DE102009057006A1

DE102009057006A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung eines gekrümmten Verbundbauteils sowie Verbundbauteil

Info

Publication number: DE102009057006A1
Application number: DE200910057006
Authority: DE
Inventors: Markus Müller; Markus J. Weber; Ralf Lonthoff; Boris Ehrhardt
Original assignee: EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2009-12-04
Filing date: 2009-12-04
Publication date: 2011-06-09

Abstract

Offenbart ist eine Vorrichtung zur Herstellung eines zumindest einfach gekrümmten faserverstärktem Verbundbauteils 2, das Positionierkörper 78 zur abschnittsweisen Aufnahme von Steifensegmenten 30, 32 in einer Werkzeugform 28 aufweist, ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Bauteils 2, bei dem die Werkzeugform 28 nach oben von dem Bauteil 2 abnehmbar ist, sowie ein derartiges Bauteil 2, dessen Steifen 12, 14 in Kreuzungsbereichen 16 voneinander beabstandet und über Kreuzungselemente 18 miteinander verbunden sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung eines zumindest einfach gekrümmten Bauteils, insbesondere eine Faserverbundschale eines Flugzeugrumpfes, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Verbundbauteils.
In der zivilen Luftfahrt ist in jüngster Zeit verstärkt die Tendenz zu beobachten, nicht nur Teile der Primärstruktur, sondern komplett versteifte Rümpfe aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen herzustellen. Eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Rumpfes in Wickeltechnik sind zum Beispiel in dem US-Patent US 6,613,258 B1 gezeigt. Die Vorrichtung weist einen um seine Längsachse rotierbaren Zylinder auf, der einen Rumpfquerschnitt abbildet und an seinem Außenumfang eine Vielzahl von Längs- und Quernuten zur Aufnahme von Stringern bzw. Spanten aufweist. Des Weiteren sind eine Ablegeeinrichtung und eine Anpresseinrichtung zum Ablegen von Materialbahnen auf dem Außenumfang des Zylinders vorgesehen. Zur Herstellung des Rumpfabschnittes werden zuerst die Stringer und Spanten getrennt voneinander hergestellt und im konsolidierten Zustand in die Nuten des zylindrischen Körpers eingelegt. Dann wird der Zylinder in Rotation versetzt und über die Ablegeeinrichtung und die Anpresseinrichtung werden Materialbahnen zur Bildung einer Außenhaut auf dem Außenumfang des Zylinders abgelegt. Dabei werden die Materialbahnen auf eine Temperatur erhitzt, die höher ist als eine Harzschmelztemperatur, so dass unmittelbar beim Ablegen der Materialbahnen diese mit den Stringern und Spanten verschweißt werden. Nach dem Ablegen der Materialbahnen wird die Rotation des Zylinders gestoppt und ein Konsolidierungsprozess setzt ein.
Nachteilig an dieser gewickelten Lösung ist insbesondere, dass nahezu kein Toleranzausgleich zwischen benachbarten Rumpfabschnitten bzw. Rumpfsektionen möglich ist und somit in der Fertigung äußerst enge Toleranzen einzuhalten sind. Des Weitern ist nachteilig, dass die Stringer und Spanten getrennt von der Außenhaut hergestellt werden und somit grundsätzlich die Gefahr von Verbindungsfehlern zwischen den Stringern bzw. den Spanten und der Außenhaut besteht.
Das US-Patent US 7,216,832 B2 zeigt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung eines Flugzeugrumpfes aus Faserverbundwerkstoffen in Schalenbauweise, bei dem eine Vielzahl von plattenförmigen Fertigungshilfsmitteln zwischen einem äußeren Werkzeuggehäuse und einem druckbeaufschlagbaren Kern eingespannt werden. Die Fertigungshilfsmittel weisen eine Vielzahl von Nuten zur Ausbildung einer Versteifungsstruktur auf, die über eine Vielzahl von sich kreuzenden Steifen mit einem halbkreisförmigen Querschnitt gebildet wird. Zur Ausbildung der Steifen werden Materiallagen in die Nuten gelegt und über aufblasbare Schlauchkerne stabilisiert.
Nachteilig an dieser Lösung ist, dass die Schlauchkerne eine Vielzahl von Kreuzungsbereichen bilden und somit nicht sichergestellt ist, dass jeder Schlauchkern über seine gesamte Länge mit einem Solldruck beaufschlagt ist. Hierdurch besteht die Gefahr, dass die Materiallagen nicht optimal in die Nuten gepresst werden und sich somit Steifen mit fehlerhafter Querschnittsgeometrie ausbilden. Des Weiteren ist nachteilig, dass sich die Schlauchkerne häufig nicht vollständig von den Steifen lösen lassen und somit viele Schlauchkerne bereits nach einmaliger Verwendung durch neue Schlauchkerne ersetzt werden müssen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung eines zumindest einfach gekrümmten Bauteils, die die vorgenannten Nachteile beseitigen und eine hohe Prozesssicherheit ermöglichen, sowie ein verbessertes Verbundbauteil zu schaffen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch ein Verfahren mit den Schritten des Patentanspruchs 9 sowie durch ein Verbundbauteil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 15.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung eines zumindest einfach gekrümmten Bauteils, insbesondere eine Faserverbundschale eines Flugzeugrumpfes, mit einem Hautfeld, das durch eine gitterartige Versteifungsstruktur aus einer Vielzahl von in Kreuzungsbereichen zusammengeführten Steifen versteift ist, hat eine als Positivwerkzeug ausgeführte Werkzeugform, die den Verlauf der Versteifungsstruktur abbildet, und eine Vielzahl von Kernen zur Stützung von textilen Halbzeugen zur Bildung der Steifen. Erfindungsgemäß ist eine Vielzahl von Positionierkörpern zum Einsetzen in die Kreuzungsbereiche vorgesehen, die den Querschnitt von zumindest zwei zusammengesetzten und mit den Halbzeugen versehenen Kernen abbilden und auf denen diese endseitig ablegbar sind.
An der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist insbesondere vorteilhaft, dass trotz der schalenartigen Ausbildung des Bauteils Kerne mit einer festen Struktur verwendet werden können, da sich diese aufgrund der Positionierkörper nach dem Aushärten des Bauteils entfernen lassen. Die feste Kernstruktur ermöglicht eine genaue Positionierung der zur Ausbildung der Steifen notwendigen textilen Halbzeuge. Gleichzeitig wird eine hohe Prozesssicherheit geschaffen, da Fehlpositionierungen oder Verformungen der Kerne bei der Herstellung des Bauteils vermieden werden.
Bei einem Ausführungsbeispiel sind die Kreuzungsbereiche zur Aufnahme der Positionierkörper gegenüber sich zwischen ihnen erstreckenden Vertiefungen zur Aufnahme der Kerne zurückgestuft. Hierdurch wird eine Stufenbildung zwischen den Vertiefungen und dem Positionierkörper im Bodenbereich verhindert.
Die Positionierkörper weisen vorzugsweise eine Vielzahl von radial angeordneten Wandungen auf, von denen jeweils zwei einen Aufnahmeraum für die Endabschnitte der Kerne begrenzen, der radial von innen nach außen betrachtet in etwa trichterförmig erweitert ist. Derartige Positionierkörper erlauben insbesondere die Herstellung von Steifen mit einem sich von dem Hautfeld orthogonal erstreckenden klingenartigen Flansch, der zum Beispiel aus zwei Steifenhälften zusammengesetzt ist.
Der Aufnahmeraum kann einen Bodenabschnitt, der sich radial zwischen zwei Wandungen erstreckt, und zwei gegenüberliegende Schrägflächen aufweisen, von denen jeweils eine zwischen dem Bodenabschnitt und einer der Wandungen angeordnet ist und die vorzugsweise dreieckig ausgebildet sind und radial von außen nach innen auslaufen.
Zum Einsetzen eines die Steifen endseitig miteinander verbindenden Kreuzungselementes in die Kreuzungsbereiche ist es vorteilhaft, wenn zwischen den einzelnen Wandungen ein radial innenliegender Spalt zur Aufnahme von entsprechenden Abschnitten des Kreuzungselementes ausgebildet ist.
Das Bauteil lässt sich besonders einfach entformen, wenn eine Dreheinrichtung zum Verschwenken der Werkzeugform um zumindest 180° vorgesehen ist, so dass die Steifenhälften von oben auf der Werkzeugform ablegbar sind und diese (Werkzeugform) dann nach oben von dem Bauteil entfernt werden kann.
Das Entfernen der Werkzeugform von dem Bauteil lässt sich weiter verbessern, wenn diese aus einer Vielzahl von Modulen zusammengesetzt ist, so dass die Werkzeugform abschnittsweise von dem Bauteil entfernt werden kann.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines zumindest einfach gekrümmten Bauteils mit einem Hautfeld, das durch eine gitterartige Versteifungsstruktur aus einer Vielzahl von in Kreuzungsbereichen zusammengeführten Steifen versteift ist, die sich zumindest jeweils aus zwei Steifensegmenten zusammensetzen, wird zuerst eine die Versteifungsstruktur abbildende Werkzeugform bereitgestellt. Anschließend werden Positionierkörper in Kreuzungsbereichen der Werkzeugform bzw. der herzustellenden Versteifungsstruktur eingesetzt. Dann werden die Steifensegmente in der Werkzeugform positioniert, wobei diese vorzugsweise aus textilen Halbzeugen bestehen und endseitig über die Positionierkörper geführt werden. Danach werden textile Flächengebilde zur Bildung des Hautfeldes auf der Werkzeugform abgelegt. Anschließend wird eine Druckplatte auf den Flächengebilden, positioniert und das Bauteil eingepackt, evakuiert, infiltriert und ausgehärtet. Abschließend wird die Werkzeugform derart verschwenkt, dass diese beim Entformen des Bauteils nach oben von dem Bauteil entfernt und somit quasi abgehoben werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt durch das Ablegen der Steifensegmente auf den Positionierkörpern die Verwendung von Kernen mit einer festen Struktur. Darüber hinaus ermöglicht die Verschwenkung der Werkzeugform eine einfache und bequeme Positionierung der Steifensegmente zur Bildung der Steifen und der Flächengebilden zur Bildung des Hautfeldes, sowie gleichzeitig ein bequemes Entformen.
Bei einem Ausführungsbeispiel werden die Steifen über in die Kreuzungsbereiche eingesetzte Kreuzungselemente endseitig miteinander verbunden. Dabei ist es aus fertigungstechnischer Sicht günstig, wenn zuerst die einen Steifensegmente und anschließend die Kreuzungselemente in die Werkzeugform und somit vor dem Einsetzen der zweiten Steifensegmente positioniert werden. Das Einsetzen der Kreuzungselemente lässt sich vereinfachen, wenn im Bereich der Positionierkörper Führungskörper, beispielsweise Führungsfolien, eingesetzt werden, die entsprechende Führungs- und Gleitflächen für das Kreuzungselement bilden.
Das Einsetzen der zweiten Steifensegmente lässt sich vereinfachen, wenn im Flanschbereich der ersten Steifensegmente jeweils ein plattenartiges Führungselement in die Werkzeugform eingesetzt wird, das eine Führungsfläche für die zweiten Steifensegmente bildet, so dass sich die Steifensegmente beim Ausrichten in der Werkzeugform nicht in direkter Anlage miteinander befinden und somit eine Führungs- bzw. Gleitebene ausbildet.
Zur Ausbildung eines ebenen Hautfeldes ist es vorteilhaft, wenn die Steifensegmente nach dem losen Einsetzen in die Werkzeugform in ihre jeweilige Sollposition gepresst werden, so dass ihre vergrößerten Querschnitte den Sollquerschnitten der Steifen angepasst (kompaktiert) werden.
Das Entformen des Bauteils lässt sich vereinfachen, wenn die Werkzeugform mehrteilig mit zumindest zwei voneinander trennbaren Einzelformen ausgebildet ist und diese nacheinander von dem Bauteil entfernt werden. Diese Anordnung ermöglicht weiterhin die Fertigung sich in Umfangsrichtung weiter ersteckender Schalen, da sich aus der Krümmung ergebende Hinterschnitte durch die Teilung der Werkzeugform nur auf jeweils einen Teil der Werkzeugform auswirken und damit signifikant reduziert werden können.
Ein erfindungsgemäßes Faserverbundbauteil hat ein Hautfeld, das durch eine gitterartige Versteifungsstruktur verstärkt ist. Die Versteifungsstruktur weist eine Vielzahl von in Kreuzungsbereichen zusammengeführten Steifen auf. Erfindungsgemäß sind die Steifen endseitig voneinander beabstandet und über jeweils ein in die Kreuzungsbereiche eingesetztes Kreuzungselement miteinander verbunden. Hierdurch müssen die Halbzeuge zur Bildung der Steifen in den Kreuzungsbereichen nicht mehr übereinander gelegt bzw. aufwendig drapiert werden, so dass das erfindungsgemäße Faserverbundbauteil nicht nur einfach herzustellen ist, sondern ebenfalls eine hohe Qualität aufweist, da z. B. Infiltrationsfehler im Bereich der Kreuzungsbereiche verhindert werden.
Sonstige vorteilhafte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand schematischer Darstellungen und Tabellen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Bauteil,
2 eine Prozesskette zur Herstellung des erfindungsgemäßen Bauteils aus 1,
3 bis 22 Verfahrensschritte einer in 2 gezeigten Steifen-Montagephase,
23 und 24 Verfahrensschritte einer in 2 gezeigten Hautfeld-Montagephase,
25, einen Verfahrensschritt einer in 2 gezeigten Autoklavphase,
26 bis 32 Verfahrensschritte einer in 2 gezeigten Entformungsphase
33 bis 36 alternative Verfahrensschritte zum Einsetzen eines Kreuzungselementes in die in 1 gezeigten Kreuzungsbereiche,
37 bis 39 alternative Verfahrensschritte zur Positionierung von Steifenhälften zur Ausbildung der in 1 gezeigten Versteifungsstruktur,
40 bis 43 weitere alternative Verfahrensschritte zur Positionierung von Steifenhälften zur Bildung der in 1 gezeigten Versteifungsstruktur, und
44 und 45 Tabellen 1 und 2 eine Abfolge beispielhafter Verfahrensschritte.
In den Figuren tragen gleiche konstruktive Elemente die gleichen Bezugsziffern, wobei bei mehreren gleichen konstruktiven Elementen in einer Figur aus Gründen der Übersichtlichkeit nur einige dieser konstruktiven Elemente mit einem Bezugszeichen versehen sind.
1 zeigt eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Bauteil 2. Dieses ist ein Faserverbundbauteil, insbesondere ein kohlenstofffaserverstärktes Verbundbauteil, und weist ein Hautfeld 4 auf, das durch eine gitterartige Versteifungsstruktur 6 versteift ist. Es ist in Querrichtung 8 gekrümmt ausgebildet und dient beispielsweise zur Bildung eines Flugzeugrumpfes, der aus einer Vielzahl von seitlich und in Längsrichtung 10 miteinander verbundenen Bauteilen 2 besteht.
Die Versteifungsstruktur 6 weist eine Vielzahl von Steifen 12, 14 auf, die in Kreuzungsbereichen 16 zusammengeführt sind. Zur Verbindung der Steifen 12, 14 in den Kreuzungsbereichen 16 ist in diesen jeweils ein Kreuzungselement 18 angeordnet (s. 11). Die Steifen 12, 14 weisen einen T-förmigen Querschnitt auf und haben jeweils einen Fußgurt bzw. Fußabschnitt 20, mit dem sie sich an dem Hautfeld 4 abstützen sowie einen sich von dem Fußgurt 20 weg erstreckenden Flansch 22. Der Flansch 22 ist mittig auf den Fußgurten 20 positioniert und klingenartig ausgebildet. Insbesondere bestehen die Steifen 12, 14 aus zwei L-fömigen Steifenhälften 30, 32 (7 und 14), die mit ihren Flanschenkeln 93 miteinander verbunden sind.
Gemäß einer in 2 gezeigten Prozesskette werden zur Bildung eines derartigen Bauteils 2 zuerst Steifenhälften 30, 32 zur Bildung der Steifen 12, 14 und die Kreuzungselemente 18 zur weiteren Verwendung in einer Vorbereitungsphase 24 entsprechend vorbereitet. Anschließend erfolgt eine Steifen-Montagephase 26, in der im Prinzip die Steifenhälften 30, 32 auf einer Werkzeugform 28 (s. 3) zur Bildung der Versteifungsstruktur 6 abgelegt werden. Anschließend wird in einer Hautfeld-Montagphase 34 das Hautfeld 4 durch Ablegen von extern gefertigten Flächengebilden 36 auf der Werkzeugform 28 ausgebildet. Dann wird das Bauteil 2 in einer Autoklavphase 38 einer Evakuierung, einer Harzinfiltrierung und einer Aushärtung unterzogen. Der Autoklavphase 38 schließt sich die Entformungsphase 40 an, in der das ausgehärtete Bauteil 2 auf einem entsprechenden Transportmittel 32 abgelegt und die Werkzeugform 28 von dem Bauteil 2 gelöst wird. Danach wird das Bauteil 2 einer Nachbearbeitungs- und Testphase 44 zugeführt, in der abschließende mechanische Formgebungsarbeiten bzw. zerstörungsfreie Prüfungen durchgeführt werden. Die Werkzeugform 28 und Kerne 48, 50 der Steifenhälften werden nach der Entformungsphase 40 einer Reinigungsphase 46 zugeführt, in der diese von Verschmutzungen wie z. B. Faser- bzw. Harzresten befreit werden.
Eine detaillierte Beschreibung der einzelnen Phasen erfolgt in den folgenden Figuren sowie in den Tabellen 1 und 2, wobei insbesondere die Vorbereitungsphase 24 und die Steifen-Montagephase 26 in den 3 bis 22, die Hautfeld-Montagephase 34 in den 23 und 24, die Autoklavphase 38 in 25 sowie die Entformungsphase 40 in den 26 bis 32 beschrieben wird.
3 und 4 zeigen jeweils eine perspektivische Darstellung der Werkzeugform 28. Diese ist teilbar aus einem mittleren Zentrumsmodul 52 und zwei Seitenmodulen 54, 56 zusammengesetzt, die eine durchgehende konkav gewölbte Oberfläche 58 bilden. Sie ist als ein Positivwerkzeug mit einer Vielzahl von Nuten 60 zur Abbildung der Versteifungsstruktur 6 ausgebildet. Die Nuten 60 sind in den Kreuzungsbereichen 16 zusammengeführt und haben einen etwa trapezartigen Querschnitt mit zwei zueinander angestellten Nutflächen 64, 66 sowie einem die Nutenflächen 64, 66 miteinander verbindenden Nutengrund 68.
In den Kreuzungsbereichen 16 finden sich zur Aufnahme von Positionierkappen 78 (s. 5) im Wesentlichen sechseckige Ausnehmungen 70, die mit ihren Ecken 72 jeweils mittig zwischen den Nuten 60 angeordnet sind und durch eine im Wesentlichen ebene Aufnahmefläche 74 begrenzt werden. Die seitlichen Begrenzungen 76 der Ausnehmungen 70 verlaufen jeweils im Wesentlichen normal zur Vorrichtungsoberfläche 58, stellen aber durch entsprechende Anpassung des Winkels entlang der Umfangsrichtung 8 der Schale die Entformbarkeit des Bauteils 2 von der Vorrichtung 28 sicher.
In den Kreuzungsbereichen 16 wird jeweils das in 5 gezeigter Positionierkörper 78 in die Ausnehmung 70 auf der Aufnahmefläche 74 abgelegt. Er hat eine der Anzahl der sich kreuzenden Steifen 12, 14 entsprechende Anzahl von Aufnahmeräumen 79, in denen jeweils zwei Steifenhälften 30, 32 endseitig positionierbar sind. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind sechs Aufnahmeräume 79 vorgesehen. Der Positionierkörper 78 ist als ein Vieleck ausgebildet, von dessen sechs Eckbereichen 80, 82 sich radial jeweils eine Wandung 84, 86 erstreckt, zwischen denen die Aufnahmeräume 79 angeordnet sind. Radial innenliegend sind die Wandungen 84, 86 voneinander beabstandet, so dass ein zylinderförmiger Freiraum 88 gebildet ist, der über jeweils einen Spalt 90 zwischen zwei benachbarten Wandungen 84, 86 mit den Aufnahmeräumen 79 in Verbindung steht. Zwischen den Wandungen 84, 86 ist jeweils eine Bodenfläche 92 ausgebildet, die durch den Spalt 90 geführt ist und seitlich über zwei Schrägflächen 94, 95 in die Wandungen 84, 86 übergeht. Die Schrägflächen 94, 95 sind dreieckförmig ausgebildet und laufen radial nach innen aus.
Wie in 6 gezeigt führen die in die Kreuzungsbereiche 16 eingesetzten Positionierkörper 78 mit ihren Bodenflächen 92 den Nutgrund 68 bündig, d. h. stufenlos, fort. Ebenso führen sie wandungsseitig die Oberfläche 58 bündig fort.
In der Vorbereitungsphase 24 (Tabelle 1, Schritte 1 bis 3) werden die ersten Steifenhälften 30 wie in 7 gezeigt durch jeweils ein L-fömiges Profil gebildet, das um einen entsprechend geformten Kern 48 drapiert wird und einen vom Betrachter abgewandten Fußgurtschenkel 91 zur Bildung des Fußgurtes 20 und einen Flanschschenkel 93 zur Bildung des Flansches 22 aufweist. Die Steifenhälften 30 bestehen aus trockenen textilen Halbzeugen wie kohlenstofffaserverstärktem Gewebe und werden mittels eines Bindemittels und beispielsweise Heißpressen in ihre endgültige Form gebracht und auf den Kernen 48 positioniert. Anschließend werden sie zur Vermeidung von Knicken bzw. zur Beseitigung von Unebenheiten in ihrem Kantenbereich, d. h. im Übergangsbereich vom Flanschschenkel 91 zum Fußgurtschenkel 93, auf den Kernen 48 nachjustiert.
Die Kerne 48 haben im Wesentlichen eine bogenförmige Gestalt mit einem dreieckigen Querschnitt, die dem Verlauf der jeweiligen Nut 60 entspricht und weisen eine feste Struktur auf. Sie bestehen vorzugsweise aus Aluminium bzw. aus einem vergleichbaren Leichtmetall bzw. einer Leichtmetalllegierung. Sie haben jeweils zwei zueinander angestellte Stirnflächen 96, 98 sowie eine vom Betrachter abgewandte Seitenfläche 99 zur Ausbildung des Fußgurtschenkels 20 und eine Seitenfläche 100 zur Ausbildung des Flanschschenkels 22, die zur Aufnahme der Kreuzungselemente 18 endseitig zurückgestuft ist (nicht dargestellt, vgl. 14 und 16).
Im Anschluss an die Vorbereitungsphase 24 folgt die Steifen-Montagephase 26 (Tabelle 1, Schritte 4 bis 11). Die drapierten ersten Steifenhälften 30 werden wie in 8 gezeigt einzeln über ihre Kerne 48 in den Nuten 60 derart angeordnet, dass sie paarweise an den Wandungen 84, 86 der Positionierkörper 78 angreifen und sich gemäß der Schnittdarstellung in 9 flächigen Anlage mit der seitlichen Nutfläche 64 befinden.
Nach der Positionierung der ersten Steifenhälften 30 in der Werkzeugform 28 wird wie in den 11 bis 13 gezeigt jeweils ein Kreuzungselement 18 in den Positionierkörpern 78 angeordnet. Die Kreuzungselemente 18 haben jeweils eine sternartige Gestalt mit einem zylinderförmigen Körper 104, von dem sich entsprechend der Anzahl der in den Kreuzungsbereichen 16 zusammenzuführenden Steifen 12, 14 klingenartige Arme 106 mit keilartig auslaufenden Endabschnitten 108 erstrecken. Das gezeigte Ausführungsbeispiel weist sechs Arme 106 auf. Sie bestehen aus textilen Halbzeugen, vorausgehärteten Faserverbundkunstoff oder Leichtmetall bzw. Metalllegierungen und sind entsprechend vorbereitet. Die Kreuzungselemente 18 werden wie in 12 gezeigt mit ihrem zylinderförmigen Körper 104 in den Freiraum 88 der Positionierkörper 78 angeordnet. Sie erstrecken sich mit ihren Armen 106 durch die Spalte 90 zwischen den Wandungen 84, 86 hindurch und liegen einseitig flächig an den zurückgestuften Flanschschenkelabschnitten 101 an.
Nach dem Einsetzen der Kreuzungselemente 18 werden wie in den 14 bis 17 gezeigt die zweiten Steifenhälften 32 über ihre Kerne 50 in den Nuten 60 positioniert. Die zweiten Steifenhälften 32 sowie die Kerne 50 sind entsprechend den ersten Steifenhälften 30 und deren Kernen 48 ausgebildet, so dass auf sich wiederholende Erläuterungen verzichtet wird. Gemäß der Schnittdarstellung in 16 gleiten beim Einsetzen der zweiten Steifenhälften 32 deren Kerne 50 entlang der Seitenfläche 66 bis diese in den Nuten 60 und in den Aufnahmeräumen 79 angeordnet sind. Die Steifenhälften 30, 32 berühren sich flächig im Bereich ihrer Flanschschenkel 93, wobei endseitig die Arme 106 der Kreuzungselemente 18 zwischen ihnen angeordnet sind. Ihre Fußgurtschenkel 91 sind über eine sich in Längsrichtung der Steifenhälften 30, 32 erstreckende Senke 110 voneinander beabstandet.
Zur Bildung der durchgehenden Fußgurte 20 wird in die Senke 110 jeweils zumindest ein in 18 gezeigter textiler Materialstreifen 112, ein sogenannter Zwickel, beispielsweise aus Kohlenstofffasern, eingelegt. Die Materialstreifen 112 haben einen etwa dreiecksförmigen Querschnitt entsprechend dem Querschnitt der Senken 110 und werden gemäß den 19 bis 22 über die Arme 106 der Kreuzungselemente geführt. Zur Vermeidung einer Materialaufdickung im Bereich der Kreuzungsbereiche 16 sind sie wie in 20 gezeigt im Bereich ihrer Überkreuzungen mit einem abgeflachten Materialabschnitt 113 versehen. Nach dem Einlegen der Materialstreifen 112 in die Senken 110 ist die Versteifungsstruktur 6 montiert. Die Steifen-Montagephase 24 ist abgeschlossen und es folgt die Montage des Hautfeldes 4.
In der in den 23 und 24 gezeigten Hautfeld-Montagephase 34 (Tabelle 1, Schritte 12 bis 14) werden die Flächengebilde 36 zur Bildung des Hautfeldes 4 auf der Oberfläche 58 abgelegt. Die Flächengebilde 36 sind textile Halbzeuge, beispielsweise kohlenstofffaserverstärkte Materialbahnen, die über einen entsprechenden Ablageprozess auf der Werkzeugform 28 derart abgelegt werden, dass diese wie in 24 gezeigt die Oberfläche 58 bedecken und sich dabei in unmittelbaren Kontakt mit den Fußgurtabschnitten 93 und den Materialstreifen 112 befinden. Anschließend wird auf den Flächengebilden 36 ein nicht gezeigter Blitzschutz, beispielsweise ein Kupfergitter, abgelegt. Die Hautfeld-Monatagephase 34 ist beendet und das Bauteil 2 wird dem Autoklavprozess 38 zugeführt.
Im Autoklavprozess 38 (Tabelle 2, Schritte 15 bis 17) wird eine in 25 gezeigte dem Verlauf der Oberfläche 58 nachzeichnenden Druckplatte 116 auf den Flächengebilden 36 abgelegt, das Bauteil 2 eingepackt, evakuiert, mit einem Harz infiltriert und ausgehärtet.
Nach dem Aushärten beginnt die in den 26 bis 32 gezeigte Entformungsphase des Bauteils 2 (Tabelle 2, Schritte 18 bis 22). In dieser wird gemäß 26 die Druckplatte 116 entfernt und das Transportmittel 38 (nicht dargestellt, s. 2) für das Bauteil 2 bereitgetellt. Dann wird die Werkzeugform 28 um 180° verschwenkt und mit dem bzw. über das Hautfeld 4 auf dem Transportmittel 38 abgelegt. Dann wird die Werkzeugform 28 abgehoben, wobei vorzugsweise erst das Zentrumsmodul 52 und dann die Seitenmodule 54, 56 entfernt werden. Nach dem Entfernen der Werkzeugform 28 sind wie in den 28 und 29 gezeigt die Positionierkörper 78 sowie die Kerne 48, 50 frei zugänglich. Nun werden wie in 30 gezeigt die Positionierkörper 78 entfernt, wobei durch ihre Wandungen 84, 86 jeweils zwischen zwei benachbarten Kernen 48, 50 ein Schlitz 117 ausgebildet wird. Nach der Entnahme der Positionierkörper 78 werden wie in den 31 gezeigt nacheinander die Kerne 48, 50 entfernt.
Nach dem Entfernen der Werkzeugform 28, der Positionierkörper 78 sowie der Kerne 48, 50 ist das Bauteil 2 vollständig entformt und gemäß 32 ist die Versteifungsstruktur 6 mit den Steifen 12, 14 sowie den Flanschen 22 und Fußgurten 20 sichtbar. Die Flansche 22 werden jeweils von den zwei Flanschschenkel 93 der ersten und zweiten Steifenhälfte 30, 32 gebildet und sind somit zumindest doppellagig. Die Fußgurte 20 werden von den Fußgurtschenkeln 91 gebildet und sind somit zumindest einlagig. Endseitig sind die Flansche 22 durch die zwischen den Flanschschenkeln 93 positionierten Arme 106 der Kreuzungselemente 18 verstärkt und über diese über die Kreuzungsbereiche 16 hinaus miteinander verbunden. Selbstverständlich können weitere Hautlagen zwischen bzw. an den Flanschschenkel 93 und den Fußgurtschenkeln 91 angeordnet werden. Die Endformungsphase 40 ist beendet und das Bauteil 2 wird der Nachbearbeitungs- und Testphase 44 zugeführt.
In der Nachbearbeitungs- und Testphase 44 (Tabelle 2, Schritte 23 bis 25) wird das Bauteil 2 gegebenenfalls mechanisch nachbearbeitet und eventuelle Materialfehler werden korrigiert. Dann werden als Qualitätskontrolle zerstörungsfreie Tests des Bauteils 2 durchgeführt. Nach bestandener Qualitätskontrolle wird das Bauteil 2 mit Lack- bzw. Schutzschichten überzogen.
Das Einsetzen der Kreuzungselemente 18 lässt sich vereinfachen, wenn sich diese beim Einsetzen in die Kreuzungsbereiche 16 nicht unmittelbar in Kontakt mit den zurückgestuften Flanschschenkelabschnitten 101 der ersten Steifenhälften 30 befinden. Dies kann dadurch erreicht werden, dass wie in den 33 bis 36 gezeigt, Gleit- bzw. Führungsfolien 118 verwendet werden, die jeweils zu einem V-artigen Körper mit zwei Schenkeln 120, 122 gefaltet werden. Die Führungsfolien 118 werden jeweils derart in den Aufnahmeräumen 79 der Positionierkörper 78 angeordnet, dass sich die Schenkel 120, 122 in Anlage mit den Flanschschenkelabschnitten 101 der ersten Steifenhälften 30 befinden. Nach dem Einsetzen der Führungsfolien 118 werden die Kreuzungselemente 18 in die Kreuzungsbereiche 18 eingeführt, wobei ihre Arme 106 gleitend entlang jeweils einer schenkelseitigen Führungsfläche 123 der Führungsfolien 118 geführt werden. Nach dem Einsetzen der Kreuzungselemente 18 werden wie in 36 gezeigt die Führungsfolien 118 entfernt und die zweiten Steifenhälften 32 werden eingesetzt.
Entsprechend den Führungsfolien 118 kann zum vereinfachten Einsetzen der zweiten Steifenhälften 32 eine in 37 gezeigte Führungsplatte 124 bevorzugterweise mit einem Griff 126 zur besseren Handhabung verwendet werden. Sie besteht vorzugsweise aus Metall bzw. einem Hartkunststoff und hat eine Axialerstreckung, die der Nut 60 entspricht. Sie wird gemäß den 38 und 39 nach dem Einsetzen der Kreuzungselemente 18 an dem Flanschschenkel 93 der ersten Steifenhälften 30 angeordnet und erstreckt sich über die Arme 106 der Kreuzungselemente 18. Nach dem Einsetzen der Führungsplatte 124 werden die zweiten Steifenhälften 32 jeweils in Anlage mit der Führungsplatte 124 gebracht und entlang deren Führungsfläche 128 in die Nuten 60 eingesetzt. Anschließend wird die Führungsplatte 124 entfernt.
Die Positionierung der Steifenhälften 30, 32 mit ihren Kernen 48, 50 lässt sich weiter verbessern, wenn diese nach dem Einsetzen in die Nuten 60 über in 40 gezeigte Anpresskörper 130, 132 in die Nuten 60 quasi gepresst werden. Die Anpresskörper 130, 132 haben eine plattenartige Gestalt mit einem Griff 126 zur verbesserten Handhabung. Sie werden wie in den 41 und 42 gezeigt nach dem Einsetzen der Führungsplatte 124 auf den Fußgurtschenkeln 91 der Steifenhälften 30, 32 abgelegt. Dann wird gemäß 43 die Führungsplatte 124 entfernt und die Anpresskörper 130, 132 werden derart mit Druck beaufschlagt, dass die Steifenhälften 30, 32 mit ihren Kernen 48, 50 in ihre endgültige Sollposition überführt sind. Diese ist dann erreicht, wenn die Anpresskörper 130, 132 flächig auf die Oberfläche 58 der Werkzeugform 28 auflaufen und somit die Fußgurtschenkel 91 eingeebnet sind.
Offenbart ist eine Vorrichtung zur Herstellung eines zumindest einfach gekrümmten faserverstärktem Verbundbauteils 2, das Positionierkörper 78 zur abschnittsweisen Aufnahme von Steifensegmenten 30, 32 in einer Werkzeugform 28 aufweist, ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Bauteils 2, bei dem die Werkzeugform 28 nach oben von dem Bauteil 2 abnehmbar ist, sowie ein derartiges Bauteil 2, dessen Steifen 12, 14 in Kreuzungsbereichen 16 voneinander beabstandet und über Kreuzungselemente 18 miteinander verbunden sind.
Bezugszeichenliste

2: Bauteil
4: Hautfeld
6: Versteifungsstruktur
8: Querrichtung
10: Längsrichtung
12: Steife
14: Steife
16: Kreuzungsbereichen
18: Kreuzungselement
20: Fußgurt
22: Flansch
24: Vorbereitungsphase Steifen (3 bis 22)
26: Steifen-Montagephase
28: Werkzeugform
30: Steifenhälfte
32: Steifenhälfte
34: Hautfeld-Montagephase (23 und 24)
36: Flächengebilde
38: Autoklavphase (25)
40: Entformungsphase (26 bis 32)
42: Transportmittel
44: Nachbeartungs- und Testphase
46: Reinigungsphase
48: Kern
50: Kern
52: Zentrumsmodul
54: Seitenmodul
56: Seitenmodul
58: Oberfläche
60: Nut
64: Seitenfläche
66: Seitenfläche
68: Nutengrund
70: Ausnehmung zur Aufnahme der Positionierkörper
72: Ausnehmungsecke
74: Aufnahmefläche
76: seitliche Begrenzung der Ausnehmung
78: Positionierkörper
79: Aufnahmeraum
80: Eckbereich
82: Eckbereich
84: Wandung
86: Wandung
88: Freiraum
90: Spalt
91: Fußgurtschenkel
92: Bodenfläche
93: Flanschschenkel
94: Schrägfläche
95: Schrägfläche
96: Stirnfläche
98: Stirnfläche
99: Seitenfläche
100: Seitenfläche
101: zurückgestufter Flanschschenkelabschnitt
102: Flanschabschnitt
104: Körper
106: Arm
107: Fußgurtabschnitt
108: Endabschnitt
109: Fußgurtabschnitt
110: Senke
112: Materialstreifen
113: abgeflachter Materialabschnitt
116: Druckplatte
117: Schlitz
118: Führungsfolie
120: Schenkel
122: Schenkel
123: Führungsfläche
124: Führungsplatte
126: Griff
128: Führungsfläche
130: Anpresskörper
132: Anpresskörper

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 6613258 B1 [0002]
US 7216832 B2 [0004]

Claims

Vorrichtung zur Herstellung eines zumindest einfach gekrümmten Bauteils (2), insbesondere einer Faserverbundschale eines Flugzeugrumpfes, mit einem Hautfeld (4), das durch eine gitterartige Versteifungsstruktur (6) aus einer Vielzahl von in Kreuzungsbereichen (16) zusammengeführten Steifen (12, 14) versteift ist, mit einer als Positivwerkzeug ausgeführten Werkzeugform (28), die den Verlauf der Versteifungsstruktur (6) abbildet, und mit einer Vielzahl von Kernen (48, 50) zur Stützung von textilen Halbzeugen (30, 32) zur Bildung der Steifen (12, 14), dadurch gekennzeichnet, dass Positionierkörper (78) zum Einsetzen in die Kreuzungsbereiche (16) vorgesehen sind, die einen Querschnitt von zumindest zwei zusammengesetzten und mit den Halbzeugen (30, 32) versehenen Kernen (48, 50) abbilden und auf denen diese endseitig ablegbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Kreuzungsbereiche (16) gegenüber sich zwischen ihnen erstreckenden Vertiefungen (60) zur Aufnahme der mit den Halbzeugen (30, 32) versehenen Kerne (48, 50) zurückgestuft sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Positionierkörper (78) eine Vielzahl von radial angeordneten Wandungen (84, 86) aufweisen, von denen jeweils zwei einen Aufnahmeraum (79) für Endabschnitte der mit den Halbzeugen (30, 32) versehenen Kerne (48, 50) begrenzen.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei jeder Aufnahmeraum (79) einen Bodenfläche (92) hat, die radial zwischen zwei Wandungen (84, 86) verläuft, und zwei gegenüberliegende Schrägflächen (96, 98) aufweist, von denen sich jeweils eine zwischen der Bodenfläche (92) und einer der Wandungen (84, 86) erstreckt.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Schrägflächen (96, 98) dreieckig ausgebildet sind und radial nach innen auslaufen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3, 4 oder 5, wobei zumindest zwischen einzelnen Wandungen (84, 86) ein radial innenliegender Spalt (90) zur Aufnahme eines Abschnitts (106) eines Kreuzungselements (18) gebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Dreheinrichtung zum Verschwenken der Werkzeugform (28) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Werkzeugform (28) mehrteilig ist und eine Vielzahl von Einzelmodulen (52, 54, 56) aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines zumindest einfach gekrümmten Bauteils (2) mit einem Hautfeld (4), das durch eine gitterartige Versteifungsstruktur (6) aus einer Vielzahl von in Kreuzungsbereichen (16) zusammengeführten Steifen (12, 14) versteift ist, die sich zumindest jeweils aus zwei Steifensegmenten (30, 32) zusammensetzen, mit den Schritten: – Bereitstellen einer die Versteifungsstruktur (6) abbildenden Werkzeugform (28), – Einsetzen von jeweils einem Positionierkörper (78) in die Kreuzungsbereiche (16), – Einsetzen der aus textilen Halbzeugen gebildeten Steifensegmente (30, 32) über Kerne (48, 50) in die Werkzeugform (28), – Ablegen von textilen Faserflächengebilden (36) zur Bildung des Hautfeldes (4) auf der Werkzeugform (28), – Ablegen einer Druckplatte (116) auf den Flächengebilden (36), – Einpacken, Evakuieren, Infiltrieren und Aushärten des Bauteils (2), – Verschwenken der Werkzeugform (28), und – Entformen des Bauteils (2).
Verfahren nach Anspruch 9, wobei nach dem Einsetzen der ersten Steifensegmente (30) in die Werkzeugform (28) ein Kreuzungselement (18) in die Kreuzungsbereiche (16) eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, das vor dem Einsetzen der Kreuzungselemente (18) in den Kreuzungsbereichen (16) Führungskörper (118) eingesetzt werden, die Führungsflächen (123) für die Kreuzungselemente (18) bilden.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei vor dem Einsetzen der zweiten Steifensegmente (32) Führungselemente (124) in den Vertiefungen (60) eingesetzt werden, die Führungsflächen (128) für die zweiten Steifensegmente (32) bilden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, bei dem vor dem Ablegen der Flächengebilden (36) die Steifensegmente (30, 32) durch Anpresselemente (130, 132) in ihre Sollpositionen überführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei beim Entformen zuerst ein erstes Werkzeugmodul (52) und dann ein zweites Werkzeugmodul (54, 56) von dem Bauteil (2) entnommen wird.
Faserverbundbauteil (2) mit einem Hautfeld (4), das durch eine gitterartige Versteifungsstruktur (6) verstärkt ist, die eine Vielzahl von in Kreuzungsbereichen (16) zusammengeführten Steifen (12, 14) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Steifen (12, 14) endseitig voneinander beabstandet sind und über jeweils ein in die Kreuzungsbereiche (16) eingesetztes Kreuzungselement (18) miteinander verbunden sind.