DE102009057009B4

DE102009057009B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung eines schalenförmigen Verbundbauteils

Info

Publication number: DE102009057009B4
Application number: DE102009057009.8A
Authority: DE
Inventors: Paul Jörn; Markus J. Weber; Lars Meyer; Boris Ehrhardt
Original assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2009-12-04
Filing date: 2009-12-04
Publication date: 2015-01-08
Anticipated expiration: 2029-12-05
Also published as: DE102009057009A1

Abstract

Vorrichtung zur Herstellung eines schalenartigen Bauteils (2), insbesondere eine Faserverbundschale eines Flugzeugrumpfes, mit einem Hautfeld (8), das durch eine gitterartige Versteifungsstruktur (10) aus einer Vielzahl von in Kreuzungsbereichen (16) zusammengeführten Spanten (12) und Stringern (14) versteift ist, mit einer Werkzeugform (60) ausgeführt als ein Positivwerkzeug, das den Verlauf der Versteifungsstruktur (10) und einem Fertigungshilfsmittel (48) in Form eines Negativwerkzeugs, das den Verlauf einer Innenfläche (21) des Hautfeldes (8) abbildet und mit einer Vielzahl von Kernen (28) zur Stützung von textilen Halbzeugen (29, 80), die die Spanten und Stringer (12, 14) bilden, dadurch gekennzeichnet, dass die Kerne (28) eine feste Struktur mit jeweils zumindest einer Schrägfläche (26) zur Definition eines sich zwischen benachbarten Kernen (28) von dem Hautfeld (8) weg trichter- bzw. keilförmig öffnenden Zwischenraums (22) aufweisen, wobei das Positivwerkzeug (60) eine Vielzahl an Vorsprüngen (62) zum Einsetzen in die jeweiligen Zwischenräume (22) aufweist, die einen Querschnitt haben, der dem Querschnitt der Zwischenräume (22) entspricht und der Lagesicherung der Kerne (28) dient.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung eines schalenförmigen 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. Zusätzlich erlaubt ein Wickelprozess nur mit erheblichem Aufwand Dickenänderungen in der Außenhaut und in den Versteifungsprofilen in der jeweiligen Wickelrichtung.
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 oder Abweichenden Faservolumengehalten 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.
Weiterer Stand der Technik ist aus der WO 2009/074419 A1 , EP 1 151 850 B1 und der DE 10 2008 013 759 A1 bekannt. Die WO 2009/074419 A1 zeigt die Herstellung eines rohrförmigen Faserverbundbauteils. EP 1 151 850 B1 offenbart die integrale Bildung von Spantclips mit den Stringern. In DE 10 2008 013 759 A1 wird eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung eines Flügels gezeigt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung eines schalenartigen Bauteils zu schaffen, die die vorgenannten Nachteile beseitigen und eine hohe Prozesssicherheit ermöglichen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Schritten des Patentanspruchs 8.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung eines schalenartigen Bauteils, insbesondere eine Faserverbundschale eines Flugzeugrumpfes, mit einem Hautfeld, das durch eine gitterartige Versteifungsstruktur aus einer Vielzahl von in Kreuzungsbereichen zusammengeführten Spanten und Stringern versteift ist, hat eine Werkzeugform, ausgeführt als ein Positivwerkzeug, das den Verlauf der Versteifungsstruktur abbildet, ein als Fertigungshilfsmittel ausgebildetes Negativwerkzeug, das den Verlauf einer Innenfläche des Hautfeldes abbildet, und eine Vielzahl von Kernen zur Stabilisierung der Spanten und Stringer bei deren Herstellung. Erfindungsgemäß haben die Kerne jeweils zumindest eine Schrägfläche zur Definition eines sich zwischen benachbarten Kernen von dem Hautfeld weg trichter- bzw. keilförmig öffnenden Zwischenraums, wobei das Positivwerkzeug eine Vielzahl von in die Zwischenräume einsetzbaren Vorsprüngen zur Lagesicherung der Kerne mit einem Querschnitt aufweist, der dem Querschnitt der Zwischenräume entspricht.
An der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist insbesondere vorteilhaft, dass trotz der schalenartigen Ausbildung des Bauteils Kerne mit einer festen Struktur verwendet werden können, da die Kerne aufgrund ihrer zugewandten Schrägflächen bei Hinterschnitten zwischen den als Steifen ausgebildeten Spanten und Stringer eingesetzt werden können. Die feste Kernstruktur ermöglicht eine genaue Positionierung der zur Ausbildung der Steifen notwendigen textilen Halbzeuge und gewährleistet eine qualitativ hochwertige Bauteiloberfläche. Gleichzeitig wird eine hohe Prozesssicherheit geschaffen, da Fehlpositionierungen oder Verformungen der Kerne bei der Herstellung des Bauteils vermieden werden. Dadurch, dass der Querschnitt der Vorsprünge dem Querschnitt der Zwischenräume entspricht, können die Halbzeuge für die Steifen flächig über ihre gesamte Länge gestützt werden.
Dabei lässt sich der Montageaufwand verringern, wenn die Vorsprünge des Positivwerkzeugs als Sicherungselemente ausgebildet sind.
Die Positionierung der Kerne und Halbzeuge lässt sich vereinfachen, wenn das Negativwerkzeug Zentrierflächen zur Selbstzentrierung der Kerne hat. Hierdurch justieren sich die Kerne selbsttätig auf dem Fertigungshilfsmittel und überführen dabei die Halbzeuge in ihre jeweilige Sollposition.
Bevorzugterweise ist das Negativwerkzeug entsprechend der Innenfläche des Hautfeldes mit einem konkaven Flächenabschnitt versehen, wobei die Kerne zur verbesserten Positionierung auf der Konkavfläche jeweils eine komplementär ausgebildete Konvexfläche aufweisen können.
Zum Ablegen von textilen Flächengebilden zur Ausbildung des Hautfeldes ist es vorteilhaft, wenn die Vorrichtung eine Dreheinrichtung zum Verschwenken des Positivwerkzeugs und des Negativwerkzeugs aufweist.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines schalenartigen Bauteils mit einem Hautfeld, das durch eine gitterartige Versteifungsstruktur aus einer Vielzahl von zusammengeführten Steifen verstärkt ist, wird zuerst eine Montageanordnung durch

– Bereitstellung eines Fertigungshilfsmittels in Form eines Negativwerkzeugs,
– Anordnung von textilen Halbzeugen zur Ausbildung von Steifen über stabilisierende Kerne auf dem Negativwerkzeug.
– Einsetzen von Kreuzungselementen an freien Seiten von Flanschen von Profilen, und
– Abdeckung der Halbzeuge und der Kerne durch ein Positivwerkzeug.

Dann wird die Montageanordnung verschwenkt und auf dem Positivwerkzeug abgelegt. Anschließend wird das Negativwerkzeug durch das Ablegen von textilen Flächengebilden zur Ausbildung des Hautfeldes ersetzt und druckdicht eingepackt. Danach wird die Montageanordnung evakuiert und ausgehärtet bis das Bauteil konsolidiert ist. Abschließend wird das konsolidierte Bauteil entformt.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt durch das Verschwenken der Montaganordnung insbesondere die einfache und bequeme Positionierung der Halbzeuge zur Bildung der Steifen und der Flächengebilde zur Bildung des Hautfeldes.
Bei einem Ausführungsbeispiel weist das Negativwerkzeug eine Vielzahl von Erhebungen als Positionierhilfen für die Kerne auf. Hierdurch wird nach dem Entfernen des Negativwerkzeugs zwischen den Kernen jeweils eine Vertiefung gebildet, in die jeweils zumindest ein Distanzstück zur Ausbildung einer ebenen Ablagefläche für das Flächengebilde eingesetzt wird.
Bei einem Ausführungsbeispiel wird auf die Flächengebilde eine Druckplatte positioniert. Anschließend wird die Montageanordnung zurückgeschwenkt und auf der Druckplatte abgelegt. Dann das Positivwerkzeug durch eine Vakuumfolie ersetzt. Dies hat den Vorteil, dass das Positivwerkzeug zur Herstellung eines weiteren schalenförmigen Bauteils verwendet werden kann.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel wird die Montageanordnung erst nach dem Aushärten des Bauteils zurückgeschwenkt. Zuvor wird jedoch die Druckplatte entfernt und somit das Bauteil direkt auf seinem Hautfeld abgelegt.
Vorzugsweise werden trockene textile Halbzeuge und Flächengebilde zur Ausbildung der Steifen und des Hautfeldes verwendet. Es ist jedoch auch vorstellbar, vorimpregnierte textile Materialien, sogenannte Prepregs, einzusetzen. Bei der Verwendung von trockenen Halbzeugen und Flächengebilden erfolgt die Harzinjektion vorzugsweise im Bereich der Distanzstücke und die Evakuierung an von den Distanzstücken entfernt liegenden Flanschbereichen der auszubildenden Steifen.
Sonstige vorteilhafte Ausführungsbeispiele sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand schematischer Darstellungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Draufsicht auf ein Rumpfschalenelement eines Flugzeugs,
2 einen Querschnitt durch das Schalenelement aus 1,
3 einen erfindungsgemäßen Kern zur Stabilisierung von Steifen,
4 ein erstes Kerndreieck aus einer Vielzahl von Kernen nach 3,
5 ein zweites Kerndreieck aus einer Vielzahl von erfindungsgemäßen Kernen,
6 ein drittes Kerndreieck aus einer Vielzahl von erfindungsgemäßen Kernen,
die 7–21 Verfahrensschritte zur Herstellung der Rumpfschale aus 1,
22 eine Kombination von zwei C-förmigen textilen Halbzeugen zur Ausbildung einer Doppel-T-Steife, und
23 eine Kombination eines C-förmigen textilen Halbzeugs mit einem L-förmigen textilen Halbzeugs zur Herstellung einer Steife.
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 ein Bauteil 2 zur Herstellung einer Rumpfschale eines Verkehrsflugzeugs. Das Bauteil 2 kann zum Beispiel eine Unterschale eines Rumpfes sein, die in Umfangsrichtung 4 mit einer entsprechenden Oberschale und zum Beispiel in Längsrichtung 6 mit einer weiteren Unterschale zum Rumpf verbunden wird. Selbstverständlich kann sich das Bauteil 2 in Längsrichtung 6 auch über die gesamte Rumpflänge erstrecken. Es besteht aus kohlefaserverstärkten Kunststoffen und ist in Umfangsrichtung 4 schalenförmig bzw. gebogen ausgebildet.
Das Bauteil 2 weist ein Hautfeld 8 auf, das durch eine integrale ebenfalls auf kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen basierende Versteifungsstruktur 10 verstärkt ist. Die Versteifungsstruktur 10 besteht aus einer Vielzahl von sich in Umfangsrichtung 4 erstreckenden Spanten 12 und aus einer Vielzahl von zur Längsrichtung 6 angestellten Stringern 14, die in Kreuzungsbereichen 16 zusammengeführt sind, so dass eine Vielzahl von dreiecksförmigen Maschen 17 gebildet ist. Zur Stabilisierung der Kreuzungsbereiche 16 sowie zur Zusammenführung der Spanten 12 und der Stringer 14 sind in den Kreuzungsbereichen 16 nicht dargestellte Kreuzungselemente 18 (vgl. 9 ff.) angeordnet.
Die Spanten 12 verlaufen parallel zueinander und weisen einen nicht gezeigten sich normal zum Hautfeld 8 erstreckenden klingenartigen Flansch auf.
Gemäß der stark vereinfachten Schnittdarstellung entlang der Line A-A aus 1 weisen die Stringer 14a, 14b einen klingenartigen Flansch 20a, 20b auf, der sich quasi radial zu einer in Umfangsrichtung 4 konkav gewölbten Innenfläche 21 des Hautfeldes 8 erstreckt. Hierdurch wird zwischen den Stringern 14a, 14b ein Zwischenraum 22 gebildet, der ausgehend von seinem innenflächennahen Bodenbereich 26 in Richtung seiner Öffnung 24 trichterförmig verjüngt ist. Somit weist der Zwischenraum 22 in Umfangsrichtung 4 betrachtet im Bodenbereich 26 eine größere Erstreckung als im Bereich seiner Öffnung 24 auf. Aufgrund dieses sich in Öffnungsrichtung verengenden Querschnitts wird der Zwischenraum 22 im Folgenden als Hinterschnitt bezeichnet.
3 zeigt eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Kernes 28 zur Stabilisierung eines L-förmigen Profils 29 zur Herstellung eines Stringers 14. Beispielsweise werden zwei L-förmige Profile 29a, 29b zu einem T-artigen Stringer 14 gefügt (vgl. 7 bis 21). Es sind jedoch auch andere Profile vorstellbar (vgl. 22 und 23). Das L-Profil 29 besteht aus einem trockenen drapierten textilen Halbzeug und hat einen klingenartigen Flansch 20 sowie ein sich von dem Flansch 20 einseitig weg erstreckenden Unter- bzw. Fußgurt 30.
Der Kern 28 hat eine feste Struktur, beispielsweise auf Aluminiumbasis, und einen in etwa keilartigen Querschnitt mit einer Stützfläche 32, die eine randseitige Zurückstufung 40 zur Aufnahme des Fußgurtes 30 aufweist und bündig mit diesem abschließt. Bei der Herstellung des Bauteils 2 liegt der Kern 28 mit seiner Stützfläche 32 flächig auf der Innenfläche 21 auf und ist komplementär zu einem den Kern 28 aufnehmenden Innenflächenabschnitt konvex geformt. Die Zurückstufung 40 erstreckt sich in eine Seitenfläche 34 zur Stabilisierung des Flansches 20, die in eine abgewinkelte Gegenfläche 35 übergeht. Die Gegenfläche 35 verläuft in etwa parallel zur Stützfläche 32 und mündet in eine sich in Richtung der Stützfläche 32 erstreckende Schrägfläche 36, die über eine angewinkelte Justierfläche 38 in die Stützfläche 34 mündet. Darüber hinaus hat der Kern 28 zwei Stirnflächen 42a, 42b, die derart zueinander angestellt sind, dass die Stützfläche 32 und die Gegenfläche 35 trapezförmig ausgebildet sind und die Justierfläche 38 in Längsrichtung des Kernes 28 eine geringere Erstreckung als die Seitenfläche 34 hat.
4 zeigt ein Kerndreieck 44, das aus den drei Kernen 28a, 28b, 28c nach 3 gebildet ist und jeweils eine der Maschen 17 der Versteifungsstruktur 12 abbildet. Die Kerne 28a, 28b, 28c befinden sich mit ihren Seitenflächen 34 flächig in Anlage mit den hier nicht gezeigten Flanschen 20 der Spanten 12 und Stringer 14 (vgl. 2) und liegen dabei flächig mit ihren Stützflächen 32 auf dem Hautfeld 8 auf. Jeweils zwei Kerne 28a, 28b, 28c berühren sich stirnseitig mit ihren Stirnflächen 42a, 42b und bilden endseitig eine Maschenecke 39.
5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Kerndreiecks 45, das ebenfalls aus drei Kernen 28a, 28b, 28c mit gleicher Geometrie zusammengesetzt ist. Im Gegensatz zum vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel nach 4 liegen die Kerne 28a, 28b, 28c nach 5 mit ihrer einen Stirnfläche 42a an einem Endabschnitt der Schrägfläche 36 des angrenzenden Kerns 28a, 28b, 28c an und mit ihrer entgegensetzten Stirnfläche 42b an den hier nicht gezeigten Flanschen 20 der Spanten 12 und Stringer 14 (vgl. 2). Somit tauchen bei diesem Ausführungsbeispiel die Kerne 28a, 28b, 28c nur einzeln in die Maschenecken 39 ein.
6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Kerndreieckes 47, bei dem Kerne 28a, 28b, 28c mit gleicher Geometrie einzeln in die Maschenecken 39 eintauchen. Bei dieser Variante sind die Kerne 28a, 28b, 28c jeweils als ein gleichschenkeliges dreieckiges Segment ausgebildet. Das Segment hat jeweils zwei gleichlange Seitenflächen 34a, 34b zur Anlage an den hier nicht gezeigten Flanschen 20 der Spanten 12 und Stringer 14 (vgl. 2) und eine freie Grundfläche 51, die beidseits über die erfindungsgemäßen Schrägflächen 36a, 36b in die Seitenflächen 34a, 34b übergehen. Die Kerne 28a, 28b, 28c befinden sich über die Schrägflächen 36a, 36b in Kontakt miteinander, wobei die Grundflächen 51 einen dreieckigen Freiraum 53 zwischen den Segmenten begrenzen, in den zum Beispiel ein Werkzeug zur Entnahme der Segmente aus den Maschen 17 nach Aushärtung des Bauteils 2 einführbar ist.
Das Kerndreieck 44 nach 4 kann nur zur Herstellung von schalenartigen Bauteilen 2 verwendet werden, die nur in eine Richtung gewölbt sind und deren jeweilige Versteifungsstruktur 10 Steifen 12 aufweist, die sich parallel entlang der Wölbungsrichtung erstrecken und einen klingenartigen Flansch 20 mit einem freien Kopfabschnitt ohne die Ausbildung von zum Beispiel Obergurten haben, da diese Steifen 12 in ihrer Erstreckungsrichtung nicht zueinander angestellt sind und somit keine Hinterschnitte 22 mit den in die gleiche Richtung verlaufenden Steifen 12 bilden (s. 1, Spanten 12). Dies liegt darin begründet, dass bei dem Kerndreieck 44 jeweils zwei Kerne 28a, 28b, 28c in ein Maschendreieck 39 eintauchen und sich die Kerne 28a, 28b, 28c somit beim Einsetzen bzw. beim Entfernen aus mehrfach ausgebildeten Hinterschnitten gegenseitig blockieren.
Die Kerndreiecke 45, 47 nach den 5 und 6 können jedoch auch bei doppelt gekrümmten sphärischen Bauteilen 2 bzw. Versteifungsstrukturen 10 und somit bei mehrfach ausgebildeten Hinterschnitten eingesetzt werden, da bei diesen Kerndreiecken 45, 47 nur ein Kern 28a, 28b, 28c bzw. Segment in ein Maschendreieck 39 eintaucht und sich die Kerne 28a, 28b, 28c somit in den Maschendreiecken 39 beim Einsetzen bzw. beim Entfernen aus den Hinterschnitten nicht gegenseitig blockieren.
Selbst wenn das Bauteil 2 wie in 2 gezeigt nur eine Wölbung in eine Richtung aufweist, wird es bei der Herstellung dieser Steifen 14 aus zwei Profilen 29 favorisiert, die Kerndreiecke 44 nur zur Stützung eines der Profile 29a zu verwenden und das andere Profil 29b über eines der beiden alternativen Kerndreiecke 45, 47 zu stabilisieren.
Im Folgenden wird ein erfindungsgemäßes Verfahren zur integralen Herstellung eines Bauteils 2 mit einem Hautfeld 8 und einer Versteifungsstruktur 10 in einem Schuss erläutert. Die 7 bis 21 bzw. 23 zeigen einen Schnitt entlang der Linie A-A aus 1, wobei zur Vereinfachung die Wölbung in Umfangsrichtung 4 nicht dargestellt ist. Zur weiteren Vereinfachung wird nicht auf die unterschiedlichen Kerndreiecke 44, 45, 47 eingegangen, sondern allgemeingültig von Kernen 28 gesprochen. Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich in drei Verfahrensphasen unterteilen: Bildung einer Montageanordnung (7 bis 16), Infiltration und Aushärtung (nicht durch Figuren gezeigt) und Entformen (17 bis 21).
Gemäß 7 wird zu Beginn der Verfahrensphase „Bildung einer Montageanordnung” zuerst ein Fertigungshilfsmittel 48 in Form eines Negativwerkzeugs mit einem Flächenabschnitt 11 bereitgestellt, der den Verlauf der Innenfläche 21 des Hautfeldes 8 abbildet. Der Flächenabschnitt 11 weist eine Vielzahl von Erhebungen 49 auf, die den Verlauf der Versteifungsstruktur 10 abbilden. Die Erhebungen 49 bilden jeweils eine Vielzahl von Vertiefungen 50a, 50b und haben zwei seitliche Zentrierflächen 52a, 52b, die über eine Kopffläche 55 miteinander verbunden sind. Die Zentrierflächen 52a, 52b sind derart zueinander angestellt, dass die Vertiefungen 50a, 50b trichterförmig geöffnet sind.
Dann werden gemäß 8 L-förmige Profile 29 zur Ausbildung jeweils einer Stringerhälfte über ihre Kerne 28 in den Vertiefungen 50 derart positioniert, dass sich die Profile 29a mit ihren Fußgurten 30 in Anlage mit dem Fertigungshilfsmittel 48 befinden und sich die Kerne 28a über ihre Stützfläche 32 auf dem Fertigungshilfsmittel 48 abstützen. Zur Positionierung der Kerne 28a und der Profile 29 in Umfangsrichtung 4 werden die Kerne 28a mit ihrer Justierfläche 38 in Anlage mit jeweils der ihr zugewandten Zentrierfläche 52 gebracht.
Anschließend wird gemäß 9 jeweils ein Kreuzungselement 18 an der freien Seite der Flansche 20 der Profile 29a positioniert. Die Kreuzungselemente 18 haben eine sternförmige Gestalt mit klingenartigen, nicht näher bezeichneten Armen.
Nach der Positionierung der Kreuzungselemente 18 werden, wie in 10 gezeigt, L-Profile 29b zur Ausbildung der zweiten Stringerhälften über entsprechende Kerne 28b mit ihren Fußgurten 30 in den Vertiefungen 50 positioniert und stabilisiert, wobei die Zentrierung des L-Profils 29b in den Vertiefungen 50 wieder selbsttätig über die Anlage der Justierflächen 38 an den Zentrierflächen 52 erfolgt. Somit ist jeweils eine Profil-Kern-Anordnung 57a, 57b zur Bildung jeweils einer T-förmigen Steife 14 gebildet. Zwischen zwei benachbarten Kernen 28a, 28b bildet sich jeweils ein Zwischenraum 54 aus, der ausgehend von seinem Bodenbereich 56 in Richtung seiner Öffnung 58 trichterförmig erweitert ist. Diese erfindungsgemäße sich trichterförmig öffnende Ausbildung des Zwischenraums 54 ermöglicht es, die Kerne 28 zerstörungsfrei nach Aushärtung des Bauteils 2 von den Steifen 14 zu entfernen.
Anschließend wird gemäß 11 ein Positivwerkzeug 60 auf dem Fertigungshilfsmittel 48 abgelegt, so dass die Profil-Kern-Anordnungen 57a, 57b zwischen dem Fertigungshilfsmittel 48 und dem Positivwerkzeug 60 eingeschlossen sind. Das Positivwerkzeug 60 bildet den Verlauf der Versteifungsstruktur 10 ab und hat eine Vielzahl von Vorsprüngen 62, die Vertiefungen 64 zur Aufnahme der Profil-Kern-Anordnungen 57a, 57b definieren. Die Vorsprünge 62 liegen mit einer Werkzeugfläche 66 jeweils flächig auf der Kopffläche 55 auf und weisen jeweils zwei voneinander abgewandte Winkelflächen 68a, 68b zur Anlage an den Schrägflächen 36a, 36b der Kerne 28a, 28b auf. Darüber hinaus haben die Vertiefungen 64 eine Grundfläche 70, mittels der sie jeweils flächig auf den Gegenflächen 35 der Profil-Kern-Anordnungen 57a, 57b aufliegen. Somit sind die Profil-Kern-Anordnungen 57a, 57b vollumfänglich und sicher zwischen dem Fertigungshilfsmittel 48 und dem Positivwerkzeug 60 eingespannt.
Nach der Positionierung des Positivwerkzeugs 60 ist eine Montaganordnung geschaffen, die es wie in 12 gezeigt erlaubt, um 180° gewendet und auf einer Außenfläche 71 des Positivwerkzeugs 60 abgelegt zu werden, ohne dass Fehlpositionierungen der Steifen 14a, 14b zu befürchten sind. Nach dem Wenden ist das Fertigungshilfsmittel 48 oberhalb des Positivwerkzeugs 60 angeordnet bzw. liegt auf diesem auf.
Nun wird, wie in 13 gezeigt, das Fertigungshilfsmittel 48 entfernt, wodurch die L-Profile 29, im Bereich ihrer Fußgurte 30 zugänglich gemacht werden und eine Vielzahl von Vertiefungen 72 zwischen sich gegenüberliegenden Justierflächen 38a, 38b der Kerne 28a, 28b geschaffen werden.
Gemäß 14 werden zur Einebnung der Vertiefungen 72 bzw. zur Schaffung einer stufenlosen Ebene 74 mit den Fußgurten 30 und den Stützflächen 32 der Kerne 28 in die Vertiefungen 72 Distanzelemente 76 eingesetzt, deren Querschnitt dem trapezartigen Querschnitt der Vertiefungen 72 entspricht.
Dann wird gemäß 15 ein textiles Halbzeug 77 bzw. Flächengebilde auf den Profil-Kern-Anordnungen 57 und somit unmittelbar auf den Fußgurten 30 der L-Profile 29 zur Bildung des Hautfeldes 8 in der Ebene 74 abgelegt. Das Ablegen der Flächengebilde 77 kann über eine Tapelegeeinrichtung auch voll automatisiert erfolgen.
Abschließend wird, wie in 16 gezeigt, auf den Flächengebilden 77 eine Druckplatte 78 positioniert und somit eine Montageanordnung geschaffen, die der zweiten Verfahrensphase „Infiltration und Aushärtung” zugeführt werden kann.
Hierzu wird die Montageanordnung entsprechend eingepackt, evakuiert, mit einem Harzsystem infiltriert und anschließend einer Aushärtung unterzogen. Das Harzsystem wird vorzugsweise im Bereich der Distanzelemente 76 injiziert. Entsprechend erfolgt die Evakuierung der Montageanordnung vorzugsweise an einem von den Distanzelementen 76 entfernt liegenden freien Flanschbereich 79 der Profile 29 (vgl. 16).
Nach der Aushärtung wird die dritte Verfahrensphase „Entformen” eingeleitet. Die Montageanordnung wird ausgepackt, wobei gemäß 17 auch die Druckplatte entfernt wird, so dass das das nun ausgehärtete Hautfeld 8 frei zugänglich ist.
Anschließend wird, wie in 18 gezeigt, die Montageanordnung gewendet und auf dem Hautfeld 8 abgelegt. Dann werden das Positivwerkzeug 60 (18, 19), die Kerne 28 (19, 20) sowie die Distanzelemente 76 entfernt (20, 21). Nach dem Entfernen der Distanzelemente 76 ist das Bauteil 2 mit seinem Hautfeld 8 und seinen Steifen 14a, 14b freigelegt bzw. vollständig entformt und kann zum Beispiel einer mechanischen Nachbearbeitung und bzw. oder Qualitätskontrolle zugeführt werden.
22 zeigt einen Schnitt durch eine Anordnung zur Ausbildung von Doppel-T-förmigen Steifen 14. Diese werden durch jeweils zwei C-förmige Profile 80a, 80b gebildet, die über das Kreuzungselement 18 voneinander beabstandet sind. Zur Stabilisierung bzw. zur Verstärkung der Stringer 14 ist auf einseitig ausgebildeten Obergurten 82a, 82b eine textile Materiallage 84 aufgebracht. Zur Aufnahme der Obergurte 82a, 82b bei der Herstellung weisen die Kerne 28a, 28b entfernt von ihrer jeweiligen fußgurtseitigen Zurückstufung 40a, 40b eine zweite Zurückstufung 86a, 86b auf, deren Querschnitt dem Querschnitt der Obergurte 82a, 82b entspricht.
23 zeigt eine Anordnung zur Ausbildung von Steifen 14, die aus einem C-Profil 80 und einem L-Profil 29 gebildet werden. Zusätzlich weisen die Steifen 14 eine Materiallage 84 auf, die sich von dem L-Profil 29 über das Kreuzungselement 18 auf den Obergurt 82 des C-Profils 80 erstreckt. Die Stabilisierung des C-Profils 80 erfolgt über den in 22 beschriebenen Kern 28 mit der zusätzlichen Zurückstufung 86.
Die Profile 80 gemäß den 22 und 23 lassen sich aufgrund der zusätzlichen Hinterschnitte 22 durch die Obergurte 82 nur über die Kerndreiecke 45, 47 nach den 5 und 6 stützen.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des vorbeschriebenen Verfahrens weist zumindest das Werkzeug 60 mit den integrierten Vorsprüngen bzw. Sicherungselementen 62, die Kerne 28 mit einer festen Struktur, jeweils einer Schrägfläche 36 und vorzugsweise Justierflächen 38, das Fertigungshilfsmittel 48 mit einem konkaven Flächenabschnitt 11 und vorzugsweise Zentrierflächen 52 zur Positionierung der Kerne 28, die Druckplatte 78 und eine Dreheinrichtung zum Verschwenken und Ablegen der Montageanordnung auf dem Werkzeug 60 auf. Darüber hinaus sind der Vorrichtung entsprechende ergänzende Einrichtungen zum Verpacken, Evakuieren und Infiltrieren zugeordnet.
Offenbart ist eine Vorrichtung zur Herstellung eines schalenartigen Faserverbundbauteils 2, das über eine integrale Versteifungsstruktur 10 versteift ist, mit festen Kernen 28 zur Stabilisierung der Versteifungsstruktur 10 bei der Herstellung des Bauteils 2, die Schrägflächen 36 zur Bildung eines trichterförmig geöffneten Zwischenraumes 22 definieren, sowie mit Vorsprüngen 62 zur Lagesicherung der Kerne 28, und ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Bauteils 2, bei dem vor der Ablage von Flächengebilden 77 zur Bildung des Hautfeldes 8 zuvor positionierte Versteifungsstrukturprofile 29, 80 gewendet werden.
Bezugszeichenliste

2: Bauteil
4: Umfangsrichtung
6: Längsrichtung
8: Hautfeld
10: Versteifungsstruktur
11: Flächenabschnitt
12: Spant
14: Stringer
16: Kreuzungsbereich
17: Masche
18: Kreuzungselemente
20: Flansch
21: Innenfläche
22: Zwischenraum/Hinterschnitt
24: Bodenbereich
26: Öffnung
28: Kern
29: L-Profil
30: Untergurt/Fußgurt
32: Stützfläche
34: Seitenfläche
35: Gegenfläche
36: Schrägfläche
38: Justierfläche
39: Maschenecke
40: Zurückstufung
42: Stirnfläche
44: Kerndreieck
45: Kerndreieck
46: Eckbereich
47: Kerndreieck
48: Fertigungshilfsmittel
49: Erhebung
50: Vertiefung
51: Grundfläche
52: Zentrierfläche
53: Freiraum
54: Zwischenraum
55: Kopffläche
56: Bodenbereich
57: Profil-Kern-Anordnung
58: Öffnung
60: Positivwerkzeug
62: Vorsprung
64: Vertiefung
66: Werkzeugfläche
68: Winkelfläche
70: Grundfläche
71: Außenfläche
72: Vertiefung
74: Ebene
76: Distanzelemente
77: Flächengebilde
78: Druckplatte
79: freier Flanschbereich
80: C-Profil
82: Obergurt
84: Materiallage
86: Zurückstufung

Claims

Vorrichtung zur Herstellung eines schalenartigen Bauteils (2), insbesondere eine Faserverbundschale eines Flugzeugrumpfes, mit einem Hautfeld (8), das durch eine gitterartige Versteifungsstruktur (10) aus einer Vielzahl von in Kreuzungsbereichen (16) zusammengeführten Spanten (12) und Stringern (14) versteift ist, mit einer Werkzeugform (60) ausgeführt als ein Positivwerkzeug, das den Verlauf der Versteifungsstruktur (10) und einem Fertigungshilfsmittel (48) in Form eines Negativwerkzeugs, das den Verlauf einer Innenfläche (21) des Hautfeldes (8) abbildet und mit einer Vielzahl von Kernen (28) zur Stützung von textilen Halbzeugen (29, 80), die die Spanten und Stringer (12, 14) bilden, dadurch gekennzeichnet, dass die Kerne (28) eine feste Struktur mit jeweils zumindest einer Schrägfläche (26) zur Definition eines sich zwischen benachbarten Kernen (28) von dem Hautfeld (8) weg trichter- bzw. keilförmig öffnenden Zwischenraums (22) aufweisen, wobei das Positivwerkzeug (60) eine Vielzahl an Vorsprüngen (62) zum Einsetzen in die jeweiligen Zwischenräume (22) aufweist, die einen Querschnitt haben, der dem Querschnitt der Zwischenräume (22) entspricht und der Lagesicherung der Kerne (28) dient.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die ausgebildeten Vorsprünge (62) des Positivwerkzeugs (60) als Sicherungselemente dienen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Negativwerkzeug (48) zur Positionierung der Halbzeuge (29, 80) und der Kerne (28) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei das Negativwerkzeug (48) Zentrierflächen (52) zur Selbstzentrierung der Kerne (28) hat.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, wobei das Negativwerkzeug im Wesentlichen entsprechend der Innenfläche (21) des Hautfeldes (8) mit einem konkaven Flächenabschnitt (11) versehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Kerne (28) jeweils eine Konvexfläche (32) aufweisen, die komplementär zum jeweiligen Flächenabschnitt (11) des Negativwerkzeugs (48) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Dreheinrichtung zum Verschwenken des Positivwerkzeugs (60) und des Negativwerkzeugs (48) vorgesehen ist.
Verfahren zur Herstellung eines schalenartigen Bauteils (2) mit einem Hautfeld (8), das durch eine gitterartige Versteifungsstruktur (10) aus einer Vielzahl von in Kreuzungsbereichen (16) zusammengeführten Steifen, die als Spanten (12) und Stringer (14) ausgeführt sind, versteift ist, mit den Schritten: – Bilden einer Montageanordnung durch – Bereitstellen eines Fertigungshilfsmittels in Form eines Negativwerkzeugs (48), – Anordnen von textilen Halbzeugen (29, 80) mittels Kernen (28) mit einer festen Struktur auf dem Negativwerkzeug (48), wobei jeweils zwischen benachbarten Kernen (28) ein von dem Hautfeld (8) weg sich trichter- bzw. keilförmig öffnender Zwischenraum (22) gebildet wird, – Einsetzen von Kreuzungselementen (18) an freien Seiten von Flanschen (20) von Profilen (29), – Abdecken der Halbzeuge (29, 80) und der Kerne (28) durch ein Positivwerkzeug (60), sodass Vorsprünge (62) passgenau in Zwischenräume (54) zwecks Lagesicherung der Kerne (28) eintauchen. – Verschwenken und Ablegen der Montageanordnung auf dem Positivwerkzeug (60), – Ersetzen des Negativwerkzeugs (48) durch Ablegen von textilen Faserflächengebilden (77) zur Bildung des Hautfeldes (8), – Druckdichtes Einpacken der Montageanordnung, – Evakuieren und Aushärten des Bauteils (2), – Entformen des Bauteils (2).
Verfahren nach Anspruch 8, wobei vor dem Ablegen der Faserflächengebilde (77) Distanzelemente (76) zur Bildung einer ebenen Ablagefläche (74) zwischen den Kernen (28) positioniert werden.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei vor dem druckdichten Einpacken die folgenden Schritte durchgeführt werden: – Ablegen einer Druckplatte (78) auf den Flächengebilden (77), – Verschwenken der Montageanordnung und Ablegen der Montageanordnung auf der Druckplatte (78), und – Ersetzen des Positivwerkzeugs (60) durch eine Vakuumfolie.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei nach dem Aushärten die Schritte folgen: – Auspacken der Montageanordnung, – Entfernen der Druckplatte (78), und – Verschwenken der Montageanordnung und Ablage auf dem Hautfeld (8).
Verfahren nach Anspruch 11, wobei ein Harzsystem im Bereich der Distanzelemente (76) injiziert wird und die Evakuierung an einem von den Distanzelementen (76) entfernt liegenden freien Flanschbereich (79) erfolgt.