Roving-Bündel oder Roving-Bänder beim Auflegen der Rovinge und mit dem Befestigen derselben auf dem Trägermaterial nach und nach gebildet. D. h. nach und nach werden in diesem Ausführungsbeispiel die Rovinge nebeneinander auf das Trägermaterial aufgelegt, bis diese auf dem Trägermaterial ein Bündel oder Band von Rovingen bilden. Bei der Befestigung der Rovinge auf dem Trägermaterial kann vorgesehen sein, dass Rovinge einzeln auf dem Trägermaterial und/oder dass mehrere Rovinge als Gruppe oder Bündel von Rovingen zusammen auf dem Trägermaterial befestigt werden. In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann vor dem Auflegen der Rovinge vorgesehen sein, so dass diese in einem oder mehreren Bündeln oder Bändern zusammengefasst und miteinander befestigt werden. Die Befestigung von Rovingen untereinander vor dem Auflegen kann mit Stickverfahren, Nähverfahren und/oder Klebeverfahren erfolgen. Anschließend wird das vorgefertigte Bündel oder Band von Rovingen auf dem Trägermaterial abgelegt und das Bündel oder Band von Rovingen auf dem Trägermaterial befestigt. Insbesondere die Befestigung von Rovingen, eines Bündels oder eines Bands von Rovingen an dem Trägerteil-Halbzeug kann mit Stickverfahren, Nähverfahren und/oder Klebeverfahren erfolgen. Hierbei kann vorgesehen sein zusätzlich zwischen einer Schicht von Rovingen oder zumindest eines Bandes von Rovingen R eine elektrisch isolierende Schicht insbesondere aus einem Glasgewebe vorzusehen, um die Schicht aus elektrisch leitenden Rovingen bzw. Bündel oder Bänder aus Rovingen gegenüber dem Trägerteil des Bauteils elektrisch zu isolieren (Schritt 6c).
Bei dem Auflegen von Rovingen (Schritt 6b oder 6c) kann je nach Anwendungsfall vorgesehen sein, dass Rovinge nebeneinander ohne Überlappung zur Ausbildung eines Bandes von Rovingen auf dem Trägerteil-Bauteil oder der elektrisch isolierenden Schicht abgelegt und auf diesem bzw. dieser befestigt wird. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass sich bei diesem Schritt Rovinge abschnittsweise überlappen, d. h. in Dickenrichtung der Heizschicht gesehen abschnittsweise übereinander liegen.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Schritte 6b und 6c abwechselnd erfolgen, um in der Dickenrichtung der Heizschicht gesehen nacheinander eine Lage aus Rovingen R, eine elektrisch isolierende Schicht und wiederum zumindest eine Kombination aus einer Lage aus Rovingen R und/oder eines Bandes und/oder eines Bündels von Rovingen und einer elektrisch isolierenden Schicht abzulegen. Bei dieser Vorgehensweise kann insbesondere vorgesehen sein, dass die jeweils weitere Lage von Rovingen R auf der jeweils zusätzlich auf eine Lage von Rovingen R aufgelegten elektrisch isolierenden Schicht aufgenäht oder aufgestickt wird.
Die erfindungsgemäß vorgesehene elektrisch isolierende Schicht auf dem Trägerteil des herzustellenden Bauteils bzw. des Bauteil-Halbzeugs kann insbesondere aus Glas, Aramid oder Kunststoffen gebildet sein. Die elektrisch isolierende Schicht kann auf dem Bauteil-Halbzeug oder dem Trägerteil als separate Schicht aufgebracht und z. B. aufgeklebt sein. Wenn die Herstellung des Trägerteils in einem Kunststoff-Herstellungsverfahren erfolgt, kann vorgesehen sein, dass das Trägerteil zusammen mit der elektrisch isolierenden Schicht als einstückiges Bauteil in dem Kunststoff-Herstellungsverfahren hergestellt wird.
Nach dem Ablegen der Schicht von elektrisch leitenden Rovingen R bzw. der Bündel oder des zumindest einen Bandes B aus Rovingen R auf ein Trägerteil kann im Schritt 7 eine Kontaktierung der Endabschnitte der Rovings aus elektrisch leitenden Fasern z. B. durch Verbindung eines metallischen Kontaktkörpers mit den Endabschnitten der Rovings mittels eines elektrisch leitenden und z. B. Metall enthaltenden Klebstoffes erfolgen.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel der Erfindung kann das Ablegen der elektrisch leitenden Rovinge bzw. der Bündel oder Bänder aus Rovingen im Schritt S6 bereits auf einem Trägerteil vorgesehen sein, dessen Oberfläche dreidimensional definierbar ist. Dabei ist die Gestalt des Trägerteils jedoch so vorzusehen, dass dessen Oberfläche eine abwickelbare Gestalt hat. Unter einer abwickelbaren Auftragsoberfläche wird in diesem Zusammenhang insbesondere eine dreidimensionale Oberfläche verstanden, die sich ohne innere Formveränderung, d. h. längentreu in die Ebene transformieren lässt. Umgekehrt wird in diesem Zusammenhang unter einer nicht abwickelbaren Auftrags-Oberfläche eine Gestalt der Auftrags-Oberfläche verstanden, die in zwei Dimensionen gekrümmt ist. In diesem Fall kann die Auftragsoberfläche zumindest bereichsweise z. B. eine Kugelform, eine ellipsoide Form oder die Form einer Sattelfläche haben. Nach dem hier beschriebenen Ablegen der Schicht von elektrisch leitenden Rovings erfolgt wiederum eine Kontaktierung von Endabschnitten der Rovings gemäß Schritt S7.
In dem erfindungsgemäßen Schritt S7 der Kontaktierung der Kohlenstoff-Fasern der abgelegten elektrisch leitenden Materials erfolgt eine Verbindung eines metallischen Kontaktkörpers mit den Endabschnitten der elektrisch leitenden Rovingsen, die an der Randseite oder dem Randquerschnitt enden und Endflächen haben. Vorzugsweise sind die Rovings derart auf das Trägerteil aufgelegt, dass sich deren Enden zu ihrer Kontaktierung über das Trägerteil hinaus erstrecken. Hierbei wird ein stromleitender und insbesondere metallischer Kontaktkörper mit den mit Endabschnitten der elektrisch leitenden Rovings elektrisch verbunden. Der Kontaktkörper kann insbesondere plattenförmig oder folienförmig gebildet sein, so dass verhindert wird, das bei der Einspeisung von Strom in die elektrisch leitenden Rovings lokal zu große elektrische Übergangswiderstände und die damit verbundenen lokal hohen Ströme auftreten. Der Kontaktkörper kann insbesondere eine Kupferfolie sein. Die Verbindung des Kontaktkörpers mit den elektrisch leitenden Rovings kann durch einen Metall enthaltenden Klebstoff erfolgen. Dabei kann das im Klebstoff enthaltene Metall aus Metall-Partikel bestehen. Der Trägerstoff des Klebstoffs kann insbesondere aus einem elektrisch leitenden Polymer gebildet sein.
Wenn die Kontaktierungsstellen bei dem Auslegungsverfahren (Schritte 1 und 2) vorgegeben oder berechnet worden ist, sind diese entsprechend dieser Vorgabe bzw. Berechnung vorzusehen.
Das Komplettieren oder Stabilisieren der Heizstruktur mit elektrisch nichtleitenden Materialien zur elektrischen Isolierung der Kohlenstofffaserheizstruktur erfolgt insbesondere unter Verwendung von Bindermaterial. Dabei ist vor der Durchführung eines Harz-Infusionsverfahrens oder Harz-Injektionsverfahrens ein Binderprozess zur Fixierung von zumindest einer Lage von elektrisch leitenden Rovings bzw. der Bündel oder Bänder aus Rovingen und einer Lage elektrisch nichtleitenden Materials vorgesehen.
Weiterhin ist vorgesehen, dass auf die auf das Trägerteil aufgelegte Schicht aus elektrisch leitenden Rovings bzw. der Bündel oder Bänder aus Rovingen eine Isolationsschicht zur elektrischen Isolation der Schicht aus elektrisch leitenden Rovings aufgelegt wird.
Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel ist zusätzlich vorgesehen, auf das Gebinde aus mindestens einer Lage von elektrisch leitenden Rovings, dem Bindermaterial und der Isolationsschicht ein Blitzschutz-Material aufzulegen. Das Blitzschutz-Material kann insbesondere eine gestanzte Folie, Gewebe, Geflecht oder Gitterstruktur aus elektrisch leitendem metallischen und/oder nicht-metallischen Material bestehen.
Das Gebinde aus zumindest einen Lage aus elektrisch leitenden Rovings, dem Bindermaterial und der Isolationsschicht sowie gegebenenfalls dem Blitzschutz-Material ist insbesondere derart vorgesehen, dass dieses Gebinde eine in sich ausreichend stabile Konfiguration bildet, so dass diese stabile Konfiguration dem Drapierwerkzeug entnommen werden kann und in einen zweiten nachgeschalteten Prozess auf einem beheizbaren Formwerkzeug und/oder auf einem nichtbeheizbaren Formwerkzeug in einem Ofen gebracht oder einem Ofen zugeführt werden kann, in dem der Binderprozess durchgeführt werden kann. Dadurch wird vor der Durchführung eines Harz-Infusionsverfahrens oder Harz-Injektionsverfahrens ein Binderprozess zur Fixierung von zumindest einer Lage von elektrisch leitenden Rovings durchgeführt.
Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass mehrere separate Heizstrukturen bestehend aus elektrisch leitenden Rovings, die als separat ansteuerbarer elektrischer Widerstand auf das Trägerteil abgelegt werden. Dieses kann sowohl beim einstufigen als auch beim zweistufigen Auflegen der zumindest einen Lage aus elektrisch leitenden Rovings vorgesehen sein. Dabei wird zwischen jeweils zwei Lagen aus elektrisch leitenden Rovings zumindest eine Isolationsschicht aufgelegt.
Nach einem Ausführungsbeispiel zur Herstellung eines Heizkörper-Halbzeugs aus mehreren Lagen und/oder separaten Heizstrukturen aus elektrisch leitenden Rovings wird also auf ein Trägerteil, das sich auf einem ersten Werkzeug befindet, eine Lage aus elektrisch leitenden Rovingen R aufgelegt und diese nach einer beschriebenen Weise kontaktiert. Anschließend wird diese Lage von elektrisch leitenden Rovingen R auf einem zweiten Werkzeug aufgelegt, das eine Oberfläche aufweist, die sich von der Oberfläche des ersten Werkzeugs unterscheidet und insbesondere eine Gestalt hat, die dreidimensional zu definieren ist. Auf die auf dem zweiten Werkzeug aufgelegte Lage aus elektrisch leitenden Rovingen R wird dann eine Isolationsschicht aufgelegt. Diese Schritte können nach diesem Ausführungsbeispiel einmal oder mehrfach wiederholt werden, so dass dann mehrere Lagen aus elektrisch leitenden Rovingen R, jeweils von einer Isolationsschicht getrennt, auf dem zweiten Werkzeug liegen. Optional wird anschließend bei diesem Ausführungsbeispiel das Bindermaterial und optional das Blitzschutz-Material aufgebracht. Bei der Verwendung von Bindermaterial erfolgen dann gegebenenfalls der Binderprozess und die Durchführung eines Harz-Infusionsverfahrens oder Harz-Injektionsverfahrens.
Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel zur Herstellung eines Heizkörper-Halbzeugs aus mehreren Lagen von elektrisch leitenden Rovings bzw. Bündeln oder Bändern von Rovingen wird also auf ein auf einem ersten Werkzeug befindlichen Trägerteil zunächst eine erste Lage aus elektrisch leitenden Rovingen bzw. Bündel oder Bänder von Rovingen aufgelegt und diese nach einer beschriebenen Weise kontaktiert. Auf die auf dem zweiten Werkzeug aufgelegte Lage aus elektrisch leitenden Rovings wird dann eine Isolationsschicht aufgelegt. Diese Schritte können nach diesem Ausführungsbeispiel einmal oder mehrfach wiederholt werden, so dass dann mehrere Lagen aus elektrisch leitenden Rovings, jeweils von einer Isolationsschicht getrennt, auf dem zweiten Werkzeug liegen.
Das Halbzeug aus auf einem Trägerteil-Halbzeug mit einer elektrisch isolierenden Schicht, auf der die Rovinge bzw. Bündel oder Bänder von Rovingen aufgebracht sind, wird anschließend auf ein Werkzeug mit einer dreidimensionalen Auflageflächen-Kontur aufgelegt (Schritt S8). Das Werkzeug mit der dreidimensionalen Auflageflächen-Kontur Teil desselben Werkzeugs sein, in dem das Trägerteil-Halbzeug eingespannt war, als die Rovinge bzw. Bündel oder Bänder von Rovingen aus dem Trägerteil-Halbzeug aufgebracht wurden.
Die Kontaktierung der Rovinge R oder des Bandes aus Rovingen R (Schritt 7) kann auch nach dem Schritt 8 erfolgen.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist also insbesondere vorgesehen, dass bei der Ablage von elektrisch leitenden Rovingen bzw. des zumindest einen Bündels oder Bands von Rovingen auf das Trägerteil (Schritt S6) das Trägerteil eine zweidimensional definierbare Oberfläche hat und dass vor oder nach der Kontaktierung von Endabschnitten der Rovings bzw. des zumindest einen Bündels oder Bands von Rovingen ein Ablegen der Halbzeugkombination aus Trägerteil und der darauf abgelegten elektrisch leitenden Rovings auf ein Formwerkzeug erfolgt, dessen Oberfläche eine dreidimensional definierbare Gestalt hat.
Optional wird anschließend bei diesem Ausführungsbeispiel das Bindermaterial und optional das Blitzschutz-Material aufgebracht (Schritt S8). Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass das Bindermaterial in einem der vorhergehenden Schritte im Trägerteil-Halbzeug und/oder der elektrischen isolierenden Schicht und/oder in den darauf aufgebrachten Rovingen bzw. dem darauf aufgebrachten zumindest einen Bündel oder Band von Rovingen enthalten war. Bei der Verwendung von Bindermaterial erfolgen dann gegebenenfalls der Binderprozess (Schritt S9) zur Stabilisierung des Halbzeugs und die Durchführung eines Harz-Infusionsverfahrens oder Harz-Injektionsverfahrens (Schritt 10).
In einem weiteren Schritt wird das nach einer der beschriebenen Ausführungsformen von Verfahrensschritten entstandene Gebinde aus zumindest einer Lage von elektrisch leitenden Rovings, dem Bindermaterial und der Isolationsschicht sowie gegebenenfalls dem Blitzschutz-Material in einem Harz-Infusionsverfahren und/oder Harz-Injektionsverfahren unter Verwendung eines Harzes konsolidiert (Schritt 10). Dabei kann vorgesehen sein, dass in ersten Arbeitsschritten das Trägerteil und die elektrisch isolierende Schicht als jeweils trockene Halbzeuge aufgelegt werden und die elektrisch isolierende Schicht in einem Kunststoff-Herstellungsverfahren einstückig hergestellt wird.
Anschließend kann eine spanende Nachbearbeitung des aushärteten Heistruktur-Halbzeugs vorgesehen sein (Schritt S11).
Daraufhin kann der Anschluss der elektrischen Leitungen an den metallischen Kontaktkörper erfolgen (Schritt S12).
Weiterhin kann danach eine Funktionsprüfung durch Thermoaufnahmen vorgesehen sein (Schritt S13). Dabei kann vorgesehen sein, dass die Funktionsfähigkeit der Heizstruktur wird durch Thermoaufnahmen nachgewiesen wird. Durch die Thermoaufnahmen wird eine integrale Aussage zur Temperaturverteilung auf der Oberfläche der Heizstruktur erhalten, wodurch die Aufheizgeschwindigkeit in den einzelnen Heizzonen nachweisbar ist. Durch dieses Thermographie-Verfahren sind durch Erkennung von Notspots Fehlstellen an Kontaktstellen Kohlenstoff/Metall oder Kohlenstofffaser/Kohlenstofffaser dedektierbar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 5824996 [0002]
- US 2006/0278631 A1 [0003]
- DE 10151298 A1 [0004]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Bauteil-Halbzeugs zur Verwendung für die Herstellung eines dreidimensionalen Bauteils, auf dessen Oberfläche zumindest eine Heizschicht angeordnet ist, aufweisend die Schritte: • in einem Roving-Definitionsschritt (S5) ausgehend von einer für jede vorgesehene Heizschicht zu erzielende flächenspezifische Heizleistung (S2, S3, S4) Festlegung der Anordnung und des Verlaufs von zumindest einem Bündel oder einem Verbund oder einem Band von Rovingen zur Bildung der jeweiligen Heizschicht (Schritt S2), • gemäß der Anordnung und des Verlaufs des zumindest einen Bündels oder Bands von Rovingen nach dem Roving-Definitionsschritt (S5) Aufbringen von elektrisch leitenden Rovingen schrittweise nebeneinander auf ein flach eingespanntes aus einem elektrisch isolierenden Material gebildeten Trägerteil-Halbzeug und Befestigen der Rovinge (S6b) durch ein Näh- oder Stickverfahren auf dem Trägerteil-Halbzeug (S6), • Durchführen eines Binderprozesses zur Stabilisierung des Halbzeugs mit dem Rovingen oder des zumindest einen Bündels oder Verbunds oder Bands von Rovingen.
Verfahren nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Rovinge (S6b) durch ein Näh- oder Stickverfahren auf dem Trägerteil-Halbzeug (S6).
Verfahren nach dem Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Auflegen und Befestigen der Rovinge auf das Trägerteil-Halbzeug (S6a, S6b) derart erfolgt, dass die Rovinge (R) ein Band (B) aus einer Lage von nebeneinander liegenden Rovingen (R) bilden.
Verfahren nach dem Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rovinge (R) parallel zueinander und abschnittsweise serpentinenförmig verlaufen.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Befestigen der Rovinge (R) auf dem Trägerteil dieses mit den darauf befestigten Rovingen (R) auf ein Werkzeug mit einer dreidimensionalen Auflageflächen-Kontur (Schritt S8) aufgelegt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Heizschicht-Definitionsschritt ausgehend von einer Definition von zumindest einer Heizschicht auf dem herzustellenden Bauteil die für jede vorgesehene Heizschicht zu erzielende flächenspezifische Heizleistung bei einer vorgegebenen Spannung ermittelt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Heizschicht-Definitionsschritt in einem Roving-Definitionsschritt für eine flächenspezifische Heizleistung die Anzahl der Rovinge (R) für die jeweilige Heizschicht minimiert wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Heizschicht-Definitionsschritt in einem Roving-Definitionsschritt für eine flächenspezifische Heizleistung die Anzahl der Bündel oder Bändern (B) von Rovingen (R) für die jeweilige Heizschicht minimiert wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Auflegen der Trägerteil-Halbzeugs auf ein Werkzeug mit einer dreidimensionalen Auflageflächen-Kontur eine Kontaktierung von Endabschnitten der Rovinge (R) oder des zumindest einen Bündels oder Bands von Rovingen durch Verbindung eines metallischen Kontaktkörpers mit den Endabschnitten der Rovinge oder des zumindest einen Bündels oder Bands (B) von Rovingen (R) mittels eines Metall enthaltenden Klebstoffs (Schritt S7).
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rovinge (R) oder Bündel von Rovingen oder das zumindest eine Band (B) von Rovingen (R) aus elektrisch leitenden metallischen und nichtmetallischen Fasern gebildet sind.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen elektrisch leitenden Rovinge (R) oder des zumindest einen Bündels oder Bands (B) von Rovingen (R) Rovinge aus Glas abgelegt werden, um elektrisch leitende Rovinge voneinander elektrisch zu isolieren.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen elektrisch leitenden Rovingen (R) oder des zumindest einen Bündels oder Bands (B) von Rovingen (R) ein Glasgewebe abgelegt wird, um zwei Schichten von Rovingen (R) voneinander elektrisch zu isolieren.
Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit einer Anordnung von zumindest einer Heizschicht, bei dem die Herstellung eines Bauteil-Halbzeugs nach einem der Ansprüche 1 bis 12 erfolgt, wobei weiterhin das Bauteil-Halbzeug mittels eines Harzinfusions- oder Harzinjektions-Verfahrens gehärtet wird.
Verfahren zur Herstellung eines Bauteils nach dem Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das gehärtete Bauteil spanend nachbearbeitet wird.
Verfahren zur Herstellung eines Bauteils nach dem Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anschliessen einer Energieversorgungs-Vorrichtung und eine Funktionsprüfung der Heizschicht-Anordnung mittels eines Thermographie-Verfahrens vorgenommen werden.