DE102010035493A1

DE102010035493A1 - Verfahren sowie Herstellvorrichtung zur Herstellung eines Faserverbund-Sandwichbauteils

Info

Publication number: DE102010035493A1
Application number: DE102010035493A
Authority: DE
Inventors: Ichwan Zuardy; Pierre Zahlen; Karim Grase; Claudio B. Vultaggio; Axel Siegfried Herrmann
Original assignee: Airbus Operations GmbH; Faserinstitut Bremen eV
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2010-08-26
Filing date: 2010-08-26
Publication date: 2012-03-01
Also published as: EP2608948A2; WO2012025241A3; WO2012025241A2; US9481116B2; EP2608948B1; US20130234373A1

Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren sowie eine Herstellvorrichtung zur Herstellung eines Sandwich-Bauteils. Dabei wird eine Halbzeug-Anordnung, insbesondere mittels eines Infusionsverfahrens, mit einem fließfähigen Matrixmaterial, beispielsweise einem Harz, getränkt. Unter Verwendung der erfindungsgemäßen Verfahren werden dabei durch das jeweilige Verfahren eingebrachte und in dem herzustellenden Sandwich-Bauteil verbleibende Zugeigenspannungen reduziert und darüber hinaus das Risiko der Rissbildung im Laufe des Verfahrens, danach und im Betrieb des Sandwich-Bauteils minimiert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Herstellvorrichtung zur Herstellung eines Faserverbund-Sandwich-Bauteils sowie eine entsprechende Herstellvorrichtung.
Verfahren und Vorrichtungen zur Herstellung von Bauteilen mittels Tränken mit einem fließfähigen Matrixmaterial sind grundsätzlich bekannt. Sie werden beispielsweise dafür verwendet, monolithische Bauteile, also beispielsweise trockene Faserverbundhalbzeuge, sogenannte Preforms mit einem Matrixmaterial, beispielsweise Harz, zu tränken. Ein derartiges Verfahren ist zum Beispiel als sogenanntes Resin-Film-Infusion (RFI) Verfahren bekannt. Hierbei werden beispielsweise trockene Kohlefasern (CFK), CFK-Gewebe oder CFK-Gelege in eine Aushärtevorrichtung eingelegt und von außen mit einer definierten, nichtflüssigen Harzfilmmenge belegt. Unter Einwirkung von Druck und Temperatur verflüssigt sich das entsprechende Harzgelege und tränkt die vorher aufgelegten Kohlefasern, beziehungsweise das Gewebe oder Gelege.
Dieses bekannte Verfahren wurde bereits weitergebildet, indem zum Tränken der Gewebe oder Gelege flüssiges Harz verwendet wurde. Neben Injektionsverfahren für das Harz, die mit sehr hohen Drücken, insbesondere mit Injektionsdrücken von größer 6 bar arbeiten müssen, ist zur Herstellung von Bauteilen mittels fließfähigem Matrixmaterial bereits ein sogenanntes „Infusionsverfahren” in unterschiedlichen Ausgestaltungsformen bekannt. Solche Infusionsverfahren sind beispielsweise unter den Begriffen VARTM (Vacuum Assisted Resin Transfer Molding), MVI (Modivied Vacuum Infusion), SCRIMP (Seemans Composite Resin Infusion Molding Process), CAPRI (Controlled Atmospheric Pressure Resin Infusion Process) oder VAP (Vacuum Assisted Process) bekannt. All diesen Verfahren ist gemeinsam, dass ein trockenes Halbzeuggelege oder -gewebe, beispielsweise ein Gewebe aus CFK in ein offenes Werkzeug eingelegt wird und mit einer Fließhilfe und eventuell darüber einer semipermeablen Membran bzw. Folie abgedeckt wird. Diese Membran ist semipermeabel, also gasdurchlässig, aber undurchlässig für Matrixmaterial. Darüber ist eine weitere Folie gespannt, welche zusätzlich zur Undurchlässigkeit für Matrixmaterial auch gasundurchlässig ist. Zwischen diesen beiden Folien kann Vakuum angelegt werden, so dass Matrixmaterial, welches in den Innenraum, insbesondere in die Fließhilfe, infusioniert wird, durch das ebenfalls im Innenraum befindliche Gelege beziehungsweise Gewebe hindurch gezogen wird, und dieses damit quer zu der Hauptflußrichtung tränkt. Das Infusionsverfahren hat grundsätzlich den Vorteil, dass ausschließlich mit Unterdruck gearbeitet werden muss, so dass teure und konstruktiv aufwendige Werkzeuge, die einem Überdruck standhalten müssen, welcher beispielsweise bei dem vorher verwendeten Injektionsverfahren notwendig war, vermieden werden können.
Im Rahmen der Entwicklung von Bauteilen, insbesondere hauptlast-tagenden Bauteilen beispielsweise im Luftfahrzeugbau, ist es inzwischen erwünscht zum Gewichtsersparnis doppelschalige Struktur- bzw. Sandwich-Bauteile herzustellen. Diese sollen eine Sandwichstruktur aufweisen, wobei eine obere und eine untere Hautschicht aus einem Halbzeuggelege in Form von trockenen Gelegen, beispielsweise CFK-Gelegen oder Geweben durch deren Tränken mit einem fließfähigen Matrixmaterial gebildet werden. Dazwischen, sozusagen als Kern der Sandwichstruktur, soll ein Schaumkern aus einer vorher eingelegten Kernschicht ausgebildet werden. Die Verbindung der einzelnen Schichten miteinander erfolgt dabei ebenfalls über ein fließfähiges Matrixmaterial, nämlich mittels Verbindungschichten, die sich beim Aushärten des Matrixmaterials ausbilden. Um derartige Sandwichstrukturen hinsichtlich der Aufnahme von Lasten und Schadenstoleranzfähigkeit noch weiter zu verbessern, wird auch versucht, die Kernschicht und/oder die einzelnen Hautschichten mit Verstärkungsvorrichtungen zu verstärken. Diese sind beispielsweise stiftartige Verstärkungen, die sich mindestens durch die Kernschicht erstrecken.
Bei der Herstellung von Sandwich-Bauteilen mittels der bekannten Infusionsverfahren hat sich jedoch herausgestellt, dass bei Belastung derartig hergestellter Sandwich-Bauteile Risse in der Kernschicht entstehen und zum Schadensfall eines solchen Sandwich-Bauteils führen. Auch wurden bereits direkt nach dem Herstellprozess im Schnitt durch das Sandwich-Bauteil Materialveränderungen und Risse, bzw. Haarrisse gefunden. Eine solch erhöhte Rissanfälligkeit ist für Sandwich-Bauteile in deren Einsatz, insbesondere im Bereich der Luftfahrtindustrie, nicht akzeptabel. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass die Verstärkungsvorrichtungen, also beispielsweise die Pins, durch Knickungen teilweise während des Herstellungsverfahrens in Mitleidenschaft gezogen werden, so dass sich auch die Verstärkungseigenschaften der Sandwich-Bauteile negativ veränderten.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend erläuterten Nachteile zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit dem auf zuverlässige und wirtschaftliche Weise ein schadensfreies Sandwich-Bauteil herstellbar ist. Dabei soll es insbesondere möglich sein, die Eigenspannungen des Sandwich-Bauteils zu reduzieren.
Weiterhin ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit dem ein Sandwich-Bauteil hergestellt werden kann, das je nach dem vorgesehenen Anwendungsfall eigenspannungsfrei ist oder dessen Eigenspannungen auf den jeweiligen Anwendungsfall eingestellt werden können.
Weiterhin ist die Aufgabe der Erfindung, eine Herstellvorrichtung zur Herstellung eines Sandwich-Bauteils nach einem erfindungsgemäßen Verfahren bereitzustellen.
Die voranstehenden Aufgaben werden gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche 1 oder 4 sowie durch eine Herstellvorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 13. Weitere Ausführungsformen ergeben sich insbesondere aus den auf die jeweiligen unabhängigen Ansprüche rückbezogenen Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß wird eine Halbzeug-Anordnung, insbesondere mittels eines Infusionsverfahrens, mit einem fließfähigen Matrixmaterial, beispielsweise einem Harz, getränkt. Unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden dabei durch das Verfahren eingebrachte und in dem herzustellenden Sandwich-Bauteils verbleibende Zugeigenspannungen reduziert und darüber hinaus das Risiko der Rissbildung im Laufe des Verfahrens, danach und im Betrieb des Sandwich-Bauteils minimiert. Durch die erfindungsgemäßen Lösungen wird die Einfachheit des Infusionsverfahrens zur Herstellung eines Sandwich-Bauteils für Sandwich-Strukturen einsetzbar gemacht, ohne dass Beeinträchtigungen in Form von erhöhter Risswahrscheinlichkeit bzw. Rissbildung oder Knickungen von gegebenenfalls in dem Sandwich-Bauteil eingebrachten Verstärkungsvorrichtungen eintreten.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines schadensfreien Sandwich-Bauteils weist dabei die folgenden Schritte auf:

• Einlegen einer Halbzeug-Anordnung aus zwei Lagen von jeweils zumindest einem trockenen Halbzeuggelege und einer zwischen diesen gelegenen Kernschicht, insbesondere aus Hartschaum, als Ausgangsmaterialien des Sandwich-Bauteils in eine Werkzeugvorrichtung,
• in einer ersten Erwärmungsphase Erwärmen der Halbzeug-Anordnung auf eine Infusionstemperatur,
• Einbringen eines fließfähigen Matrixmaterials in die Halbzeug-Anordnung,
• in einer zweiten Erwärmungsphase stufenweise Temperaturerhöhung der Halbzeug-Anordnung in Teilschritten, so dass jeder Teilschritt einen Temperatur-Erhöhungsabschnitt und einen Temperatur-Halteabschnitt aufweist, um einen Temperaturausgleich innerhalb der Halbzeug-Anordnung zu erreichen,
• zumindest teilweises Aushärten des eingebrachten Matrixmaterials vor, während und/oder nach der zweiten Erwärmungsphase zur Bildung der Hautschichten und eines Verbindungsbereichs zur zumindest abschnittsweise flächigen Verbindung von der Kernschicht und den Hautschichten,
• Abkühlen der Halbzeug-Anordnung auf Raumtemperatur.

Das mit diesem Verfahren hergestellte schadensfreie Sandwich-Bauteil ist ein Bauteil hoher Qualität. Durch den erfindungsgemäß vorgesehenen stufenförmigen Temperaturverlauf entstehen insbesondere keine temporären Zugeigenspannungen während des Prozesses, wie Eigenspannungen zwischen dem Schaumkern und der aus den trockenen Halbzeuggelegen gebildeten Außenhäuten oder Deckschichten.
Durch das voranstehende Verfahren, welches im folgenden auch als „Quasistationäres-Temperatur-Verfahren” bezeichnet wird, kann eine Sandwichstruktur für die Herstellung eines Sandwich-Bauteils verwendet werden, und gleichzeitig die Wahrscheinlichkeit der Rissbildung bzw. die Ausbildung von Zugeigenspannungen, die zu Überstreckungen bzw. Materialdegradation führen können, insbesondere in dem durch die Kernschicht gebildeten Schaumkern des Sandwich-Bauteils auf ein Minimum reduziert werden. Insbesondere ist dadurch auf zuverlässige Weise ein schadensfreies Sandwich-Bauteil mit reduzierten Zug-Eigenspannungen herstellbar. Dies wird dadurch gewährleistet, dass insbesondere während der zweiten Erwärmungsphase, also nach dem Einbringen des fließfähigen Matrixmaterials, die Temperatur stufenweise und nicht kontinuierlich erhöht wird. Jeder Teilschritt dieser stufenweisen Temperaturerhöhung weist einen Temperatur-Erhöhungsabschnitt und einen Temperatur-Halteabschnitt auf, wobei der Temperatur-Erhöhungsschritt beispielsweise eine Temperaturerhöhung um 5°C in ca. 2 Minuten und der Temperaturhalteschritt beispielsweise eine Haltezeit von 15 Minuten sein kann. Auf diese Weise wird ein Temperaturausgleich, insbesondere in der Kernschicht, bzw. dem durch die Kernschicht gebildeten Schaumkern erzielt. Unter einem „Temperaturausgleich” ist dabei zu verstehen, dass über das betrachtete Volumen eine im Wesentlichen gleichmäßige Temperatur vorherrscht. Insbesondere sind Bereiche vermieden, die einen besonders großen Temperaturunterschied zu benachbarten Bereichen aufweisen. Mit anderen Worten sind über den Verlauf des betrachteten Volumens keine oder nur sehr geringe Temperaturgradienten vorhanden. Dies wird durch die stufenweise Erwärmung erzielt, da nach jedem Erwärmungsschritt Zeit für die Verteilung der eingebrachten Wärmemenge gegeben wird, so dass sich keine großen Temperaturgradienten ausbilden können. Idealerweise korrelieren die Aufheizzeit und der Temperatursprung daher mit der nachfolgenden Haltezeit für die erreichte Temperatur. Je größer der Aufheizschritt ist und/oder je größer der Wärmeleitwiderstand des betrachteten Volumens ist, desto länger muss der entsprechende Halteschritt, also die Haltezeit gewählt sein.
Dabei kann das voranstehend beschriebene erfindungsgemäße Verfahren auch auf Injektionsverfahren angewendet werden, also Verfahren, die das fließfähige Matrixmaterial unter Druck in die Halbzeug-Anordnung injizieren. Vorteilhafterweise, besonders bei großflächigen Sandwichbauteilen, werden jedoch auch hier Infusionsverfahren verwendet, um den Kostenaufwand für die Erzeugung des ansonsten benötigten Überdrucks und den damit einhergehenden konstruktiven Aufwand der Werkzeugvorrichtung zu begrenzen.
Durch die Vermeidung von großen Temperaturgradienten im Inneren des betrachteten Volumens, insbesondere in dem durch die Kernschicht gebildeten Schaumkern des Sandwich-Bauteils, werden entsprechende durch die unterschiedliche Temperatur hervorgerufene Zugeigenspannungen reduziert. Dabei ist für die Ursache von Rissen unerheblich, ob die Zugeigenspannung nur temporär, also während des Verfahrens vorliegt, oder generell durch das Verfahren in dem Sandwich-Bauteil eingebracht ist und dort verbleibt. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird gewährleistet, dass zumindest die ansonsten durch Temperaturgradienten im betrachteten Volumen erzeugten Zugeigenspannungen und die daraus resultierenden Risse, die sich durch Verschlechterung der Materialkennwerte und die Überstreckung des Materials, insbesondere des durch die Kernschicht gebildeten Schaumkerns ergeben, reduziert werden. Ein erfindungsgemäß hergestelltes Sandwich-Bauteil ist daher mit höherer Wahrscheinlichkeit riss- bzw. schadensfrei, wodurch nicht nur der Ausschuss des Verfahrens reduziert wird, sondern auch der Betrieb des auf diese Weise hergestellten Sandwich-Bauteils sicherer wird.
Bei einem erfindungsgemäßen Quasistationär-Temperatur-Verfahren erfolgt die Temperaturerhöhung der Halbzeug-Anordnung zumindest in der zweiten Erwärmungsphase stufenweise in Teilschritten, so dass jeder Teilschritt einen Temperatur-Erhöhungsabschnitt und einen Temperatur-Halteabschnitt aufweist, um einen Temperaturausgleich innerhalb der Halbzeug-Anordnung zu erreichen. Mit anderen Worten wird ein zickzackförmiger Verlauf beziehungsweise ein stufenförmiger Verlauf einer Temperaturkurve ausgebildet, der insbesondere während der zweiten Erwärmungsphase eingehalten wird. Selbstverständlich kann ein derartiger stufenweiser Verlauf auch bereits in der ersten Erwärmungsphase, also beim Erwärmen der trockenen Halbzeug-Anordnung auf Infusionstemperatur angewendet werden. Beispielsweise ist dabei für jeden Temperatur-Erhöhungsabschnitt eine Steigerungsrate von 5°Celsius pro zwei Minuten vorzusehen, wobei nach jeden zwei Minuten eine Haltephase, also ein Temperatur-Halteabschnitt von fünfzehn Minuten auf der erreichten Temperatur eingehalten wird. Die Einhaltung von stufenförmigen Haltephasen bei einem erfindungsgemäßen Verfahren hat den Vorteil, dass auf diese Weise ein ausreichender Temperaturausgleich im Inneren des Halbzeugs stattfinden kann. Mit anderen Worten wird abgewartet, bis die von außen eingebrachte Wärmemenge eine gleichmäßige Temperierung im Inneren des Halbzeugs erreicht hat. Damit wird sichergestellt, dass die einzelnen Bereiche, beziehungsweise die einzelnen Abschnitte der Halbzeug-Anordnung, insbesondere der Kernschicht, sich im Wesentlichen gleichmäßig erwärmen. Insbesondere bei Kernschichten, die Verstärkungsvorrichtungen, insbesondere in Dickenrichtung, aufweisen, ist diese Vorgehensweise sinnvoll. Durch Verstärkungsvorrichtungen, beispielsweise aus CFK-Material, ist die Wärmeleitung durch die Kernschicht zumindest bereichsweise inhomogen. Die Verstärkungsvorrichtungen können dabei als Wärmebrücke dienen, so dass in tieferen Kernschichtbereichen mit Bezug auf deren Dickenrichtung, Wärme entlang der Verstärkungsvorrichtungen schneller transportiert wird als in Bereichen der Kernschicht ohne Verstärkungsvorrichtung. Auf diese Weise entstehen in einer Kerntiefe der Kernschicht unterschiedliche Temperaturen, so dass ein Temperaturgradient von Volumenelement zu Volumenelement der Kernschicht innerhalb dieser Tiefe entstehen kann. Diese Temperaturgradienten können dazu führen, dass Überstreckungen im Inneren des Schaums stattfinden. Solche Überstreckungen sind insbesondere dann nachteilig, wenn sie Verformungen der eingebrachten Verstärkungsvorrichtungen nach sich ziehen. Verformungen oder auch Überstreckungen, beziehungsweise Verschiebungen eingebrachter Verstärkungsvorrichtungen sind zu vermeiden, da auf diese Weise die gewünschten Belastungswiderstände durch ein Sandwich-Bauteil nicht in der erwünschten und vordefinierten Weise erreicht werden können. Durch das stufenweise Erwärmen, insbesondere während der zweiten Erwärmungsphase können auf diese Weise Temperaturgradienten im Wesentlichen vermieden werden, beziehungsweise auf einen Maximalwert beschränkt werden, der nicht zu Überstreckungen oder Verschiebungen im Inneren der Kernschicht führt. Mit anderen Worten wird zwar der Nachteil in Kauf genommen, dass sich die gesamte Verfahrensdauer verlängert, jedoch durch den besseren Temperaturausgleich der Vorteil erzielt, dass die Vordefinierung der Belastungseigenschaften des Sandwich-Bauteils durch ein erfindungsgemäßes Verfahren verbessert eingehalten werden können.
Ein erfindungsgemäßes Quasistationär-Temperatur-Verfahren kann dabei grundsätzlich für alle Formen von sogenannten „Nassverfahren” (Liquid Composite Moulding, bzw. LCM) zum Einsatz kommen. Darunter fallen auch Injektionsverfahren für Matrixmaterialien, zum Beispiel Resin Transfer Moulding (RTM) oder Resin Injection Moulding (RIM). Entscheidend für alle derartigen Verfahren ist es, dass das Matrixmaterial in einer fließfähigen Form vorliegt. Dies unterscheidet derartige Verfahren von „trockenen Verfahren”, die mit vorimprägnierten Schichten, sogenannten „PrePregs” arbeiten.
Es kann vorteilhaft sein, wenn das voranstehend beschriebene Verfahren derart durchgeführt wird, dass die Einbringung des fließfähigen Matrixmaterials mittels Unterdruck in die trockene Halbzeug-Anordnung erfolgt. Mit anderen Worten wird vorteilhafterweise ein Infusionsverfahren verwendet, um das Einbringen des fließfähigen Matrixmaterials durchzuführen. Wie bereits erläutert, kann auf diese Weise auf aufwändige Konstruktionen für ein Injektionsverfahren zur Einbringung des fließfähigen Matrixmaterials verzichtet werden. Um dies durchführen zu können, muss die Halbzeug-Anordnung mit einer Fließhilfe versehen und von einer Folienanordnung, insbesondere einer Folienanordnung, wie sie später noch als semipermeable Folienanordnung beschrieben wird, umgeben sein. Alternativ ist es auch möglich, dass für das Einbringen des fließfähigen Matrixmaterials Überdruck verwendet wird. Mit anderen Worten wird also ein sogenanntes Injektionsverfahren durchgeführt. Auch bei einem solchen Verfahrenstyp kann durch die erfindungsgemäße Temperaturregelung eine Reduktion der Zugeigenspannungen im hergestellten Sandwich-Bauteil erzielt werden.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines zugeigenspannungsarmen oder zugeigenspannungsfreien Sandwich-Strukturteils, aufweisend die folgenden Schritte:

• Einlegen einer von einer Folienanordnung umgebenen Halbzeug-Anordnung aus zwei Lagen von jeweils zumindest einem trockenen Halbzeuggelege und einer zwischen diesen gelegenen Kernschicht, insbesondere aus Hartschaum mit zumindest eines Fließmediums wie z. B. einer mattenförmigen Fließhilfe in eine Aufnahmevorrichtung einer Werkzeugvorrichtung, wobei das Anordnen in einem in der Werkzeugvorrichtung gebildeten Werkzeug-Innenraum derart erfolgt, dass das für die Halbzeug-Anordnung zur Verfügung stehende Volumen durch eine Volumenbegrenzungs-Vorrichtung bis einschließlich zumindest der Aushärtungsphase begrenzt ist,
• in einer ersten Erwärmungsphase Erwärmen der Halbzeug-Anordnung auf eine Infusionstemperatur und Beaufschlagen des Inneren der umhüllenden Folienanordnung mit Unterdruck unter Begrenzung des Volumens der Halbzeug-Anordnung,
• während oder nach der ersten Erwärmungsphase Einbringen eines fließfähigen Matrixmaterials in die Halbzeug-Anordnung über die Fließhilfen unter Beibehaltung des vorher erzeugten Unterdrucks und unter Begrenzung des Volumens der Halbzeug-Anordnung,
• Durchführung einer Temperatur-Haltezeit nach der ersten Erwärmungsphase bis das Einbringen des fließfähigen Matrixmaterials unter Beibehaltung des vorher erzeugten Unterdrucks und unter Begrenzung des Volumens der Halbzeug-Anordnung abgeschlossen ist,
• zum zumindest teilweisen Härten der Halbzeug-Anordnung vor, während und/oder nach einer zweiten Erwärmungsphase, weiteres Erwärmen der Halbzeug-Anordnung auf eine Aushärtetemperatur, die größer als die Infusionstemperatur ist, unter Beibehaltung des erzeugten Unterdrucks und Begrenzung des Volumens der Halbzeug-Anordnung,
• Durchführung einer Temperatur-Haltezeit nach der zweiten Erwärmungsphase unter Begrenzung des Volumens der Halbzeug-Anordnung,
• Abkühlen auf Raumtemperatur unter Begrenzung des Volumens der Halbzeug-Anordnung.

Durch das voranstehende Verfahren, welches im folgenden auch als erfindungsgemäßes „Konstant-Volumen-Verfahren” bezeichnet wird, kann eine Sandwichstruktur für die Herstellung eines Sandwich-Bauteils verwendet, und trotzdem die Vorteile des Infusionsverfahrens für das Matrixmaterial erhalten werden. Gleichzeitig wird die Risswahrscheinlichkeit im Betrieb eines derart hergestellten Sandwich-Bauteils auf ein Minimum reduziert und die Wahrscheinlichkeit von Quetschungen von möglicherweise in der Kernschicht angeordneten Verstärkungsvorrichtungen auf ein Minimum reduziert. Dies wird dadurch gewährleistet, dass eine Volumenbegrenzungsvorrichtung vorgesehen ist. Die Volumenbegrenzungsvorrichtung dient dabei zur Begrenzung des Volumens der gebildeten Halbzeug-Anordnung. Mit anderen Worten ist damit sichergestellt, dass die gebildete Halbzeug-Anordnung während des fortdauernden Verfahrens zumindest bis zur Aushärtephase des Matrixmaterials im Wesentlichen konstant ist. Man kann daher von einem Konstant-Volumen-Verfahren sprechen.
Die Begrenzung des Volumens der eingelegten Halbzeug-Anordnung hat dabei mehrere Vorteile. Ein entscheidender Vorteil ist es, dass auf diese Weise mögliche. verbleibende Zugeigenspannungen im hergestellten Produkt, also dem Sandwich-Bauteil, auf ein Minimum reduziert werden. Solche Zugeigenspannungen sind üblicherweise der Ausgangspunkt für sich bildende Risse oder zumindest die Verstärkung des Wachstums für bereits vorhandene oder sich bildende Risse in der Kernschicht bzw. dem durch diese gebildeten Schaumkern. Die Verhinderung solcher Zugeigenspannungen erfolgt gemäß der vorliegenden Erfindung nach dem folgenden Prinzip. Auch kann gezielt durch Einstellen einer vorbestimmten Vorspannung mittels der Herstellvorrichtung vor oder während der Erwärmungsphase im hergestellten Sandwich-Bauteil eine vorbestimmte Restspannung erreicht oder eingestellt werden.
Bei bekannten Vorrichtungen ist ein offenes Werkzeug während der Infusion des Matrixmaterials vorgesehen. Da zum Infusionieren mit Matrixmaterial die einzelnen Schichten aufgeheizt werden, erfolgt bei der Anwendung eines bekannten Infusionsversfahrens auf eine Sandwichstruktur mit einer Kernschicht eine Ausdehnung der einzelnen Sandwichschichten mit den jeweils entsprechenden Wärmeausdehnungskoeffizienten. Üblicherweise unterscheiden sich die Wärmeausdehnungskoeffizienten von Material zu Material. Insbesondere bei den üblicherweise im Flugzeugbau eingesetzten Materialien für die Hautschichten einerseits, also beispielsweise CFK-Gelege oder -Gewebe, und für dazwischen angeordnete Kernschichten zur Bildung eines Schaumkerns andererseits, unterscheiden sich die Wärmeausdehnungskoeffizienten sehr stark. So dehnen sich die verwendeten Kernschichten üblicherweise relativ stark aus (beispielsweise Wärmeausdehnungskoeffizienten von 30 bis 40 × 10exp-6 1/°C), während die umgebenden Hautschichten praktisch keine Ausdehnung aufgrund sehr geringer Wärmeausdehnungskoeffizienten (beispielsweise Wärmeausdehnungskoeffizienten von ca. 2 bis 3 × 10exp-7 1/°C) aufweisen. Mit anderen Worten unterscheiden sich die Ausdehnungsvolumina durch Temperaturveränderung der einzelnen Schichten voneinander relativ stark.
Das bedeutet, dass die Kernschicht sich beim Aufheizen auf eine Infusionstemperatur, also während der ersten Erwärmungsphase bereits stärker ausdehnt, als dies bei den Halbzeuggelegen, die die jeweilige Hautschicht bilden sollen, der Fall ist. Zum Zeitpunkt der Infusionierung des Matrixmaterials befindet sich also die Kernschicht in einem ersten ausgedehnten Zustand, während die beiden Halbzeuggelege zur Bildung der beiden Hautschichten im Wesentlichen kein zusätzliches Ausdehnungsvolumen aufweisen. Anschließend wird in einer zweiten Erwärmungsphase weiter erwärmt, so dass eine noch höhere Temperatur, nämlich die Aushärtetemperatur zu einer noch weiteren Ausdehnung der Kernschicht führt. Mit anderen Worten ist zum Zeitpunkt des Aushärtens durch die weiter erhöhte Temperatur das Volumen der Kernschicht noch weiter vergrößert, während die Volumina der Halbzeuggelege zur Bildung der Hautschichten im Wesentlichen unverändert geblieben sind. Der Temperaturverlauf ist dabei durch das Material des fließfähigen Matrixmaterials vorgegeben und kann nicht oder nur in sehr geringem Maße an die voranstehend beschriebene Ausdehnungssituation angepasst werden.
In der Ausdehnungssituation der Aushärtetemperatur härtet bei der Verwendung bekannter Infusionsverfahren das Matrixmaterial aus und stellt die Verbindung zwischen der Kernschicht und den ebenfalls durch den Aushärteprozess gebildeten Hautschichten her. Insbesondere verbinden sich die Hautschichten an den Randbereichen des Sandwich-Bauteils direkt miteinander und bilden dabei sozusagen monolithische Randbereiche. In jedem Fall erfolgt jedoch eine kraftschlüssige Verbindung der beiden Hautschichten an den Randbereichen des Sandwichbauteils, so dass durch die mit ausgehärtetem Matrixmaterial getränkten Hautschichten eine mechanisch stabile Struktur vorgegeben wird, die ein Zusammenziehen der Kernschicht nicht erlaubt. Wird nun zum Abschluss des Verfahrens der Abkühlvorgang bis auf Raumtemperatur durchgeführt, so versucht die Kernschicht, bzw. der zu diesem Zeitpunkt bereits durch die Kernschicht gebildete Schaumkern, sich wieder auf das der Raumtemperatur entsprechende Volumen zusammenzuziehen. Jedoch befindet sich die Kernschicht bzw. der Schaumkern zu diesem Zeitpunkt bereits in einer ausgehärteten Verbindung mit den Hautschichten und eventuell in der Kernschicht vorhandenen Verstärkungsvorrichtungen. Mit anderen Worten stabilisieren die ausgehärteten Hautschichten sowie die ausgehärtete Matrix des Matrixmaterials und, sofern vorhanden, die Verstärkungsvorrichtungen die Kernschicht im ausgedehnten Zustand. Auf diese Weise wird verhindert, dass sich die Kernschicht wie gewünscht dem Temperaturverlauf bei der Abkühlung folgend, zusammenziehen kann. Aufgrund der Verhinderung des Zusammenziehens entstehen Zugeigenspannungen in der Kernschicht, die sich in diesem Fall als Zugspannung im Material der Kernschicht, bzw. des Schaumkerns bemerkbar machen. Diese Zugspannungen sind in der Kernschicht bzw. dem Schaumkern vorhanden, solange diese nicht wieder bis auf die Infusionstemperatur aufgeheizt wird. Da die Infusionstemperatur im Einsatz solcher Sandwich-Bauteile so gut wie nie erreicht wird, beispielsweise maximal 80°C in der Sonne, sondern eher noch tiefere Temperaturen als Raumtemperatur, beispielsweise bei Luftfahrzeugen bis minus 55°Celsius zu erwarten sind, sind diese Zugeigenspannungen im Betrieb eher noch vergrößert zu erwarten. Diese Zugeigenspannungen würden dazu führen, dass bereits während der Abkühlphase des Verfahrens oder kurz danach Materialrisse entstehen. Auch bereits bestehende Risse oder Risse, die später im Laufe des Betriebs der Sandwich-Bauteile entstehen, werden durch die vorhandenen Zugeigenspannungen negativ beeinflusst. Durch vorhandene Zugeigenspannung wird bei einem bestehenden Riss die Gefahr einer erhöhten Kerbspannung an der Rissspitze vergrößert, so dass bei einer erhöhten Kerbspannung das Risswachstum entsteht bzw. schneller erfolgt.
Durch das Verwenden einer Volumenbegrenzungs-Vorrichtung ändert sich der Vorgang bei den beiden Erwärmungsphasen grundlegend. So werden alle Schichten zwar erwärmt, jedoch die Ausdehnung aller Schichten begrenzt. Insbesondere wird die Volumenausdehnung der Kernschicht begrenzt. Die Begrenzung erfolgt dabei vorteilhafterweise auf das Ausgangsvolumen bei Raumtemperatur. Mit anderen Worten entstehen durch die Begrenzung des Volumens und das Aufheizen Druckspannungen im Material der Kernschicht, da dieses sich aufgrund der Erhöhung der Temperatur zur Infusion beziehungsweise zur weiteren Erhöhung zum Aushärten ausdehnen möchte. Diese Ausdehnung wird von der Volumenbegrenzungs-Vorrichtung verhindert, so dass sich zwischen Volumenbegrenzungs-Vorrichtung und der auf Ausdehnung bedachten Kernschicht ein Kraftgleichgewicht einstellt. Dieses Kraftgleichgewicht wird auf der einen Seite von der Volumenbegrenzungs-Vorrichtung als Gegenkraft aufgebracht, während aus der Kernschicht aufgrund der fehlenden Möglichkeit zur Verformung und Ausdehnung eine Druckspannung eingebracht bzw. aufgebracht wird. Mit anderen Worten wird die Kernschicht während der beiden Erwärmungsphasen sowie in der Infusionsphase und der Aushärtephase unter Druckspannung gesetzt. Diese Druckspannung ist jedoch in Abhängigkeit der Temperaturverteilung in der Kernschicht im Wesentlichen gleichmäßig verteilt, so dass vorteilhafterweise durch die Vermeidung von Temperaturgradienten auch Druckspannungsgradienten vermieden werden. Weiterhin wirkt die Druckeigenspannung, also in diesem Sinne eine Restdruckeigenspannung, risshemmend, falls eine Rissinitiierung aus der vorherigen Materialbehandlung vorhanden ist.
In der Aushärtephase härtet das Matrixmaterial zur Ausbildung der Hautschichten sowie zur Verbindung der Hautschichten mit der Kernschicht in einer Volumensituation aus, in welcher die Kernschicht quasi keinerlei Ausdehnung besitzt, jedoch unter Druckspannung steht. Das folgende Abkühlen ändert somit nichts am Volumen, sondern baut Schritt für Schritt die in der Kernschicht vorhandene Druckspannung durch die Reduktion der Temperatur ab. Da die Volumenbegrenzungs-Vorrichtung zum Zeitpunkt des ersten Aufheizens bereits das Volumen begrenzt hat, ist zu erwarten, dass nach dem vollständigen Abkühlen bis auf die Starttemperatur, also insbesondere bis auf Raumtemperatur auch sämtliche Druckspannungen im Inneren der Kernschicht abgebaut worden sind. Im Gegensatz zu dem im voranstehenden Abschnitt beschriebenen Verfahren ohne Volumenbegrenzungs-Vorrichtung wird durch die vorliegende Erfindung somit zwar eine insbesondere gleichmäßig verteilte Druckspannung im Laufe des Verfahrens in der Kernschicht akzeptiert, jedoch in dem fertigen Sandwich-Bauteil eine Kernschicht bzw. ein durch diese gebildeter Schaumkern zur Verfügung gestellt, die/der im Wesentlichen ohne Zugeigenspannungen im Material vorliegt. Die Vermeidung beziehungsweise die Reduktion der Zugeigenspannungen im Material der Kernschicht auf ein Minimum ermöglicht es, dass die Risswahrscheinlichkeit bzw. die Schadenswahrscheinlichkeit beim Betrieb eines derart hergestellten Sandwich-Bauteils ebenfalls minimiert wird.
Die Folienanordnung bei einem erfindungsgemäßen Verfahren kann sowohl eine einzige, beispielsweise im Wesentlichen sackartige Folie, oder aber auch eine Mehrzahl einzelner Folien sein. In der Summe der Anordnung aller Folien bildet sich die Folienanordnung mit der gewünschten semipermeablen Eigenschaft, also der Gasdurchlässigkeit und der Undurchlässigkeit für Matrixmaterial, aus. Für das Erzeugen von Unterdruck kann ein Anschluss vorgesehen sein, über welchen der Unterdruck erzeugt wird und durch die gasdurchlässige Folienanordnung der Unterdruck in der Halbzeug-Anordnung erzeugt wird. Um das fließfähige Matrixmaterial in das Innere der Folienanordnung einzubringen, kann eine Angussvorrichtung vorgesehen sein, durch welche das Matrixmaterial unter Umgehung der Barriere der Folienanordnung in das Innere derselben eingebracht werden kann. Dabei kann die Folienanordnung die Halbzeug-Anordnung im Wesentlichen vollständig umhüllen oder aber nur teilweise umgeben, so dass die gewünschte Abdichtung durch weitere Bauteile, wie beispielsweise die Aufnahmevorrichtung, gewährleistet wird Es kann von Vorteil sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Konstant-Volumen-Verfahren und/oder bei einem erfindungsgemäßen Quasistationär-Temperatur-Verfahren zur Fixierung der Halbzeug-Anordnung das Beaufschlagen des Inneren der Folienanordnung mit Unterdruck bereits vor dem Einbringen des fließfähigen Matrixmaterials erfolgt. Mit anderen Worten wird auf diese Weise die finale Position der einzelnen Halbzeuggelege sowie der Kernschicht zueinander definiert. Durch das Anlegen des Unterdrucks bereits vor dem Einbringen des Matrixmaterials werden sozusagen die Halbzeuggelege und die Kernschicht in der gewünschten, nämlich in der angeordneten Position angesaugt, so dass ein Verschieben oder Verrutschen bis zum Einbringen des Matrixmaterials mit größerer Wahrscheinlichkeit vermieden werden kann. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass in dem fertig hergestellten Sandwich-Bauteil die gewünschte Position jeder Schicht und auch die gewünschte Ausrichtung, beispielsweise einzelner Fasern in den Halbzeuggelegen, gewährleistet ist.
Es kann von Vorteil sein, wenn im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Volumenbegrenzungs-Vorrichtung eine obere Abdeckvorrichtung ist, die derart auf die Aufnahmevorrichtung aufsetzbar ist, dass der dazwischen gebildete Werkzeug-Innenraum die Halbzeug-Anordnung, die Fließhilfen und die Folienanordnung im Wesentlichen spielfrei aufnimmt. Das spielfreie Aufnehmen bedeutet dabei, dass der Werkzeug-Innenraum in seinen Abmessungen zumindest in Dickenrichtung der Kernschicht der entsprechenden Abmessung der Halbzeug-Anordnung, der Fließhilfen und der Folienanordnung entspricht. Mit anderen Worten handelt es sich bei einer derartigen Ausführungsform um eine Volumenbegrenzungs-Vorrichtung, die eine im Wesentlichen geschlossene Werkzeugvorrichtung darstellt. Die Geschlossenheit der Werkzeugvorrichtung wird durch das Aufsetzen der oberen Abdeckvorrichtung erzielt, wobei die Geschlossenheit insbesondere in Dickenrichtung der Kernschicht gegeben ist. Insbesondere in Dickenrichtung ist eine Abstützung, beziehungsweise eine Volumen-Begrenzung der Ausdehnung der Kernschicht besonders sinnvoll, da in dieser Richtung eingebrachte Zugeigenspannungen mit entsprechenden Rissbildungen in besonders negativer Weise korrelieren würden. Demnach ist eine Begrenzung des Volumens in dieser Richtung von großem Vorteil, da entsprechende Zugeigenspannungen, die in dieser Richtung besonders nachteilhaft wären, auf diese Weise reduziert werden. Selbstverständlich kann das geschlossene Werkzeug, also die Ausbildung der oberen Abdeckvorrichtung und der Aufnahmevorrichtung, auch dergestalt sein, dass in im Wesentlichen allen Richtungen ein Anliegen zwischen der Aufnahmevorrichtung, bzw. der oberen Abdeckvorrichtung und den darin angeordneten Schichten der Halbzeug-Anordnung sowie der Fließhilfen, bzw. der Folienanordnung vorliegt.
Es ist darauf hinzuweisen, dass es sich hier zwar um ein geschlossenes Werkzeug handelt, jedoch trotzdem weiter ein Infusionsverfahren für das Einbringen, also das Infusionieren von Matrixmaterial zum Einsatz kommt. Insbesondere ist im Vergleich zu einer Variante mit einer Überdruckvorrichtung dabei kein Kammer- oder Luftdruck notwendig der aktiv und vor allem geregelt aufgebracht wird. Vielmehr reicht es aus, wenn der Werkzeug-Innenraum, welcher zwischen der Aufnahmevorrichtungen und der oberen Abdeckvorrichtung ausgebildet wird, mit einem Unterdruck beaufschlagt wird, so dass die Matrixmaterialinfusionierung in bekannter Weise der Infusionsverfahren durchgeführt werden kann. Der auf diese Weise mögliche Verzicht auf eine Überdruckvorrichtung hat neben der damit einfacheren Ausbildung der notwendigen Vorrichtung für ein solches Verfahren den Vorteil, dass keine Regelung eines Überdrucks für die Erzeugung des temperaturabhängigen Kraftgleichgewichts notwendig ist. Vielmehr stellt sich das Kraftgleichgewicht sozusagen automatisch in dem geschlossenen Werkzeug ein, ohne dass es einer Regelung bedarf. Damit wird der Einfluss von Regelungenauigkeiten auf die Qualität des herzustellenden Sandwich-Bauteils eliminiert.
Es kann vorteilhaft sein, wenn der Innendruck bzw. die Druckvorspannung in den einzelnen Materialien der Halbzeug-Anordnung und/oder der Fließhilfe und/oder der Folienanordnung, der durch das Aufsetzen der oberen Abdeckvorrichtung auf die untere Aufnahmevorrichtung auf maximal 0,3 bar, insbesondere auf geringere Werte, beispielsweise 0,1 bar oder sogar 0,01 bar, beschränkt ist. Das bedeutet also, dass die Innenabmessung des Werkzeug-Innenraums, der durch die Aufnahmevorrichtung und die obere Abdeckvorrichtung gebildet wird, etwas kleiner ist als die Außenabmessungen der eingelegten Halbzeug-Anordnung, der eingelegten Fließhilfe und der Folienanordnung. Mit anderen Worten werden die eingelegten Elemente ganz leicht in dem sich ergebenden Werkzeug-Innenraum zusammengedrückt. Jedoch handelt es sich bei diesem Zusammendrücken um ein Minimum eines Zusammendrückens, welches nicht vergleichbar ist mit den Injektionsverfahren, die mehr als 6 bar Innendruck auf die entsprechende Kavität und die darin angeordneten Elemente aufbringen. Die Werkzeugvorrichtung stellt somit sozusagen einen Werkzeug-Innenraum mit einem leichten Untermaß zur Verfügung, so dass ein Ausdehnen insbesondere der Kernschicht während des Verfahrens in jedem Fall verhindert ist. Unter dem in dieser Anmeldung verwendeten Begriff „spielfrei” ist eine derartige Ausbildung, also ein Untermaß mit einer Begrenzung des sich durch das Aufsetzen ergebenden Innendrucks im Material auf 0,3 bar zu verstehen.
Die Begrenzung des Volumens bei einem erfindungsgemäßen Konstant-Volumen-Verfahren kann durch die Volumenbegrenzungs-Vorrichtung konstruktiv in unterschiedlichster Weise ausgeführt sein. Es ist dabei möglich, dass die Volumenbegrenzungs-Vorrichtung zumindest eine Überdruckvorrichtung zur temperaturabhängigen Drucksteuerung aufweist, in welcher die untere Aufnahmevorrichtung mit der darin aufgenommenen Halbzeug-Anordnung und den Fließhilfen sowie der Folienanordnung angeordnet wird, so dass die Halbzeug-Anordnung, die Fließhilfen und die Folienanordnung während dem Verfahren mit einem temperaturabhängigen Druck beaufschlagt werden. So ist es möglich, dass die Volumenbegrenzungs-Vorrichtung durch eine Überdruckvorrichtung, beispielsweise einen Autoklaven, gebildet wird, der gleichzeitig für die notwendige Temperaturerhöhung in den beiden Erwärmungsphasen sorgt. Das Ausbilden eines Überdrucks erfolgt dabei in Abhängigkeit der zu erwartenden Volumenausdehnung der Kernschicht mit Bezug auf die entsprechende jeweilige Temperatur. So kann aufgrund der Kenntnis über die Materialeigenschaften der verwendeten Kernschicht eine Aussage darüber getroffen werden, zu welcher Temperatur welche Volumenausdehnung zu erwarten ist. Ist nun erwünscht, im Rahmen der vorliegenden Erfindung das Volumen auf das Ausgangsvolumen zu begrenzen, so muss eine entsprechende Gegenkraft zum Beispiel durch Überdruck aufgebracht werden, die diese Ausdehnung verhindert. Während der einzelnen Erwärmungsphasen wird somit bei einer derartigen Ausführungsform durch die Volumenbegrenzungs-Vorrichtung entsprechend Gegendruck aufgebaut, so dass mit steigender Temperatur auch ein steigender Gegendruck dem steigenden Ausdehnungswunsch der Kernschicht eine Begrenzungskraft entgegengesetzt wird. Mit anderen Worten wird der Druck in Abhängigkeit von der Temperatur und damit indirekt in Abhängigkeit der jeweiligen Volumenausdehnung der Kernschicht geregelt. Damit kann die Volumenausdehnung der Kernschicht verhindert werden und sozusagen ein Konstant-Volumen-Verfahren geschaffen werden. Der angelegte Unterdruck unterstützt dabei den aufgebrachten Überdruck, so dass letztendlich sogar die Addition aus Überdruck und Unterdruck gemeinsam für das notwendige Kraftgleichgewicht zur Volumenbegrenzung zur Verfügung steht.
Auch ist es möglich, dass die Volumenbegrenzungs-Vorrichtung in direktem Kontakt mit einem Abschnitt oder mit einer größeren oder der gesamten Fläche des in der unteren Aufnahmevorrichtung eingelegten Halbzeugs steht. Dieser Kontakt ist dabei insbesondere direkt oder indirekt ein kraftschlüssiger Kontakt, der mittels einer Presse Kraft als Gegenkraft gegen die Ausdehnungskraft der Kernschicht und damit gegen die Ausdehnungskraft des Halbzeugs aufbringen kann. Auch bei einer solchen Presse ist es notwendig, dass die Presskraft an die jeweilige Temperatursituation und die dementsprechend jeweilige Ausdehnungskraftsituation der Kernschicht und damit des Halbzeugs angepasst oder die Pressvorrichtung auf dem Halbzeuganordnungs-Endmass bzw. Anfangsvolumen positioniert ist. Ein Nachteil der Presse ist, dass die Größe des von den Pressklötzen der Presse bereitgestellten Arbeitsraums und die Möglichkeit von dessen Temperaturregulierung begrenzt ist, so dass großflächige Sandwichbauteile nicht aufgenommen werden können. Eine weitere im Nachfolgenden noch genauer erläuterte Möglichkeit ist es, dass die Volumenbegrenzungs-Vorrichtung eine obere Abdeckvorrichtung aufweist, die ein im Wesentlichen geschlossenes Werkzeug für die Herstellung des Sandwich-Bauteils zur Verfügung stellt, die zur im Wesentlichen spielfreien Aufnahme der trockenen Halbzeug-Anordnung ausgebildet ist.
Weiter ist es möglich, dass nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur zeitlich direkt anschließend oder mit gewissem zeitlichem Abstand ein sogenannter Tempervorgang durchgeführt wird. Der Tempervorgang bedeutet, dass ein weiterer Erwärmungsschritt des hergestellten Sandwich-Bauteils dieses auf eine Tempertemperatur bringt, die insbesondere oberhalb der Aushärtetemperatur liegt. Ein solcher Schritt muss nicht zwangsläufig in dem gleichen Werkzeug, also nicht in der gleichen Werkzeugvorrichtung erfolgen, wie das erfindungsgemäße Verfahren. Durch den Tempervorgang kann ein finalisierendes Aushärten des Matrixmaterials erzielt werden. Die Verwendung eines anschließenden Temperschrittes ermöglicht es, den Aushärteschritt bei einem erfindungsgemäßen Verfahren deutlich kürzer zu gestalten und damit Zeit in dem teuren und aufwendigen Werkzeug zur Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens einzusparen. Der Tempervorgang kann beispielsweise in einer Wanne mit aufgewärmtem Fluid erfolgen und auch für mehrere Bauteile gleichzeitig ausgeführt werden.
Die Infusionsphase eines der erfindungsgemäßen Verfahren wird dabei vorteilhafterweise bei einer Temperatur gesteuert, bei welcher das Matrixmaterial sowie die Werkzeugvorrichtung und damit das Halbzeug eine im Wesentlichen identische Temperatur aufweisen. Insbesondere ist die identische Temperatur als sogenannte Infusionstemperatur größer als 100°Celsius. Beispielsweise ist es möglich, dass die verwendete Infusionstemperatur sowohl für das Matrixmaterial wie auch für das Halbzeug im Bereich zwischen 110°Celsius und 120°Celsius liegt. Als Infusionsphase ist dabei insbesondere die Phase zwischen den beiden Erwärmungsphasen zu verstehen. Jedoch kann die Infusion des fließfähigen Matrixmaterials selbstverständlich bereits am Ende der ersten Erwärmungsphase starten und noch bis in den ersten Teil der zweiten Erwärmungsphase hineinreichen. Grundsätzlich ist es sinnvoll, die Infusionsphase möglichst schnell durchzuführen. Der zeitlich begrenzende Wert für die Infusionsphase ist dabei die sogenannte Topfzeit des fließfähigen Matrixmaterials, also dessen maximale Verarbeitungszeit bis zur Aushärtung soweit, dass keine Verarbeitung mehr möglich ist. Mit anderen Worten beginnt der Aushärtevorgang, also beispielsweise das Vernetzen des Matrixmaterials, bereits während der Infusion desselben. Jedoch bleibt das Matrixmaterial noch bearbeitbar, solange noch nicht ein zu großer Anteil des Matrixmaterials ausgehärtet ist. Innerhalb dieser Topfzeit ist die Infusionsphase durchzuführen. Sie kann beispielsweise zwischen 20 und 30 Minuten betragen.
Es kann zusammengefasst werden, dass unter Beibehaltung sämtlicher Vorteile der kostengünstigen und konstruktiv einfach auszuführenden Infusionsverfahren in erfindungsgemäßer Weise auch Sandwichstrukturen hergestellt werden können, um Sandwich-Bauteile zu erzeugen, deren Zugeigenspannung und Risswahrscheinlichkeit reduziert sind. Die Reduktion der Zugeigenspannung führt zu einer höheren Risswiderstandskraft, beziehungsweise zu einer geringeren Risswahrscheinlichkeit im Einsatz derartig hergestellter Sandwich-Bauteile.
Bei einem Konstant-Volumen-Verfahren kann es weiter von Vorteil sein, wenn die Temperaturerhöhung der Halbzeug-Anordnung zumindest in der zweiten Erwärmungsphase stufenweise in Teilschritten erfolgt, so dass jeder Teilschritt einen Temperatur-Erhöhungsabschnitt und einen Temperatur-Halteabschnitt aufweist, um einen Temperaturausgleich innerhalb der Halbzeug-Anordnung zu erreichen. Mit anderen Worten wird ein zickzackförmiger Verlauf, beziehungsweise ein stufenförmiger Verlauf einer Temperaturkurve ausgebildet, der insbesondere während der zweiten Erwärmungsphase eingehalten wird. Selbstverständlich kann ein derartiger stufenweiser Verlauf auch bereits in der ersten Erwärmungsphase, also beim Erwärmen der trockenen Halbzeug-Anordnung auf Infusionstemperatur angewendet werden. Beispielsweise ist dabei für jeden Temperatur-Erhöhungsabschnitt eine Steigerungsrate von 5°Celsius pro zwei Minuten vorzusehen, wobei nach jeden zwei Minuten eine Haltephase, also ein Temperatur-Halteabschnitt von fünfzehn Minuten auf der erreichten Temperatur eingehalten wird. Die Einhaltung von stufenförmigen Haltephasen bei einem erfindungsgemäßen Verfahren hat den Vorteil, dass auf diese Weise ein ausreichender Temperaturausgleich im Inneren der Halbzeug-Anordnung stattfinden kann. Mit anderen Worten wird abgewartet, bis die von außen eingebrachte Wärmemenge eine gleichmäßige Temperierung im Inneren der Halbzeug-Anordnung erreicht hat. Damit wird sichergestellt, dass die einzelnen Bereiche, beziehungsweise die einzelnen Abschnitte der Halbzeug-Anordnung, insbesondere der Kernschicht sich im Wesentlichen gleichmäßig erwärmen. Insbesondere bei Kernschichten, die Verstärkungsvorrichtungen, insbesondere in Dickenrichtung, aufweisen, ist diese Vorgehensweise sinnvoll. Durch Verstärkungsvorrichtungen, beispielsweise aus CFK-Material, ist die Wärmeleitung durch die Kernschicht zumindest bereichsweise inhomogen. Die Verstärkungsvorrichtungen können dabei als Wärmebrücke dienen, so dass in tieferen Kernschichtbereichen mit Bezug auf deren Dickenrichtung, Wärme entlang der Verstärkungsvorrichtungen schneller transportiert wird als in Bereichen der Kernschicht ohne Verstärkungsvorrichtung. Auf diese Weise entstehen in einer Kerntiefe der Kernschicht unterschiedliche Temperaturen, so dass ein Temperaturgradient von Volumenelement zu Volumenelement der Kernschicht innerhalb dieser Tiefe entstehen kann. Diese Temperaturgradienten können bei einem geschlossenen Werkzeug, aber auch bei jeder anderen Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Volumenbegrenzungs-Vorrichtung, dazu führen, dass Quetschungen im Inneren des Schaums stattfinden. Solche Quetschungen sind insbesondere dann nachteilhaft, wenn sie Verformungen der eingebrachten Verstärkungsvorrichtungen nach sich ziehen. Verformungen oder auch Quetschungen, beziehungsweise Verschiebungen eingebrachter Verstärkungsvorrichtungen sind zu vermeiden, da auf diese Weise die gewünschten Belastungswiderstände durch ein Sandwich-Bauteil nicht in der erwünschten und vordefinierten Weise erreicht werden können. Durch das stufenweise Erwärmen, insbesondere während der zweiten Erwärmungsphase können auf diese Weise Temperaturgradienten im Wesentlichen vermieden werden, beziehungsweise auf einen Maximalwert beschränkt werden, der nicht zu Quetschungen oder Verschiebungen im Inneren der Kernschicht führt. Mit anderen Worten wird zwar der Nachteil in Kauf genommen, dass sich die gesamte Verfahrensdauer verlängert, jedoch wird durch den besseren Temperaturausgleich der Vorteil erzielt, dass die Vordefinierung der Belastungseigenschaften des Sandwich-Bauteils durch ein erfindungsgemäßes Verfahren verbessert eingehalten werden kann.
Bei einem erfindungsgemäßen Konstant-Volumen-Verfahren, wie auch bei einem erfindungsgemäßen Quasistationär-Temperatur-Verfahren kann es weiter von Vorteil sein, wenn die Temperaturverringerung der Halbzeug-Anordnung in der Abkühlphase stufenweise in Teilschritten erfolgt, so dass jeder Teilschritt einen Temperatur-Verringerungsabschnitt und einen Temperatur-Halteabschnitt aufweist, um eine Materialrelaxation innerhalb der Halbzeug-Anordnung zu erreichen. In gleicher Weise, wie dies bereits im voranstehenden Absatz erläutert worden ist, wird auch auf diese Weise der entstehende Temperaturgradient beim Abkühlen im Inneren der Halbzeug-Anordnung, insbesondere im Inneren der Kernschicht, bzw. dem aus diesem gebildeten Schaumkern, reduziert. Auf diese Weise kann eine Materialrelaxation stattfinden.
Bei schnellerem, stufenlosem Abkühlen könnte es sonst dazu kommen, dass einzelne Volumenelemente der Kernschicht schneller abkühlen als benachbarte Volumenelemente, und damit durch unterschiedliche Temperaturen unterschiedliche Ausdehnungssituationen bestehen. Da jedoch die einzelnen Volumenelemente in der Kernschicht miteinander fest verbunden sind, würde dies zu Zugeigenspannungen führen, die zu Verformungen der Kernschicht in ihrem Inneren und damit zu Quetschungen oder Verschiebungen von eingebrachten Verstärkungsvorrichtungen, bzw. zur Veränderung von Materialkennwerten der Kernschicht durch Überstreckung des Materials und damit zu Rissen führen könnten. Auch die frisch ausgebildete Verbindung zu den Hautschichten über das eingebrachte und ausgehärtete Matrixmaterial könnte durch solche Zugeigenspannungen negativ beeinflusst werden. Insbesondere bei Verfahren, welche anschließend durch einen Tempervorgang final ausgehärtet werden sollen, ist das stufenweise Abkühlen von Vorteil, da der Aushärtevorgang noch nicht zu einer vollständigen Aushärtung des Matrixmaterials, also beispielsweise noch nicht zu einer vollständigen Vernetzung von polymerisierendem Harz geführt hat.
Es kann weiter von Vorteil sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Konstant-Volumen-Verfahren, wie auch bei einem erfindungsgemäßen Quasistationär-Temperatur-Verfahren, das Matrixmaterial im Bereich zwischen der Raumtemperatur und der Infusionstemperatur nicht polymerisiert. Mit anderen Worten würde im Bereich zwischen Raumtemperatur und Infusionstemperatur keine Aushärtung des Matrixmaterials stattfinden. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass in diesem Temperaturbereich, also beispielsweise in dem Temperaturbereich, welcher im Lagerbehälter für das Matrixmaterial maximal anliegen kann, keine Aushärtung, insbesondere keine Polymerisation des Matrixmaterials stattfindet. Weiterhin ist damit sichergestellt ist, dass das Harz bei Infusionstemperatur sehr dünnflüssig ist, weil in der vorherigen Aufwärmephase keine Aushärtung stattgefunden hat. Das Matrixmaterial kann dabei beispielsweise aus bis zu drei oder mehr Komponenten aufgebaut sein. Es ist grundsätzlich möglich, dass das Matrixmaterial nur aus einer Komponente, nämlich einem Harz, beispielsweise einem Epoxidharz besteht. Ein solches Harz wird beispielsweise als Harzsystem unter dem Markennamen RTM-6 von der Fa. Hexcel vertrieben und ist für ein erfindungsgemäßes Verfahren einsetzbar. Auch zweikomponentige Matrixmaterialien, beispielsweise eine Mischung aus einem Harz und einem Härter, sind denkbar. Der Härter dient dabei dazu, den Aushärtevorgang anzuschieben, also insbesondere die Polymerisation des Harzes und das damit verbundene Aushärten zu unterstützen, bzw. zu starten. Auch die Zugabe weiterer Komponenten, beispielsweise eines Beschleunigers kann sinnvoll sein. Ein solcher Beschleuniger dient dazu, dass das Harz und der Härter noch schneller den Aushärtevorgang, beispielsweise die Polymerisation durchführen. Damit kann das gesamte erfindungsgemäße Verfahren durch die Beschleunigung der Aushärtephase beschleunigt werden. Die Infusionstemperatur ist dabei grundsätzlich in einem Bereich zwischen 80 und 120°Celsius als vorteilhaft anzusehen. Jedoch hängt die Infusionstemperatur von dem jeweils verwendeten Matrixmaterial, insbesondere von den Eigenschaften der jeweiligen Mischung ab.
Weiter kann es von Vorteil sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Konstant-Volumen-Verfahren, wie auch bei einem erfindungsgemäßen Quasistationär-Temperatur-Verfahren zwischen den Fließhilfen und den trockenen Halbzeuggelegen ein Abreißgewebe angeordnet ist. Ein solches Abreißgewebe, welches in der Literatur auch als Peel Ply bezeichnet wird, hat die Funktion, dass sich nach der Prozessführung die mit Matrixmaterial gefüllten Fließhilfen leichter abziehen (abreißen) lassen. Mit anderen Worten ist damit eine erleichterte Trennung zwischen Fließhilfe und hergestelltem Sandwich-Bauteil gewährleistet. Dies wird beispielsweise dadurch erzielt, dass die Oberflächenstruktur des Abreißgewebes und/oder eine zusätzliche Antihaftbeschichtung (wie zum Beispiel PTFE, Silikon oder ähnliches) vorgesehen sind. Als typische Materialien hierfür sind Glasgewebe, Nylongewebe oder Ähnliches anzuführen. Das Abreißgewebe muss gasdurchlässig und ebenso durchlässig für das Matrixmaterial in beiden Richtungen sein. Dabei können selbstverständlich sowohl die Fließhilfen, wie auch das Abreißgewebe im Wesentlichen einstückig mit der oberen Abdeckvorrichtung und/oder der Aufnahmevorrichtung ausgebildet sein. Auf diese Weise ist kein separates Anordnen der Fließhilfe und der Abreilvorrichtung notwendig, sondern diese werden gemeinsam mit der oberen Abdeckvorrichtung und/oder der Aufnahmevorrichtung in die gewünschte Position gebracht indem die obere Abdeckvorrichtung auf die Aufnahmevorrichtung aufgesetzt wird.
Weiter kann es vorteilhaft sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Konstant-Volumen-Verfahren, wie auch bei einem erfindungsgemäßen Quasistationär-Temperatur-Verfahren bei oder vor dem Aufsetzen der oberen Abdeckvorrichtung auf die Aufnahmevorrichtung in Längsrichtung der Kernschicht Volumen-Begrenzungselemente derart in dem gebildeten Werkzeug-Innenraum angeordnet werden, dass die Abmessungen des durch die eingesetzten Volumen-Begrenzungselemente reduzierten Kavitätsvolumens den Abmessungen der eingelegten trockenen Halbzeuggelege und der Kernschicht sowie der Fließhilfen und der Folienanordnung im Wesentlichen spielfrei entspricht. Auf diese Weise kann durch die Volumen-Begrenzungselemente auch eine Anpassung des Volumens des Werkzeug-Innenraums in Längsrichtung der Kernschicht durchgeführt werden. Dies ist eine besonders einfache Ausführungsform zur Anpassung des Werkzeug-Innenraums an die gewünschten Endabmessungen des Sandwich-Bauteils. So kann eine einzige untere Aufnahmevorrichtung und eine einzige obere Abdeckvorrichtung verwendet werden, die an die Dickenrichtung des Sandwich-Bauteils angepasst ist. Für unterschiedliche Abmessungen des Sandwich-Bauteils in Längsrichtung der Kernschicht können unterschiedliche Volumen-Begrenzungselemente eingesetzt werden, die das Kavitätsvolumen in der gewünschten Weise reduzieren. Die aufwendige und damit teure Aufnahmevorrichtung und obere Abdeckvorrichtung sind damit einmalig vorzusehen und durch die Volumen-Begrenzungselemente in hohem Maße flexibel variierbar. Damit kann mit einem erfindungsgemäßen Verfahren ohne großen Zusatzaufwand auch eine Vielzahl unterschiedlich geformter Sandwich-Bauteile hergestellt werden.
Es kann von Vorteil sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Konstant-Volumen-Verfahren, wie auch bei einem erfindungsgemäßen Quasistationär-Temperatur-Verfahren die Kernschicht aus zumindest einer Schaumplatte gebildet ist. Diese eine Schaumplatte kann in besonders einfacher Weise vorab hergestellt werden. Auch das Vorsehen mehr als einer Schaumplatte, zum Beispiel mehrerer Schaumplatten zur Erzeugung der Kernschicht, ist denkbar. Bei der Verwendung mehrerer Schaumplatten zur Bildung der Kernschicht sind diese beispielsweise nebeneinander angeordnet. Jedoch ist es auch denkbar, dass mehrere Schaumplatten übereinander angeordnet sind um die Kernschicht zu bilden. Auch ist es denkbar, dass Schaumplatten nebeneinander und übereinander angeordnet sind, so dass bereits durch die Verschachtelung der einzelnen Schaumplatten eine gewisse Steifigkeit der Kernschicht entsteht. Das Verwenden einzelner Schaumplatten hat den Vorteil, dass deren Größe in einer Dimension gehalten werden kann, dass sie von einer einzelnen Bedienperson bewegt und manövriert werden können. Die Schaumplatten werden aneinandergelegt und bilden somit auch große Kernschichten, ohne dass eine aufwendige Handling-Vorrichtung hierfür notwendig wäre. Jede der Schaumplatten kann dabei mit einer oder mehreren Verstärkungsvorrichtungen versehen sein. Auch das Anordnen von Verstärkungsvorrichtungen zwischen den Schaumplatten bei deren Anordnung zur Bildung der Kernschicht ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung möglich. Dabei kommen die Verstärkungsvorrichtungen sozusagen an den Stößen der einzelnen Schaumplatten in Längsrichtung und/oder in Dickenrichtung der Kernschicht zur Anordnung.
Die Kernschicht kann dabei auch Wabenstrukturen aufweisen, die der mechanischen Stabilisierung der Kernschicht und damit des herzustellenden Sandwich-Bauteils dienen. Dabei ist eine Vorrichtungen vorzusehen, die verhindert, dass fließfähiges Matrixmaterial in das Innere der Waben während des Ablaufs einer der erfindungsgemäßen Verfahren gelangen kann. Damit kann das Gewicht des Sandwich-Bauteils weiter reduziert werden, ohne die mechanische Stabilität deutlich zu reduzieren.
Wie bereits mehrfach angeklungen, kann es bei einem erfindungsgemäßen Konstant-Volumen-Verfahren, wie auch bei einem erfindungsgemäßen Quasistationär-Temperatur-Verfahren von Vorteil sein, wenn in der Kernschicht Verstärkungsvorrichtungen zur Erhöhung der Schadenstoleranz im Betrieb angeordnet sind. Solche Verstärkungsvorrichtungen sind beispielsweise Pins oder andere dreidimensionale Verstärkungen, die durch ihre Form und/oder durch ihr Material die Kernschicht und damit die gesamte Sandwichstruktur des Sandwich-Bauteils verstärken. Unter der Erhöhung der Schadenstoleranz im Betrieb ist dabei der Einsatz des Sandwich-Bauteils beispielsweise für die Verkleidung von Strukturbauteilen eines Luftfahrzeugs zu verstehen. Die Schadenstoleranz wird dahingehend erhöht, dass auch bei größeren eingebrachten Lasten kein Schadensfall des Sandwich-Bauteils entsteht, da die Zugeigenspannungen des Sandwich-Bauteils reduziert sind und damit die Risswahrscheinlichkeit deutlich minimiert ist. Solche Verstärkungsvorrichtungen können selbstverständlich auch Webstrukturen sein oder Elemente, die in Form von sogenannten Rovingen in die Kernschicht eingesteckt sind.
Auch kann es vorteilhaft sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Konstant-Volumen-Verfahren, wie auch bei einem erfindungsgemäßen Quasistationär-Temperatur-Verfahren die Verstärkungsvorrichtungen entlang von Randabschnitten zumindest einer Schaumplatte eingebracht sind. Dabei können diese Randabschnitte sowohl bei einer einzigen Schaumplatte die eine Kernschicht bildet, aber auch bei einer Kernschicht aus mehr als einer Schaumplatte vorgesehen sein. Die Randabschnitte sind dabei Abschnitte der Schaumplatte, die im Betrieb eines Sandwich-Bauteils besonders hohen Lasten ausgesetzt sind. Demnach sind genau diese Randabschnitte mit einer Verstärkungsvorrichtung zur Erhöhung der Schadenstoleranz verbessert. Bei einer Anordnung der Schaumplatten nebeneinander und/oder oder übereinander zur Bildung der Kernschicht sind diese Randabschnitte sozusagen die Volumina der Schaumplatten, die direkt an den Stößen zwischen den einzelnen Schaumplatten liegen, bzw. die den Rand der Kernschicht bilden.
Ein erfindungsgemäßes Konstant-Volumen-Verfahren kann vorteilhafterweise dahingehend weitergebildet sein, dass das Einlegen der Halbzeug-Anordnung zumindest mit einer auf eine Temperatur unterhalb der Raumtemperatur gekühlten Kernschicht erfolgt. Mit anderen Worten ist zumindest die Kernschicht auf eine Temperatur unterhalb der Raumtemperatur gekühlt. Allerdings kann auch die gesamte Halbzeug-Anordnung derartig gekühlt eingelegt werden.
Durch das gekühlte Einlegen zumindest der Kernschicht in die Werkzeugvorrichtung, insbesondere durch eine spielfreie Aufnahme, kann mittels der Volumenbegrenzungs-Vorrichtung das Ausdehnungsvolumen der Kernschicht begrenzt werden. Mit anderen Worten wird die Kernschicht bereits bei der Erwärmung auf Raumtemperatur aus dem gekühlten Zustand heraus in ihrer Volumenexpansion begrenzt, so dass sich bereits bei Raumtemperatur Eigenspannungen, in diesem Fall Druckeigenspannung, also eine Druckvorspannung in der Kernschicht einstellt. Nach Beendigung des erfindungsgemäßen Verfahrens verbleiben diese Druckeigenspannungen in der Kernschicht und damit auch in dem Sandwich-Bauteil. Auf diese Weise bildet die Druckeigenspannung sozusagen eine Eigenspannungsreserve gegen die schädlichen Zugspannungen im Material der Kernschicht. Insbesondere mit Blick auf die Betriebssituation eines Sandwich-Bauteils an einem Luftfahrzeug, bei beispielsweise –50°C, wird auf diese Weise die Neutrallage der Eigenspannung im Material der Kernschicht in negative Temperaturbereiche, insbesondere auf die Kühltemperatur für die Erzeugung der Druckvorspannung, abgesenkt. Man spricht hier auch von sogenanntem stress-free-shift.
Die Abkühltemperatur liegt dabei vorteilhafterweise deutlich unter der Raumtemperatur, insbesondere unter 0°C. Beispielsweise ist ein Abkühlen auf bis zu –50°C möglich. Der technisch sinnvolle Bereich in Bezug auf die notwendige Kühlenergie liegt für die Kühltemperatur zwischen –20 und –10°C. Im Gegensatz zu den Zugeigenspannungen, die in der Kernschicht rissfördernd, bzw. rissbildend wirken, wirken Druckeigenspannungen im Material der Kernschicht risshemmend, bzw. rissstoppend.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Herstellvorrichtung zur Herstellung eines Sandwich-Bauteils. Eine solche Herstellvorrichtung weist eine Werkzeugvorrichtung auf, die eine Aufnahmevorrichtung und eine auf dieser aufsetzbare obere Abdeckvorrichtung aufweist. Dabei sind diese beiden derart gestaltet, dass dazwischen ein Werkzeug-Innenraum zur spielfreien Aufnahme einer zur Herstellung des Sandwich-Bauteils vorgesehenen Halbzeug-Anordnung, Fließhilfen sowie eine diese umgebende Folienanordnung bereitgestellt wird. Weiter ist eine Versteifungsvorrichtung zur Versteifung der Werkzeugvorrichtung vorgesehen, die an einander gegenüberliegenden Seiten der Werkzeugvorrichtung angeordnete Stützvorrichtungen, einen sich zwischen diesen erstreckenden Versteifungsträger, der an den Stützvorrichtungen gelagert ist, und zumindest eine Kraftübertragungsvorrichtung, die den Versteifungsträger mit der oberen Abdeckvorrichtung zur Versteifung derselben in deren Längsrichtung verbindet, aufweist. Dabei ist es möglich, dass die Aufnahmevorrichtung der Werkzeugvorrichtung auf Schienen oder Rädern, beispielsweise geführt durch ein Gestänge, verfahrbar ist und ein Rastmechanismus vorgesehen ist, der die Position der Aufnahmevorrichtung fixiert, d. h. einrastet, wenn sich diese in der für das Aufsetzen der oberen Abdeckvorrichtung richtigen Position befindet. Das Aufsetzen der oberen Abdeckvorrichtung wird erst durch das Einrasten der Rastvorrichtung möglich, bzw. dadurch ausgelöst. Weiter kann auch die obere Abdeckvorrichtung direkt oder indirekt über den Versteifungsträger in Schienen verfahrbar sein, die in den Stützvorrichtungen vorgesehen sind. Entlang dieser Schienen kann damit der Versteifungsträger zusammen mit der oberen Abdeckvorrichtung oder die obere Abdeckvorrichtung alleine verschoben, bzw. verfahren und auf die Aufnahmevorrichtung aufgesetzt werden. Anschließend ist es möglich, dass die Aufnahmevorrichtung mit der oberen Abdeckvorrichtung über Bolzen in der aufgesetzten Position gesichert wird.
Weiter sind bei der erfindungsgemäßen Herstellvorrichtung eine Temperatursensor-Vorrichtung zur Erfassung der Temperatur zumindest einer der Aufnahmevorrichtungen, eine Matrixmaterial-Zufuhrvorrichtung zur Einführung von Matrixmaterial in den Werkzeug-Innenraum und eine Unterdruckvorrichtung zur Beaufschlagung des Werkzeug-Innenraums mit Unterdruck vorhanden. Damit kann mittels einer erfindungsgemäßen Herstellvorrichtung ein erfindungsgemäßes Konstant-Volumen-Verfahren mit seinen ausführlich beschriebenen Vorteilen ausgeführt werden.
Zwischen diesen Stützvorrichtungen erstreckt sich der zumindest eine Versteifungsträger, der an den Stützvorrichtungen gelagert ist und zumindest die eine Kraftübertragungsvorrichtung aufweist, die den Versteifungsträger mit den oberen Abdeckvorrichtungen zur Versteifung derselben in deren Längsrichtung verbindet. Mit anderen Worten kann auf diese Weise die Kraft, welche während des Aufheizens der Halbzeug-Anordnung im Werkzeug-Innenraum zwischen der Aufnahmevorrichtung und der oberen Abdeckvorrichtung durch die Ausdehnung der Kernschicht aufgebracht wird, abgetragen, bzw. aufgenommen werden. Eine sich ausdehnende Kernschicht, die in ihrem Ausdehnungsvolumen begrenzt wird, baut in ihrem Inneren eine Druckspannung auf. Diese Druckspannung stützt sich gegen die untere Aufnahmevorrichtung und insbesondere gegen die obere Abdeckvorrichtung ab. Um die obere Abdeckvorrichtung im Sinne ihrer volumenbegrenzenden Eigenschaft an Ort und Stelle zu halten, muss diese Kraft weiter abgestützt werden. Dies erfolgt über Kraftübertragungsvorrichtungen, wie sie beispielsweise vollflächig, teilflächig oder in Form von einzelnen Verbindungselementen vorgesehen sind, um die Kraft an den Versteifungsträger zu übertragen. Dieser Versteifungsträger wiederum ist in den Stützvorrichtungen gelagert, so dass über diese letztendlich die Gegenkraft für die Volumenbegrenzung abgefangen werden kann. Mit anderen Worten dient die Versteifungsvorrichtung dazu, bei einer erfindungsgemäßen Herstellvorrichtung die notwendige Volumenbegrenzungskraft für die Volumenbegrenzungs-Vorrichtung, insbesondere für die obere Abdeckvorrichtung zur Verfügung zu stellen.
Die Versteifungsvorrichtung kann dahingehend verbessert werden, daß die obere Abdeckvorrichtung und/oder der Versteifungsträger zusätzlich zu ihrer steifen Struktur noch Versteifungsrippen aufweisen. Diese sind insbesondere derart angeordnet, dass damit eine weitere Versteifung des Versteifungsträgers und/oder der oberen Abdeckvorrichtung zur Aufnahme der aus der Temperaturerhöhung zu erwartenden Kräfte aus der im Werkzeug-Innenraum aufgenommenen Halbzeug-Anordnung erfolgt. Solche Versteifungsrippen dienen dabei der Versteifung bei möglichst geringem Materialaufwand.
Weiter ist bei einer erfindungsgemäßen Herstellvorrichtung eine Temperatursensor-Vorrichtung zur Erfassung der Temperatur zumindest einer der Aufnahmevorrichtungen vorgesehen. Eine solche Temperatursensor-Vorrichtung dient dazu, unabhängig von der Form der Halbzeug-Anordnung, die Temperatur der Aufnahmevorrichtung und/oder der oberen Abdeckvorrichtung zu ermitteln und damit einen Anhaltspunkt für die entsprechende Temperatur der Halbzeug-Anordnung zur Verfügung zu stellen. Die Temperatursensor-Vorrichtung dient damit dazu, ihre ermittelten Daten einer Prozesssteuerung zur Verfügung zu stellen, um die erfindungsgemäßen Verfahrensschritte der einzelnen Erwärmungsphasen, Haltephasen, Infusionsphasen oder Härtephasen erfindungsgemäß durchführen zu können.
Weiter ist eine Matrixmaterial-Zufuhrvorrichtung zur Einführung von Matrixmaterial in die Kavität vorgesehen. Über diese Matrixmaterial-Zufuhrvorrichtung kann Matrixmaterial aus einem Tank oder einem Materialaufnahmetopf oder Materialvorratsaufnahme in Form eines Matrixmaterial-Vorratsbehältnis, in dem beispielsweise Harz gelagert ist, in gewünschter Weise zugeführt werden. Die Matrixmaterial-Zufuhrvorrichtung weist dabei zumindest einen Anschluss an den Werkzeug-Innenraum auf, sodass das Matrixmaterial in den Werkzeug-Innenraum eingeführt werden kann. Das Einführen erfolgt dabei insbesondere indirekt über das Anlegen eines Unterdruckes über eine ebenfalls vorgesehene Unterdruckvorrichtung zur Beaufschlagung des Werkzeug-Innenraums mit Unterdruck. Durch das Beaufschlagen des Werkzeug-Innenraums mit Unterdruck und eine geöffnete Matrixmaterial-Zufuhrvorrichtung fließt Matrixmaterial solange in den Werkzeug-Innenraum ein, bis dieser vollständig getränkt, also im Wesentlichen vollständig evakuiert ist. Anschließend kann der weitere Aufheizvorgang der zweiten Erwärmungsphase gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren durchgeführt werden, so dass der Aushärtevorgang beginnt. Das Matrixmaterial-Vorratsbehältnis ist dabei vorteilhafter Weise oberhalb der Werkzeugvorrichtung angeordnet. Er kann beispielsweise an einem oberen Ende einer der Stützvorrichtungen vorgesehen sein. Das erhobene Anordnen des Matrixvorrats unterstützt die Zufuhr von Matrixmaterial, da auf diese Weise der hydrostatische Druck für das Einbringen des fließfähigen Matrixmaterials ansteigt.
Eine erfindungsgemäße Herstellvorrichtung dient insbesondere zur Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Demnach beinhaltet es auch die gleichen Vorteile wie ausführlich zu dem erfindungsgemäßen Konstant-Volumen-Verfahren erläutert. Insbesondere kann mittels einer erfindungsgemäßen Herstellvorrichtung ein Sandwich-Bauteil hergestellt werden, das eine Sandwich-Struktur aufweist und trotzdem sehr geringe, beziehungsweise kaum Eigenspannungen, insbesondere keine Zugeigenspannungen im Material, vor allem der Kernschicht, aufweist. Dies wird durch das Vorsehen eines geschlossenen Werkzeugs, also in Form der Aufnahmevorrichtung und der oberen Abdeckvorrichtung durch die damit ermöglichte Volumenbegrenzung gewährleistet.
Bei einer erfindungsgemäßen Herstellvorrichtung kann es vorteilhaft sein, wenn die Aufnahmevorrichtung und die obere Abdeckvorrichtung aus einem Material mit sehr geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten gebildet sind. Dies ist insbesondere dahingehend sinnvoll, dass bei einer Volumenbegrenzungs-Vorrichtung mit zwei Aufnahmevorrichtungen der Innenraum, also die Abmessungen des Werkzeug-Innenraums, durch geringe Wärmeausdehnungskoeffizienten im Wesentlichen konstant bleibt. Anderenfalls würde die Gefahr bestehen, dass durch ein Ausdehnen der Aufnahmevorrichtung und/oder der oberen Abdeckvorrichtung sich der Werkzeug-Innenraum verkleinert oder vergrößert, und damit eine Innendruckvergrößerung auf die Halbzeug-Anordnung, beziehungsweise ein nicht konstantes Volumen des Werkzeug-Innenraums möglich wird. Beispielsweise kann die Aufnahmevorrichtung aus dem Material Invar gefertigt sein, welches insbesondere kostengünstig ist und eine geringe Ausdehnung durch Temperatur aufweist. Die obere Abdeckvorrichtung kann beispielsweise aus einem teureren Material wie einem CFK-Komposit-Material gefertigt sein, welches zwar teurer, aber hinsichtlich der notwendigen Handling-Aufgaben der oberen Abdeckvorrichtung aufgrund der größeren Leichtigkeit vorzuziehen ist. Auch ist eine obere Abdeckvorrichtung aus CFK deutlich steifer gegen Innendruck, als dies bei anderen vergleichbaren Materialien, beispielsweise Invar, der Fall wäre. Alternativ kann die obere Abdeckvorrichtung aus CFK gefertigt und mit Invar beschichtet sein, um die Standzeit der oberen Abdeckvorrichtung auf das Niveau der Aufnahmevorrichtung zu heben. Mit anderen Worten kann auf diese Weise eine Werkzeugvorrichtung zur Verfügung gestellt werden, welche das Volumen in ausreichender Weise begrenzt, also insbesondere das dafür notwendige Kraftgleichgewicht herstellt.
Wie bereits angeführt, kann der Matrixmaterialvorrat zur Erzeugung von hydrostatischem Druck, der den Einbringvorgang des Matrixmaterials unterstützt, oberhalb des Werkzeug-Innenraums angeordnet sein. Auf diese Weise ist eine Unterstützung der Einbringung, beispielsweise bei schwankender Unterdruckleistung, in dem Werkzeug-Innenraum möglich.
Eine erfindungsgemäße Herstellvorrichtung kann dahingehend weiter entwickelt sein, dass die Herstellvorrichtung eine Heizvorrichtung und eine mit der Temperatursensor-Vorrichtung und der Heizvorrichtung funktional verbundene Temperaturregelungsvorrichtung aufweist. Die Temperaturregelungsvorrichtung ist dabei derart ausgeführt, dass diese mittels der Heizvorrichtung die Temperatur zumindest der Aufnahmevorrichtung oder der oberen Abdeckvorrichtung regelt. Die Regelung der Temperatur wird dabei in Abhängigkeit der von der jeweiligen Temperatursensor-Vorrichtung gemessenen Temperatur durchgeführt. Es besteht also ein Regelkreis, der eine Soll-Temperatur für die Aufnahmevorrichtung und/oder die obere Abdeckvorrichtung mit der gemessenen Ist-Temperatur vergleicht und in Abhängigkeit der Differenz zwischen Soll- und Ist-Temperatur die Regelung der Heizvorrichtung also hinsichtlich eines Nachheizens oder eines Stopps des Heizvorgangs regelt.
Auch kann es vorteilhaft sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen Herstellvorrichtung die Heizvorrichtung aus einem Ofen mit Heizgebläse gebildet ist. Dabei sind insbesondere Gebläseöffnungen vorgesehen, die von der Temperaturregelungs-Vorrichtung zur Regelung der Temperatur zumindest einer der Aufnahmevorrichtungen geöffnet und geschlossen werden können. Die Gebläseöffnungen dienen also dazu, unabhängig von einer Steuerung des Heizgebläses den Wärmeeintrag in einem solchen Ofen, und damit den Wärmeeintrag auf die untere Aufnahmevorrichtung und/oder die obere Abdeckvorrichtung zu beeinflussen. Insbesondere ist es dabei möglich, den Ofen, also das Heizgebläse im Wesentlichen konstant laufen zu lassen und über das Öffnen und Schließen der Gebläseöffnungen besonders einfach und vor allem schnell die gewünschte Temperaturregelung durchführen zu können.
Die Erfindung wird näher erläutert anhand der beigefügten Zeichnungsfiguren. Dabei beziehen sich die verwendeten Begriffe „links”, „rechts”, „oben” und „unten” auf eine Ausrichtung der Zeichnungsfiguren mit normal lesbaren Bezugszeichen.
Es zeigen
1 im Querschnitt einen ersten Schritt eines erfindungsgemäßen Verfahrens
2 einen weiteren Schritt eines erfindungsgemäßen Verfahrens
3 einen weiteren Schritt eines erfindungsgemäßen Verfahrens
4 eine erfindungsgemäß hergestellte Sandwichstrukturplatte
5a eine Ausführungsform eines Temperaturverlaufs und eines Druckverlaufs
5b eine weitere Ausführungsform eines Temperaturverlaufs und eines Druckverlaufs
6 eine weitere Ausführungsform eines Temperaturverlaufs und eines Druckverlaufs
7a ein Halbzeug gemäß Stand der Technik bei Raumtemperatur
7b ein Halbzeug gemäß Stand der Technik bei Härtetemperatur
7c eine Sandwich-Strukturteil nach Herstellung nach Stand der Technik
8a Halbzeug nach der vorliegenden Erfindung bei Raumtemperatur
8b Halbzeug nach der vorliegenden Erfindung bei Härtetemperatur
8c Sandwichstrukturplatte nach dem Abkühlprozess
9 Querschnitt durch ein Halbzeug während des Infusionsprozesses
10 erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Herstellvorrichtung
11 ein Querschnitt durch eine Werkzeugvorrichtung mit einer Überdruckvorrichtung
1 zeigt im Querschnitt eine Werkzeugvorrichtung 20 mit einer Aufnahmevorrichtung 22. Darüber, noch in einer explosionsartigen Darstellung gezeigt, sind ein trockenes Halbzeuggelege 110a zur Bildung einer ersten Hautschicht 110, eine Kernschicht 120 sowie ein trockenes Halbzeuggelege 130a zur Bildung einer zweiten Hautschicht 130 zu erkennen. Auf beiden trockenen Halbzeuggelegen 110a und 130a ist jeweils eine Fließhilfe 140 vorgesehen. Diese Schichten werden nach unten geführt und in die Aufnahmevorrichtung 22 eingesetzt, wie dies 2 zu entnehmen ist. Vor oder während dieses Einsetzens wird eine Folienanordnung 170 um die Fließhilfen 140, die trockenen Halbzeuggelege 110a und 130a sowie die Kernschicht 120 gelegt. Der Endzustand dieser Umhüllung mit Hilfe der Folienanordnung 170 ist in 2 dargestellt. Dabei handelt es sich bei der Folienanordnung 170 um eine semipermeable Folienanordnung 170. Diese ist gasdurchlässig, aber undurchlässig für Matrixmaterial 150.
Wie ebenfalls der 1 und auch den weiteren Figuren zu entnehmen ist, wird durch die Erstreckung der Kernschicht 120 ein 2-dimensionales Koordinatensystem aufgespannt. Dieses weist eine Dickenrichtung DR und eine Längsrichtung LR auf. Dieses Koordinatensystem ist ortsfest mit dem Sandwich-Bauteil 100, bzw. der trockenen Halbzeug-Anordnung 100a verbunden.
Bei den beiden trockenen Halbzeuggelegen 110a und 130a handelt es sich um Gelege aus Fasern, beziehungsweise ein Gewebe aus Fasern. Diese Fasern können zum Beispiel Kohlenstofffasern, also Karbonfasern sein, so dass es sich bei den trockenen Halbzeuggelegen 110a und 130a um CFK-Gelege oder CFK-Gewebe handeln kann. An den beiden linken Seiten der Aufnahmevorrichtung 22 sind jeweils Anschlüsse für die Durchführung des Verfahrens vorgesehen. So befindet sich auf der rechten Seite der Aufnahmevorrichtung 22 eine Matrixmaterial-Zufuhrvorrichtung 50, die über ein Ventil aus einem Matrixmaterial-Vorratsbehältnis 40 fließfähiges Matrixmaterial in die Kavität der Aufnahmevorrichtung 22 einbringen kann. Dieser Infusionsvorgang wird angesteuert, beziehungsweise ausgeführt durch die Unterdruckvorrichtung 60 auf der linken Seite der Aufnahmevorrichtung 22. Über einen Anschluss und ein Ventil ist hier ein Verdichter vorhanden, der eine Absaugung aus der Kavität der Aufnahmevorrichtung 22 durchführen kann.
Nach dem Einlegen in erfindungsgemäßer Weise, insbesondere dem Umhüllen mit der Folienanordnung 170, ist eine Situation erreicht, wie sie in 2 dargestellt ist. Hier ist gut zu erkennen, dass sich durch die Anordnung der einzelnen Schichten, insbesondere der Kernschicht 120, eine Dickenrichtung DR und eine Längsrichtung LR definieren lässt. Die Dickenrichtung DR dieses Koordinatensystems ist dabei im Wesentlichen in Aufnahmerichtung, also in Richtung des Einlegens der einzelnen Schichten, insbesondere der Kernschicht 120 definiert. Dazu senkrecht steht die Längsrichtung LR, welche auch durch zwei aufeinander senkrecht stehende Längsrichtungen in einem dreidimensionalen Koordinatensystem ausgebildet sein kann.
Weiter ist der 2 zu entnehmen, dass die beiden Anschlüsse der Matrixmaterial-Zufuhrvorrichtung 50 und der Unterdruckvorrichtung 60 funktionsgemäß positioniert sind. Das bedeutet, dass der Anschluss der Unterdruckvorrichtung 60 auf der Außenseite der Folienanordnung 170 und der Anschluss der Matrixmaterial-Zufuhrvorrichtung 50 auf der Innenseite der Folienanordnung 170 mündet. Mit anderen Worten bildet der Anschluss der Matrixmaterial-Zufuhrvorrichtung 50 eine Angussvorrichtung für das Einbringen des fließfähigen Matrixmaterials 150 in die Halbzeug-Anordnung 100a und der Anschluss der Unterdruckvorrichtung 60 eine Absaugungsvorrichtung zur Absaugung von Gas durch die semipermeable Folienanordnung 170 hindurch zur Erzeugung eines Unterdrucks im Inneren der Folienanordnung 170. Um diesen Unterdruck zu erzielen, kann in besonderen Einsatzsituationen eine weitere Folie die Umgebung von dem Anschluss der Underdruckvorrichtung 60 abdichten, die dementsprechend gasdicht ist. Diese Gasdichtheit kann jedoch auch durch eine obere Abdeckvorrichtung 24a erzeugt werden, wie sie beispielsweise in der 3 auf der unteren Aufnahmevorrichtung 22 aufgesetzt ist.
Nach dem Vollenden des Einlegens der Halbzeug-Anordnung 100a zur Erzeugung einer Sandwichstruktur für das Sandwich-Bauteil 100, der Fließhilfen 140 und der Folienanordnung 170 wird die Volumenbegrenzungs-Vorrichtung 24 eingesetzt, bzw. aufgesetzt. In der Ausführungsform der vorliegenden 3 handelt es sich bei der Volumenbegrenzungs-Vorrichtung 24 um eine obere Abdeckvorrichtung 24a. Diese wird auf der Aufnahmevorrichtung 22 aufgesetzt. Dabei bildet sich ein Werkzeug-Innenraum 26 zwischen der Aufnahmevorrichtung 22 und der oberen Abdeckvorrichtung 24a aus, die hinsichtlich ihrer Abmessungen, insbesondere in Dickenrichtung DR der Kernschicht 120, an die eingelegten Schichten, also die beiden trockenen Halbzeuggelege 110a und 130a, die Kernschicht 120, die Fließhilfen 140 sowie die Folienanordnung 170, derart angepasst ist, dass eine im Wesentlichen spielfreie Aufnahme der enthaltenen Schichten in dem Werkzeug-Innenraum 26 erfolgt.
Hierfür weist der Werkzeug-Innenraum 26 in Dickenrichtung DR eine Dicke d3 auf. Die trockenen Halbzeuggelege 110a und 130a sowie die Kernschicht 120 ergeben zusammen die Dicke des Halbzeugs 100a die mit d1 in 3 gekennzeichnet ist. Zu dieser Dicke d1 kann noch die Dicke der Fließhilfen 140 und die der Folienanordnung 170 addiert werden, so dass sich die Dicke d2 ergibt.
Diese drei Abmessungen korrelieren im Sinne der im Wesentlichen spielfreien Aufnahme in dem Werkzeug-Innenraum 26 miteinander wie folgt. Die Fließhilfe 140 kann zum Teil komprimierbar sein. Dementsprechend ist es vorteilhaft, wenn die Dicke d3, also die Abmessung in Dickenrichtung DR des Werkzeug-Innenraums 26, einen Maximalwert aufweist, der nicht größer, sondern kleiner oder gleich dem Wert d2 ist. Damit ist sichergestellt, dass kein Luftraum außerhalb der Folienanordnung 170 verbleibt und damit kein Raum für die Expansion, also das Ausdehnen insbesondere der Kernschicht 120, gegeben ist.
Weiter ist der Abstand der Aufnahmevorrichtung 22 und der oberen Abdeckvorrichtung 24a mit der Bezeichnung d3 größer zu wählen als die Dicke des Halbzeugs 100, nämlich die Dicke d1. Damit bildet d1 die Untergrenze für die Dicke der Kavität 26, also die Dicke d3. Als Untergrenze ist d1 definiert, da in einer solchen Ausführungsform für die Dicke d3 die Fließhilfe 140 nahezu vollständig komprimiert werden müsste, um die Aufnahmevorrichtungen 22 und die obere Abdeckvorrichtung 24a miteinander zu verbinden. Da ein vollständiges Komprimieren nicht möglich ist, wird in geringem Maße eine Kompression auch der Kernschicht 120 sowie der beiden Halbzeuggelege 110a und 130a durchgeführt werden. Ziel ist es jedoch, bei einer solchen grundsätzlichen Kompression der Elemente, die in dem Werkzeug-Innenraum 26 aufgenommen sind, die Druckerzeugung innerhalb des Werkzeug-Innenraums 26 auf ein Maximum von 0,3 bar zu begrenzen. Unter der voranstehenden Definition ist der Begriff „spaltfrei” im Sinne der vorliegenden Anmeldung zu verstehen.
In der Position wie in 3 dargestellt wird das erfindungsgemäße Verfahren weiter ausgeführt. Insbesondere werden die beiden Erwärmungsphasen, die dazwischen liegende Infusionsphase, die nachfolgende Härtephase und das abschließende Abkühlen durchgeführt. Hierzu wird später noch eine detailliertere Beschreibung gegeben.
Nach dem Ausführen des Prozesses wurde das Matrixmaterial 150 infusioniert und ausgehärtet. Durch die Aushärtung sind Verbindungsbereiche 106, wie auch aus den beiden trockenen Halbzeuggelegen 110a und 130a die beiden Hautschicht 110 und 130 entstanden, wie sie beispielsweise der 4 zu entnehmen sind. Über diese Verbindungsbereiche 106 ist die Kernschicht 120 mit den Hautschichten 110 und 130 fest verbunden. Das fertiggestellte Sandwich-Bauteil 100 der 4 kann nun in dieser Weise direkt verwendet werden oder einem anschließenden Temperschritt zum vollständigen Aushärten des eingebrachten Matrixmaterials 150 unterzogen werden. Das Matrixmaterial 150 ist in der ausgehärteten Situation der 3 nicht mehr exakt zu definieren, sondern liegt ausgehärtet in den Halbzeuggelegen 110a und 130a unter der Ausbildung der beiden Hautschichten 110 und 130 vor sowie in die Kernschicht 120 zur Ausbildung der Verbindungsbereiche 106 bereichsweise eingedrungen.
Nachfolgend sollen kurz die Temperaturverläufe, die einzelnen Phasen und die entsprechenden Auswirkungen auf die einzelnen Elemente der Halbzeug-Anordnung 100a erläutert werden.
In 5a ist ein möglicher Temperatur- und Druckverlauf für ein erfindungsgemäßes Verfahren dargestellt. Anhand dieses Verlaufs sollen nachfolgend die einzelnen Phasen eines erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben werden. Nach dem Einlegen der einzelnen Elemente, also der trockenen Halbzeuggelege 110a und 130a sowie der Kernschicht 120, der Fließhilfen 140 und der Umhüllung durch die Folienanordnung 170 wird nach dem Schließen der Aufnahmevorrichtung 22 mit der oberen Abdeckvorrichtung 24a ein Unterdruck in dem Werkzeug-Innenraum 26 angelegt. Dieser Unterdruck baut sich auf und wird mit Bezug auf Standardbedingungen ca. Minus 1 bar eingestellt. Dabei handelt es sich selbstverständlich um einen technisch erzielbaren Unterdruck und nicht einen absoluten Nullpunkt des Drucks. Nachdem der Unterdruck angelegt worden ist und auf diese Weise die einzelnen Schichten, insbesondere die trockenen Halbzeuggelege 110a und 130a in der eingelegten Position gehalten, bzw. fixiert sind, kann der erste Aufheizvorgang, also die erste Erwärmungsphase durchgeführt werden.
Die erste Erwärmungsphase dient zum Vorbereiten der eingelegten Halbzeug-Anordnung 100a auf die nachfolgende Infusionsphase. Das Vorheizen dauert ca. 50 Minuten und findet von Raumtemperatur auf bis zu 120°Celsius statt. Ein Temperaturbereich, in welchem die Infusionstemperatur liegen sollte, kann mit 80 bis 120°C angegeben werden. Sobald die Halbzeug-Anordnung 100a die Temperatur zur Infusion, beispielsweise 120°Celsius erreicht hat, wird der Zufluss für Matrixmaterial 150 freigegeben, sodass dieses durch den Unterdruck, also das Vakuum gesaugt und in den Werkzeug-Innenraum 26 und damit in die Halbzeug-Anordnung 100a infusioniert wird. Der Infusionsprozess für Matrixmaterial 150 dauert üblicherweise zwischen 20 und 30, insbesondere 25 Minuten. Die Dauer hängt dabei hauptsächlich von der Viskosität, also der Beschaffenheit des Matrixmaterials ab. Je zähflüssiger ein Material ist, also desto höher die Viskosität ist, umso länger wird auch der Infusionsprozess dauern. Grundsätzlich ist das Zusammenspiel zwischen Infusionstemperatur, Matrixmaterial 150 und Infusionsdauer so zu wählen, dass die Infusionsdauer im Wesentlichen kürzer als die sogenannte Topfzeit, also die maximale Verarbeitungszeit des Matrixmaterials 150 mit Bezug auf dessen Aushärtung ist.
Nach Abschluss des Infusionsprozesses, also nach im Wesentlichen vollständigen Füllen aller gewünschten Bereiche im Inneren der Halbzeug-Anordnung 100a mit Matrixmaterial 150, kann die zweite Erwärmungsphase beginnen. Selbstverständlich kann der letzte Teil der Infusionsphase auch noch in der bereits begonnenen zweiten Erwärmungsphase stattfinden. Diese dauert ca. 45 Minuten und erwärmt die Halbzeug-Anordnung 100a, welche nun mit Matrixmaterial 150 getränkt ist auf eine höhere Temperatur zum Aushärten, also die Aushärtetemperatur. Diese liegt insbesondere im Bereich von 160 bis 220°C, beispielsweise bei 180°Celsius. Zu diesem Zeitpunkt, also direkt nach Anschluss an die zweite Erwärmungsphase ist zumindest der größte Teil des Matrixmaterials 150 noch flüssig, bzw. fließfähig und nicht ausgehärtet. Der Aushärtevorgang selbst wird bei der höheren Temperatur von 180°Celsius durchgeführt und diese Temperatur beispielsweise länger als 60 Minuten gehalten.
Das Aushärten erfolgt zum Beispiel durch die Polymerisation des Matrixmaterials 150 und damit einhergehendes Vernetzen und Erzeugen der gewünschten Verbindungsbereiche 106. Nach Beendigung der Aushärtephase wird das entstandene Sandwich-Bauteil 100 wieder auf Raumtemperatur abgekühlt. Spätestens dann wird der Unterdruck abgebaut, so dass quasi ein Belüften des Werkzeug-Innenraums 26 stattfindet, um anschließend das fertige Sandwich-Bauteil 100 entformen zu können.
Mit Bezug auf die Temperaturverläufe lässt sich ein erfindungsgemäßes Verfahren, also sowohl ein erfindungsgemäßes Konstant-Volumen-Verfahren, als auch ein erfindungsgemäßes Quasistationär-Temperatur-Verfahren, demnach in die folgenden Phasen aufteilen. In einer ersten Erwärmungsphase wird auf die Infusionstemperatur erwärmt. Auf der Infusionstemperatur wird die Infusionsphase bei konstanter Temperatur für die Infusion mit Matrixmaterial 150 genutzt. Anschließend wird in einer zweiten Erwärmungsphase auf eine Aushärtungstemperatur erwärmt, die oberhalb der Infusionstemperatur liegt. Auf der Aushärtungstemperatur wird verharrt, bis die gewünschte Aushärtung des Matrixmaterials 150, bzw. der gewünschte Aushärtungsgrad erreicht ist. Anschließend wird in einer Abkühlphase bis auf Raumtemperatur abgekühlt. Bei der Verwendung von Vakuum, also Unterdruck, kann dieser bereits früher abgeschaltet werden. Beispielsweise kann die Unterdruckerzeugung bereits während der Aushärtephase, beispielweise ab der Hälfte der Aushärtephase abgeschaltet werden. Zu diesem Zeitpunkt ist bereits eine ausreichende Aushärtung, beispielsweise eine ausreichende Vernetzung vollzogen, so dass ein weiteres Erzeugen von Unterdruck nicht mehr notwendig ist. Entscheidend ist jedoch bei der Verwendung einer Erzeugung von Unterdruck, dass während der ersten Erwärmungsphase, während der Infusionsphase und auch während der zweiten Erwärmungsphase ein Vakuum anliegt, also ein Unterdruck in dem Werkzeug-Innenraum 26 erzeugt wird.
In Abhängigkeit des Temperaturverlaufs der 5a entsteht auch eine entsprechende Spannung im Inneren der Kernschicht 120. Diese hängt von der Temperatur ab, und ist umso größer, umso höher die Temperatur der Halbzeug-Anordnung 100a ist. Die Spannung liegt vor, da durch die untere Aufnahmevorrichtung 22 und die obere Abdeckvorrichtung 24a das Volumen für eine Ausdehnung der Kernschicht 120 nicht vorhanden ist, also das Volumen der Kernschicht 120 auf deren Ausgangsvolumen begrenzt ist. Auf diese Weise steigt gemeinsam mit der Temperatur auch die Druckeigenspannung im Inneren des Materials der Kernschicht 120 an. Dies ist jedoch insoweit unerheblich, als nach dem Durchführen des Prozesses wieder eine vollständige Abkühlung auf Starttemperatur, insbesondere auf Raumtemperatur erfolgt. Auf diese Weise wird durch die Abkühlung im gleichen Maße, wie vorher die Eigenspannung mit dem Anstieg der Temperatur aufgebaut worden ist, durch das Abkühlen die Druckspannung wieder abgebaut. Im Ergebnis wird ein Sandwich-Bauteil 100 erzeugt, welches im Wesentlichen zugeigenspannungsfrei vorliegt.
5b zeigt eine mögliche Modifikation des Temperaturverlaufs der 5a. Hier sind die einzelnen Temperaturänderungsphasen, also die beiden Erwärmungsphasen und die Abkühlphase, jeweils stufenweise ausgeführt. Die einzelnen stufenweisen Ausführungen können frei miteinander kombiniert werden. So ist es beispielsweise möglich, dass nur die zweite Erwärmungsphase stufenweise ausgeführt ist, dass die erste und die zweite Erwärmungsphase stufenweise ausgeführt sind oder nur die zweite Erwärmungsphase und die Abkühlphase stufenweise ausgeführt sind. Auch eine stufenweise Ausbildung aller Temperaturänderungsphasen, wie in 5b dargestellt, ist denkbar. Das stufenweise Ausführen der jeweiligen Temperaturänderungen ist dabei insbesondere hinsichtlich einer gleichmäßigen Temperaturverteilung im Inneren der Halbzeug-Anordnung 100a beziehungsweise im Inneren des Sandwich-Bauteils 100 wichtig. So können durch das Ausgleichen der Temperatur unterschiedliche Temperatursprünge, bzw. Temperaturgradienten, also unterschiedliche Volumina in der Kernschicht 120, welche unterschiedliche Temperaturen aufweisen, auf eine maximale Temperaturdifferenz beschränkt werden, sodass Quetschungen im Schaum vermieden werden können. Gleiches gilt auch für die auf diese Weise ermöglichte Materialrelaxation während des Abkühlvorgangs. Der Temperaturverlauf, wie er in der 5b dargestellt ist, ist dabei insbesondere für alle Nassverfahren, also alle Arten von LCM (Liquid Composite Moulding), möglich. Die Vorteile der Reduktion der Zugeigenspannung sind durch den Einsatz der erfindungsgemäßen Temperaturstufen nicht auf die Kombination mit der Begrenzung des Volumens des Werkzeug-Innenraums 26 beschränkt.
6 zeigt eine beschleunigte Ausführung eines Verfahrens, wie sie in 5a hinsichtlich des Temperatur- und Druckverlaufs dargestellt ist. Die identische Beschleunigung kann auch für die mit Bezug auf 5b beschriebenen Temperaturverlaufsvarianten durchgeführt werden. Eine Beschleunigung konnte hier insbesondere im Hinblick auf die Dauer des Aushärtevorgangs durchgeführt werden. Die Verkürzung des Aushärtevorgangs führt dazu, dass das Matrixmaterial 150 während der Aushärtephase nicht vollständig, sondern nur bis zu einem vordefinierten Aushärtungsgrad, beispielsweise 70 bis 90% aushärtet. Ein weiteres Aushärten zu diesem Zeitpunkt ist nicht notwendig, da anschließend eine sogenannte Temperphase durchgeführt wird. Diese Temperphase wird bei einer Temperatur oberhalb der Aushärtetemperatur, beispielsweise 180 bis 220°Celsius, durchgeführt und ist insbesondere außerhalb der Werkzeugvorrichtung 20 durchzuführen. Damit ist die Werkzeugvorrichtung 20 wieder frei für die nächste Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, während die Temperphase parallel davon, auch gleichzeitig für mehrere Sandwich-Bauteile 100, durchgeführt werden kann. Dies reduziert die Verfahrensdauer und erhöht damit die Durchlaufanzahl bzw. die Stückzahl bei der Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens, sowohl eines erfindungsgemäßen Konstant-Volumen-Verfahrens, als auch eines erfindungsgemäßen Quasistationär-Temperatur-Verfahrens.
Mit Bezug auf die 7a bis 7c sowie 8a und 8c wird nochmals detailliert einer der Vorteile eines erfindungsgemäßen Verfahrens, insbesondere des erfindungsgemäßen Konstant-Volumen-Verfahrens erläutert.
7a bis 7c zeigen die Volumen-Ausdehnungen und die entsprechenden Resultate bei der Verwendung bekannter Verfahren aus dem Stand der Technik. In jeder Figur ist die in diesem Zustand vorhandene Eigenspannung qualitativ dargestellt.
In 7a ist der Zustand bei Raumtemperatur schematisch dargestellt. Die Kernschicht 120 und ein angelegtes trockenes Halbzeuggelege 110a weisen die im Wesentlichen gleiche Volumen-Ausdehnung auf. Die Materialspannung in der Kernschicht 120 ist dabei im Wesentlichen Null. In 7b ist eine Situation während des Aushärtevorgangs dargestellt. Dieser ist beispielsweise bei ca. 180°Celsius durchgeführt, so dass die einzelnen Elemente, also insbesondere die Kernschicht 120 und die inzwischen ausgebildete erste Hautschicht 110 sich entsprechend ihrer Wärmeausdehnungskoeffizienten ausgedehnt haben. Aufgrund der Tatsache, dass die Kernschicht 120 einen wesentlich größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als die Hautschicht 110 aufweist, ist auch deren Ausdehnung, also deren Volumen-Beanspruchung deutlich größer. Da der Ausdehnung des Volumens der Kernschicht 120 nichts entgegengesetzt wird, bleibt auch die Materialspannung in dieser Situation im Wesentlichen Null und die Kernschicht 120 dehnt sich entsprechend der vorhandenen Temperatur aus. Gleichzeitig wird in dieser ausgedehnten Position der Verbindungsbereich 106 ausgebildet, also die Kernschicht 120 mit der Hautschicht 110 verbunden. Anschließend wird nun abgekühlt, so dass sich die abkühlenden Elemente eigentlich entsprechend ihrer Wärmeausdehnungskoeffizienten zusammenziehen würden. Aufgrund der geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten der Hautschichten 110 (und 130) würden sich diese kaum zusammenziehen, während sich die Kernschicht 120 in ihre im Wesentlichen ursprünglichen Volumenform, wie in 7a dargestellt, zurück verformen würde. An dieser Verformung, also an dem Zusammenziehen, hindert sie jedoch der inzwischen ausgebildete und teilweise ausgehärtete oder vollständig ausgehärtete Verbindungsbereich 106. In dem in der 7b dargestellten Zwischenzustand ist die darin dargestellte Verbindung 106 noch nicht als Verbindung voll wirksam, da das Harz zu diesem Zeitraum noch nicht ausgehärtet ist. Die Kernschicht 120 kann sich also nicht wie gewünscht zusammenziehen, so dass während dem Abkühlen eine Eigenspannung als Zugspannung entsteht. Diese Zugspannung ist als Materialeigenspannung in der Grafik der 7c dargestellt.
Dem gegenüber kann mit einem erfindungsgemäßen Verfahren eine Zugeigenspannung im fertigen Bauteil, also in dem fertigen Sandwich-Strukturteil 100, im Wesentlichen vermieden werden. Der Ausgangspunkt der 8a ist identisch mit dem Ausgangspunkt der 7a. Jedoch wird bei einem weiteren Aufheizen, insbesondere der ersten Erwärmungsphase und der zweiten Erwärmungsphase, dem Infusionsprozess und der Aushärtephase eine Volumenbegrenzungs-Vorrichtung 24 verwendet um das Volumen der Kernschicht 120 und der gesamten Halbzeug-Anordnung 100a zu begrenzen. Damit ist es der Kernschicht 120 nicht möglich dem Temperaturverlauf zu folgen und sich entsprechend auszudehnen. Vielmehr bleibt das Volumen der Kernschicht 120 im Wesentlichen konstant, wie dies der 8b beispielsweise mit Bezug auf die Aushärtephase zu entnehmen ist. Stattdessen baut sich eine Druckspannung im Inneren der Kernschicht 120 auf, welche über die entsprechende Volumenbegrenzungs-Vorrichtung 24 im Kraftgleichgewicht gehalten wird. In diesem unausgedehnten Zustand der Kernschicht 120 wird der Verbindungsbereich 106 ausgebildet, also eine Verbindung zwischen Kernschicht 120 und der ausgebildeten Hautschicht 110, hergestellt. Wird die Halbzeug-Anordnung 100a wieder abgekühlt, so zieht sich die Kernschicht 120 nicht zusammen, da sich diese aufgrund des Einflusses der Volumenbegrenzungs-Vorrichtung bereits in einem der Raumtemperatur entsprechenden Ausdehnungszustand befindet. Während des Abkühlens der Halbzeug-Anordnung bauen sich die in dieser während des Aufheizens entstandenen Druckspannungen ab. Im Ergebnis liegt ein Sandwich-Bauteil 100 vor, welches im Wesentlichen keine Material-Zugeigenspannungen aufweist.
In 9 ist eine Situation im Querschnitt während der zweiten Erwärmungsphase dargestellt. Hier ist zu erkennen, dass eine Verstärkungsvorrichtung 160 zwischen den beiden Hautschichten 110 und 130 vorgesehen ist, die zwischen zwei Schaumplatten 120a und 120b angeordnet ist. Aufgrund dieser Verstärkungsvorrichtung 160 ist das Einbringen von Wärme während der zweiten Erwärmungsphase inhomogen über die Halbzeug-Anordnung 100a. So wird die Wärme zwar in den Hautschichten 110 und 130 relativ gleichmäßig verteilt, jedoch durch die Verstärkungsvorrichtung 160 schneller in diese angrenzenden Bereiche der Schaumplatte 120a und 120b der Kernschicht 120 eingebracht, als dies in den übrigen Bereichen der Kernschicht 120 der Fall ist. Dadurch entstehen Wärmefronten WF, welche inhomogen durch die Kernschicht 120, also durch die Schaumplatten 120a und 120b, laufen. Diese Wärmefronten WF haben zur Folge, dass es das Risiko gibt, dass einzelne, nebeneinander liegende Volumen-Elemente der Kernschicht 120 deutlich unterschiedliche Temperaturen, also hohe Temperaturgradienten aufweisen. Aufgrund solch deutlich unterschiedlicher Temperaturen kann es zu stark unterschiedlichen Verformungen, beziehungsweise zu stark unterschiedlichen Spannungen benachbarter Volumen-Elemente in der Kernschicht 120 kommen. Dies kann zu Quetschungen des Materials der Kernschicht 120 beziehungsweise zu Quetschungen oder Verschiebungen der Verstärkungsvorrichtungen 160 führen. Um dies zu vermeiden, um insbesondere also die Wärmefronten WF mit weniger großen Temperaturgradienten zu versehen, kann es vorteilhaft sein, wie in 5b dargestellt, insbesondere die zweite Erwärmungsphase stufenweise auszuführen. Ein solches stufenweises Erwärmen ist beispielsweise über zwei Minuten und fünf Grad denkbar, wobei zwischen den einzelnen Stufen eine Haltezeit von ca. fünfzehn Minuten eingehalten wird. Auf diese Weise wird der Temperaturgradient reduziert und somit die Unterschiede der Eigenspannungen in den nebeneinander liegenden Volumen-Elementen der Kernschicht 120 auf ein Minimum reduziert.
Weiter ist der 9 eine Ausführungsform der Halbzeug-Anordnung 100a zu entnehmen, bei welcher die Kernschicht 120 durch zwei bzw. mehrere nebeneinander angeordnete Schaumplatten 120a und 120b gebildet wird. Zwischen den Stößen dieser Schaumplatten 120a und 120b ist die entsprechende Verstärkungsvorrichtung 160 vorgesehen, die zum Beispiel als eine Art Pin, insbesondere aus einem CFK-Material gebildet sein kann. Selbstverständlich können solche Verstärkungsvorrichtungen 160 auch direkt in den Randbereichen der jeweiligen Schaumplatte 120a und 120b und nicht nur im Bereich dazwischen angeordnet sein.
10 zeigt schematisch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Herstellvorrichtung 10. Diese weist als eines ihrer zentralen Elemente eine Werkzeugvorrichtung 20 auf, die eine untere Aufnahmevorrichtung 22 und eine als obere Abdeckvorrichtung 24a ausgebildete Volumenbegrenzungs-Vorrichtung 24 aufweist. Durch die untere Aufnahmevorrichtung 22 und die obere Abdeckvorrichtung 24a wird ein Werkzeug-Innenraum 26 gebildet, in der die Halbzeug-Anordnung 100a aufgenommen werden kann. Um auch in Längsrichtung der Kernschicht 120 einer solchen Halbzeug-Anordnung 100a eine Anpassung der Größe des Werkzeug-Innenraums 106 ausbilden zu können, sind an beiden Enden links und rechts des Werkzeug-Innenraums 26 Volumen-Begrenzungselemente 28 vorgesehen, welche in dieser Richtung, also der Längsrichtung LR eine bündige Einpassung einer Halbzeug-Anordnung 100a in der Werkzeug-Innenraum 26 ermöglichen.
Auf der Oberseite der Werkzeugvorrichtung 20, also durch die obere Abdeckvorrichtung 24a hindurch, sind Anschlüsse einer Matrixmaterial-Zufuhrvorrichtung 50 dargestellt. Diese erfolgt aus einem Matrixmaterial-Vorratsbehältnis 40 über ein Ventil an vier verschiedenen Stellen, so dass über die Fließhilfen 140 die Halbzeug-Anordnung 100a im Wesentlichen kontinuierlich über die gesamte Fläche in Längsrichtung LR und anschließend in Dickenrichtung DR gespeist werden kann. Dem gegenüberliegend, also in der unteren Aufnahmevorrichtung 22, ist eine Unterdruckvorrichtung 60 vorgesehen, welche ebenfalls an vier Stellen eine Absaugung, d. h. eine Unterdruckerzeugung durchführt. Über ein Ventil ist ein Kompressor angeschlossen, der die Evakuierung des Werkzeug-Innenraums 26 vornimmt. Um während des Prozesses, also insbesondere während des Aufheizens, zu gewährleisten, dass das Innenvolumen des Werkzeug-Innenraums 26 in gewünschter Weise begrenzt wird, ist weiter ein Verstärkungsträger 32 vorgesehen, der über zwei Kraftübertragungselemente 36 mit der oberen Abdeckvorrichtung 24a kraftschlüssig gekoppelt ist. Sobald sich die obere Abdeckvorrichtung 24a aufgrund des in dem Werkzeug-Innenraum 26 entstehenden Innendrucks durch die Ausdehnung der Kernschicht 120 verformen möchte, wird dies durch die Abstützung am Verstärkungsträger 32 verhindert. Dieser wiederum stützt sich selbst an Ständervorrichtungen 34 ab, in welchen er beweglich, insbesondere in Schienen verfahrbar gelagert ist, sodass an den Ständervorrichtungen 34 die obere Abdeckvorrichtung 24a zum Einlegen der Halbzeuge 100a sowie zum Entformen der fertigen Sandwichstrukturplatte 100 nach oben gefahren werden kann. Die Aufnahmevorrichtung 22 ist dabei vorteilhafterweise ebenfalls auf Schienen verfahrbar und mit einem Rastmechanismus versehen, welcher einrastet, sobald die Aufnahmevorrichtung 22 die für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens benötigte Position erreicht hat. Das Aufsetzen der oberen Abdeckvorrichtung 24a durch Verfahren entlang der Schienen in den Stützvorrichtungen 34 kann dabei erst erfolgen, wenn der Rastmechanismus eingerastet ist und damit die richtige Position der Aufnahmevorrichtung 22 bestätigt ist.
Weiter sind zwei Temperatursensor-Vorrichtungen 82 vorgesehen, von denen jede in entweder der Aufnahmevorrichtung 22 oder der oberen Abdeckvorrichtung 24a angeordnet ist. Beide Temperatursensor-Vorrichtungen 82 sind in der Lage, die Temperatur der Aufnahmevorrichtung 22 bzw. der oberen Abdeckvorrichtung 24a wahrzunehmen und über eine Signalleitung an eine Temperaturregelvorrichtung 80 weiterzuleiten. Diese Temperaturregelvorrichtung 80 ist mit zwei Gebläseöffnungen 72 pro Heizquelle 70 verbunden, so dass bei kontinuierlicher Wärmeerzeugung in der Heizquelle 70 durch Öffnen und Schließen der Gebläseöffnungen 72 der Innenraum der Herstellvorrichtung 10 unterschiedlich stark mit Wärme beeinflusst werden kann. Je nachdem welche Temperatur von den Temperatursensor-Vorrichtungen 82 an die Temperaturregelvorrichtung 80 weitergegeben wird, kann die Wärmezufuhr auf diese Weise erhöht oder erniedrigt werden.
In der 11 ist eine Variante der Ausführungsform der 1 bis 3 dargestellt. Bei dieser Variante ist die Volumenbegrenzungsvorrichtung 24 als Überdruckvorrichtung 24b ausgebildet. Im Gegensatz zu der oberen Abdeckvorrichtung 24a, wird hier keine spielfreie Ausbildung des Werkzeug-Innenraums 26 erzeugt. Vielmehr verbleibt bewusst ein Luftraum oberhalb der Halbzeug-Anordnung 100a bzw. den Fließhilfen 140 und der Folienanordnung 170. Bei dieser Ausführungsform ist eine weitere Folienanordnung, die der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt ist, um die Folienanordnung 170 herum angeordnet. Die Erzeugung von Unterdruck erfolgt zwischen diesen beiden Folienanordnungen. Der verbleibende Luftraum ist also nicht in fluidkommunizierender Verbindung mit der Unterdruckvorrichtung 60. Vielmehr kann in diesem Luftraum ein Überdruck angelegt werden, der einem durch Temperaturerhöhung entstehenden Expansionsdruck der Kernschicht 120 der Halbzeug-Anordnung 100a entgegenwirkt. Diese Ausführungsform ist eine Möglichkeit der Durchführung des erfindungsgemäßen Konstant-Volumen-Verfahrens mit einer im Wesentlichen offenen Werkzeugvorrichtung. Bei der Überdruckvorrichtung 24b kann es sich dabei auch um einen Autoklaven oder eine Pressmaschine handeln, welche neben dem benötigten Überdruck auch die gewünschten Temperaturverläufe erzeugen kann.
Bezugszeichenliste

10: Herstellvorrichtung
20: Werkzeugvorrichtung
22: Aufnahmevorrichtung
24: Volumenbegrenzungs-Vorrichtung
24a: obere Abdeckvorrichtung
24b: Überdruckvorrichtung
26: Werkzeug-Innenraum
28: Volumenbegrenzungs-Elemente
30: Versteifungsvorrichtung
32: Längsträger
34: Stützvorrichtungen
36: Kraftübertragungsvorrichtung
40: Matrixmaterial-Vorratsbehältnis
50: Matrixmaterial-Zufuhrvorrichtung
60: Unterdruckvorrichtung
70: Heizquelle
72: Gebläseöffnungen
80: Temperaturregelungsvorrichtung
82: Temperatursensor-Vorrichtung
100: Sandwich-Strukturteil
100a: Halbzeug-Anordnung
106: Verbindungsbereich
110: erste Hautschicht
110a: trockenes Halbzeuggelege zur Bildung der ersten Hautschicht
120: Kernschicht
120a: Schaumplatte
120b: Schaumplatte
130: zweite Hautschicht
130a: trockenes Halbzeuggelege zur Bildung der zweiten Hautschicht
140: Fließhilfe
150: Matrixmaterial
160: Verstärkungsvorrichtungen
170: Folienanordnung
DR: Dickenrichtung der Kernschicht
LR: Längsrichtung der Kernschicht
WF: Wärmefront
RT: Raumtemperatur

Claims

Verfahren zur Herstellung eines schadensfreien Sandwich-Bauteils (100), aufweisend die folgenden Schritte: • Einlegen einer Halbzeug-Anordnung (100a) aus zwei Lagen von jeweils zumindest einem trockenen Halbzeuggelege (110a, 130a) und einer zwischen diesen gelegenen Kernschicht (120) insbesondere aus Hartschaum als Ausgangsmaterialien des Sandwich-Bauteils (100) in eine Werkzeugvorrichtung (20), • in einer ersten Erwärmungsphase Erwärmen der Halbzeug-Anordnung (100a) auf eine Infusionstemperatur, • Einbringen eines fließfähigen Matrixmaterials (150) in die Halbzeug-Anordnung (100a), • in einer zweiten Erwärmungsphase stufenweise Temperaturerhöhung der Halbzeug-Anordnung (100a) in Teilschritten, so dass jeder Teilschritt einen Temperatur-Erhöhungsabschnitt und einen Temperatur-Halteabschnitt aufweist, um einen Temperaturausgleich innerhalb der Halbzeug-Anordnung (100a) zu erreichen, • zumindest teilweises Aushärten des eingebrachten Matrixmaterials (150) vor, während und/oder nach der zweiten Erwärmungsphase zur Bildung der Hautschichten (110, 130) und eines Verbindungsbereichs (106) zur zumindest abschnittsweise flächigen Verbindung von der Kernschicht (120) und den Hautschichten (110, 130), • Abkühlen der Halbzeug-Anordnung (100a) auf Raumtemperatur.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbzeug-Anordnung (100a) mit einer Fließhilfe (140) versehen und von einer Folienanordnung (170) umgeben ist und das fließfähige Matrixmaterial (150) mittels Unterdruck in die trockene Halbzeug-Anordnung (100a) eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das fließfähige Matrixmaterial (150) mittels Überdruck in die trockene Halbzeug-Anordnung (100a) eingebracht wird.
Verfahren zur Herstellung eines eigenspannungsarmen oder eigenspannungsfreien Sandwich-Bauteils (100), aufweisend die folgenden Schritte: • Einlegen einer von einer Folienanordnung (170) umgebenen Halbzeug-Anordnung (100a) aus zwei Lagen von jeweils zumindest einem trockenen Halbzeuggelege (110a, 130a) und einer zwischen diesen gelegenen Kernschicht (120) insbesondere aus Hartschaum mit zumindest einem Fließmedium (140) in eine Aufnahmevorrichtung (22) einer Werkzeugvorrichtung (20), wobei das Anordnen in einem in der Werkzeugvorrichtung (20) gebildeten Werkzeug-Innenraum (26) derart erfolgt, dass das für die Halbzeug-Anordnung (100a) zur Verfügung stehende Volumen durch eine Volumenbegrenzungsvorrichtung (24) bis einschließlich zumindest der Aushärtungsphase begrenzt ist, • in einer ersten Erwärmungsphase Erwärmen der Halbzeug-Anordnung (100a) auf eine Infusionstemperatur und Beaufschlagen des Inneren der umhüllenden Folienanordnung (170) mit Unterdruck unter Begrenzung des Volumens der Halbzeug-Anordnung (100a), • während oder nach der ersten Erwärmungsphase Einbringen eines fließfähigen Matrixmaterials (150) in die Halbzeug-Anordnung (100a) über die Fließhilfen (140) unter Beibehaltung des vorher erzeugten Unterdrucks und unter Begrenzung des Volumens der Halbzeug-Anordnung (100a), • Durchführung einer Temperatur-Haltezeit nach der ersten Erwärmungsphase bis das Einbringen des fließfähigen Matrixmaterials (150) unter Beibehaltung des vorher erzeugten Unterdrucks und unter Begrenzung des Volumens der Halbzeug-Anordnung (100a) abgeschlossen ist, • zum zumindest teilweisen Härten der Halbzeug-Anordnung (100a) vor, während und/oder nach einer zweiten Erwärmungsphase, weiteres Erwärmen der Halbzeug-Anordnung (100a) auf eine Aushärtetemperatur, die größer als die Infusionstemperatur ist, unter Beibehaltung des erzeugten Unterdrucks und Begrenzung des Volumens der Halbzeug-Anordnung (100a), • Durchführung einer Temperatur-Haltezeit nach der zweiten Erwärmungsphase unter Begrenzung des Volumens der Halbzeug-Anordnung (100a), • Abkühlen auf Raumtemperatur unter Begrenzung des Volumens der Halbzeug-Anordnung (100a).
Verfahren nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Fixierung der Halbzeug-Anordnung (100a) das Beaufschlagen des Inneren der Folienanordnung (170) mit Unterdruck bereits vor dem Einbringen des fließfähigen Matrixmaterials (150) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Volumenbegrenzungs-Vorrichtung (24) zumindest eine obere Abdeckvorrichtung (24a) aufweist, die derart auf der Aufnahmevorrichtung (22) aufgesetzt wird, dass der dazwischen gebildete Werkzeug-Innenraum (26) die Halbzeug-Anordnung (100a), die Fließhilfen (140) und die Folienanordnung (170) spielfrei aufnimmt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Volumenbegrenzungs-Vorrichtung (24) zumindest eine Überdruckvorrichtung (24b) zur temperaturabhängigen Drucksteuerung aufweist, in welcher die Aufnahmevorrichtung (22) mit der darin aufgenommenen Halbzeug-Anordnung (100a) und den Fließhilfen (140) sowie der Folienanordnung (170) angeordnet wird, so dass die Halbzeug-Anordnung (100a), die Fließhilfen (140) und die Folienanordnung (170) während dem Verfahren mit einem temperaturabhängigen Überdruck beaufschlagt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturerhöhung der Halbzeug-Anordnung (100a) zumindest in der zweiten Erwärmungsphase stufenweise in Teilschritten erfolgt, so dass jeder Teilschritt einen Temperatur-Erhöhungsabschnitt und einen Temperatur-Halteabschnitt aufweist, um einen Temperaturausgleich innerhalb der Halbzeug-Anordnung (100a) zu erreichen.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturverringerung der Halbzeug-Anordnung (100a) in der Abkühlphase stufenweise in Teilschritten erfolgt, so dass jeder Teilschritt einen Temperatur-Verringerungsabschnitt und einen Temperatur-Halteabschnitt aufweist, um eine Materialrelaxation innerhalb der Halbzeug-Anordnung (100a) zu optimieren.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Fließhilfen (140) und den für die Bildung der Hautschichten (110, 130) vorgesehenen trockenen Halbzeuggelegen (110a, 130a) ein Abreißgewebe angeordnet ist.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kernschicht (120) aus zumindest einer Schaumplatte (120a, 120b) gebildet ist.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Kernschicht (120) Verstärkungsvorrichtungen (160) zur Erhöhung der Schadenstoleranz eingebracht sind.
Verfahren nach dem Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsvorrichtungen (160) entlang von Randabschnitten zumindest einer Schaumplatte (120a, 120b) eingebracht sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlegen der Halbzeug-Anordnung (100a) zumindest mit einer auf eine Temperatur unterhalb der Raumtemperatur gekühlten Kernschicht (120) erfolgt.
Herstellvorrichtung (10) zur Herstellung eines Sandwich-Bauteils (100), aufweisend • eine Werkzeugvorrichtung (20), die eine Aufnahmevorrichtung (22) und eine auf dieser aufsetzbare obere Abdeckvorrichtung (24a) aufweist, wobei diese derart gestaltet sind, dass dazwischen einen Werkzeug-Innenraum (26) zur spielfreien Aufnahme einer zur Herstellung des Sandwich-Bauteils (100) vorgesehenen Halbzeug-Anordnung (110a, 120, 130a), Fließhilfen (140) sowie eine diese umgebende Folienanordnung (170) bereitgestellt wird, • eine Versteifungsvorrichtung (30) zur Versteifung der Werkzeugvorrichtung (20), aufweisend an einander gegenüberliegenden Seiten der Werkzeugvorrichtung (20) angeordnete Stützvorrichtungen (34), einen sich zwischen diesen erstreckenden Versteifungsträger (32), der an den Stützvorrichtungen (34) gelagert ist, und zumindest eine Kraftübertragungsvorrichtung (36), die den Versteifungsträger (32) mit der oberen Abdeckvorrichtung (24a) zur Versteifung derselben insbesondere in deren Längsrichtung verbinden, • eine Temperatursensor-Vorrichtung (82) zur Erfassung der Temperatur der Aufnahmevorrichtung (22) und/oder der oberen Abdeckvorrichtung (24a), • eine Matrixmaterial-Zufuhrvorrichtung (50) zur Einführung von Matrixmaterial (150) in den Werkzeug-Innenraum (26), und • eine Unterdruckvorrichtung (60) zur Beaufschlagung des Werkzeug-Innenraums (26) mit Unterdruck.
Herstellvorrichtung (10) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmevorrichtung (22) und die obere Abdeckvorrichtung (24a) aus einem Material mit sehr geringem Wärmeausdehnungskoeffizienten gebildet sind.
Herstellvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein Matrixmaterialvorrat (40) vorgesehen ist, der oberhalb des Werkzeug-Innenraums (26) angeordnet ist und insbesondere an einem oberen Teil einer Stützvorrichtung (34) gelagert ist.