DE102010050740B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines Flugzeugstrukturbauteils - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Flugzeugstrukturbauteils (10) mit den Schritten: – Einlegen einer Mehrzahl von Halbzeugschichten (12) zur Herstellung eines Bauteils aus einem faserverstärkten, thermoplastischen Kunststoffmaterial in ein Presswerkzeug (14), – Beaufschlagen der übereinander angeordneten Halbzeugschichten (12) mit Druck, wobei die übereinander angeordneten Halbzeugschichten (12) vor der Beaufschlagung mit Druck derart punktuell in ihrer Position in dem Presswerkzeug (14) und/oder relativ zueinander fixiert werden, dass während der Beaufschlagung der übereinander in dem Presswerkzeug (14) angeordneten Halbzeugschichten (12) mit Druck eine eine Faltenbildung in den Halbzeugschichten (12) verhindernde Gleitbewegung der Halbzeugschichten (12) relativ zueinander und/oder relativ zu dem Presswerkzeug (14) erfolgt, und – Entnehmen des Flugzeugstrukturbauteils (10) aus dem Presswerkzeug (14), dadurch gekennzeichnet, dass der auf die übereinander angeordneten Halbzeugschichten (12) aufgebrachte Druck derart gesteuert wird, dass während einer ersten Druckbeaufschlagungsphase ein auf einen mittleren Bereich der übereinander angeordneten Halbzeugschichten (12) aufgebrachter Druck höher ist als ein auf...

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines großflächigen Flugzeugstrukturbauteils aus einem Verbundmaterial mit einer Matrix aus einem thermoplastischen Kunststoffmaterial mit den Merkmalen der Oberbegriffe der Patentansprüche 1 und 9.
  • Aus den Dokumenten DE 10 2008 020 347 A1 , DE 100 27 557 C1 , EP 0 319 895 A2 und US 5,418,035 A sind jeweils Verfahren und Vorrichtungen zur Herstellung eines Flugzeugstrukturbauteils gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 9 bekannt.
  • Im Flugzeugbau gibt es Bestrebungen, als lasttragende Bauteile zunehmend Bauteile einzusetzen, die vollständig oder teilweise aus faserverstärkten Verbundmaterialien, beispielsweise kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) bestehen. Beispielsweise beschreibt die DE 10 2007 062 111 A1 eine aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff bestehende Querträgerstruktur, die der Abstützung der einzelnen Paneele eines Flugzeugfußbodensystems zur Trennung einer Passagierkabine von einem unterhalb der Passagierkabine angeordneten Frachtraum dient. Ferner ist es beispielsweise aus der DE 10 2004 001 078 A1 bekannt, Flugzeugrumpfsegmente mit einer in Sandwichbauweise ausgeführten Haut aus faserverstärkten Verbundmaterialien zu versehen.
  • Zur Herstellung von Flugzeugstrukturbauteilen aus faserverstärkten Verbundmaterialien wird in der Regel zunächst aus Faser-Prepregs ein mehrschichtiges Laminat aufgebaut. Die Faser-Prepregs umfassen ein Gewebe oder Gelege aus Verstärkungsfasern, die mit einer Oberflächenschicht aus einem ungehärteten, duroplastischen Kunststoffmaterial, beispielsweise einem Epoxidharzmaterial versehen sind. Der Laminataufbau kann manuell oder automatisiert erfolgen. Anschließend wird das auf die Oberflächen der Fasern aufgebrachte duroplastische Kunststoffmaterial in einem Autoklavzyklus unter Druck und/oder erhöhter Temperatur ausgehärtet, so dass ein Verbundmaterial mit einer Matrix aus einem ausgehärteten duroplastischen Kunststoff und in die Matrix eingelagerten Verstärkungsfasern entsteht.
  • Das zur Herstellung der Flugzeugstrukturbauteile eingesetzte Autoklavverfahren ist zeitintensiv und erfordert durch den dafür nötigen Vakuumaufbau einen hohen Aufwand und Verbrauch an Hilfsmaterialien. Darüber hinaus besteht bei Verbundwerkstoffen mit einer Matrix aus einem duroplastischen Kunststoffmaterial immer die Gefahr, dass während des Aushärtungsprozesses, der, einmal gestartet, nicht mehr umkehrbar ist, Poren oder Spannungen in der Matrix des Verbundmaterials entstehen, die eine Nachbearbeitung bzw. Reparatur der Bauteile erforderlich machen. Im ungünstigsten Fall führen Aushärtungsprozessfehler sogar dazu, dass das Bauteil gar nicht mehr einsetzbar ist und als Ausschuss ausgesondert werden muss.
  • Anders als in duroplastischen Kunststoffmaterialien findet in thermoplastischen Kunststoffmaterialen keine Vernetzungsreaktion statt. Vielmehr ist die Konsolidierung thermoplastischer Kunststoffmaterialen reversibel, d. h. diese Materialien können durch Erwärmung beliebig oft wieder in einen plastisch verformbaren Zustand versetzt werden. Es gibt daher Bestrebungen, auch im Flugzeugbau faserverstärkte Verbundmaterialien mit einer thermoplastischen Matrix einzusetzen und durch Heißpressen zu verarbeiten. Beim Heißpressen größerer Bauteile aus faserverstärkten Verbundmaterialien mit einer thermoplastischen Matrix tritt jedoch häufig das Problem der Faltenbildung in den zu verpressenden Faserlagen auf. Dadurch entstehen Bauteilfehler, die die Belastbarkeit der Bauteile deutlich reduzieren können. Dies ist insbesondere bei Primärstrukturbauteilen, die hinsichtlich ihrer Belastbarkeit besonders hohen Anforderungen unterliegen, nicht tolerierbar.
  • Die Erfindung ist auf die Aufgabe gerichtet, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines großflächigen Flugzeugstrukturbauteils aus einem Verbundmaterial mit einer Matrix aus einem thermoplastischen Kunststoffmaterial anzugeben.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst.
  • Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Flugzeugstrukturbauteils wird zunächst eine Mehrzahl von Halbzeugschichten zur Herstellung eines Bauteils aus einem faserverstärkten, thermoplastischen Kunststoffmaterial in ein Presswerkzeug eingelegt. Die Halbzeugschichten können unidirektional angeordnete oder in Form von Gelegen oder Geweben vorliegende Verstärkungsfasern enthalten. Als Verstärkungsfasern, die als Kurzfasern oder Endlosfasern ausgebildet sein können, können Kohlenstofffasern, aber auch andere geeignete Fasern, wie z. B. Glasfasern eingesetzt werden. Die Verstärkungsfasern sind vorzugsweise mit einer Oberflächenschicht aus einem thermoplastischen Kunststoffmaterial versehen. Geeignete Kunststoffmaterialien sind beispielsweise Polyetherketone, Polyphtalamid oder Polyphenylensulfid. Das Einlegen der Halbzeugschichten in das Presswerkzeug zum Aufbau eines Laminats kann manuell oder automatisiert erfolgen.
  • Die übereinander angeordneten Halbzeugschichten werden mit Druck beaufschlagt, wobei die übereinander angeordneten Halbzeugschichten vor der Beaufschlagung mit Druck derart punktuell in ihrer Position in dem Presswerkzeug und/oder relativ zueinander fixiert werden, dass während der Beaufschlagung der übereinander in dem Presswerkzeug angeordneten Halbzeugschichten mit Druck eine eine Faltenbildung in den Halbzeugschichten verhindernde Gleitbewegung der Halbzeugschichten relativ zueinander und/oder relativ zu dem Presswerkzeug erfolgt. Mit anderen Worten, die Halbzeugschichten werden derart lediglich punktuell in ihrer Position in dem Presswerkzeug und/oder relativ zueinander fixiert, dass sie noch ausreichend relativ zueinander und/der relativ zu dem Presswerkzeug bewegbar sind, um eine Faltenbildung in den Halbzeugschichten während des Pressens der Halbzeugschichten zu verhindert. Durch das Verpressen der Halbzeugschichten entsteht ein Flugzeugstrukturbauteil aus einem Verbundmaterial mit einer Matrix aus einem thermoplastischen Kunststoff und in die Matrix eingelagerten Verstärkungsfasern. Der auf die übereinander angeordneten Halbzeugschichten aufgebrachte Druck wird derart gesteuert, dass während einer ersten, anfänglichen Druckbeaufschlagungsphase ein auf einen mittleren Bereich der übereinander angeordneten Halbzeugschichten aufgebrachter Druck höher ist als ein auf einen Randbereich der übereinander angeordneten Halbzeugschichten aufgebrachter Druck. Der Randbereich der übereinander angeordneten Halbzeugschichten kann während der ersten Druckbeaufschlagungsphase auch drucklos gehalten werden. Durch eine derartige Drucksteuerung kann das Risiko einer Faltenbildung in den Halbzeugschichten während des Pressens weiter verringert werden Das Flugzeugstrukturbauteil wird aus dem Presswerkzeug entnommen.
  • Das Flugzeugstrukturbauteil kann in einem lediglich einstufigen Pressprozess hergestellt werden. Alternativ dazu können jedoch auch mehrere Pressschritte ausgeführt werden, wobei dann zumindest bei einem ersten Pressschritt die oben beschriebene punktuelle Fixierung der Halbzeugschichten relativ zueinander und/oder relativ zu dem Presswerkzeug erfolgt.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Herstellung großflächiger, d. h. bis zu 7–20 m × 2–4 m großer, flächiger Flugzeugstrukturbauteile aus einem Verbundmaterial mit einer Matrix aus einem thermoplastischen Kunststoffmaterial, wobei die Umformung der Flugzeugstrukturbauteile autoklavfrei durch Pressen erfolgen kann. Dadurch können der Fertigungsaufwand, die Fertigungszeit und der Hilfsstoffbedarf bei der Herstellung der Bauteile im Vergleich zu Bauteilen aus faserverstärkten Verbundmaterialien mit einer duroplastischen Matrix deutlich gesenkt werden. Darüber hinaus zeichnen sich faserverstärkte Verbundmaterialien mit einer thermoplastischen Matrix durch ein gutes Impact-Verhalten und günstige Feuchtigkeitsaufnahmeeigenschaften aus. Schließlich müssen Halbzeuge zur Herstellung faserverstärkter Verbundmaterialien mit einer thermoplastischen Matrix nicht, wie Halbzeuge zur Herstellung faserverstärkter Verbundmaterialien mit einer duroplastischen Matrix, gekühlt, sondern können bei Raumtemperatur gelagert werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann zur Herstellung ebener und gekrümmter Flugzeugstrukturbauteile, wie z. B. Rumpf- und Flügelschalen eingesetzt werden.
  • Die übereinander angeordneten Halbzeugschichten können vor der Beaufschlagung mit Druck in einem mittleren Bereich und/oder einem Randbereich der Halbzeugschichten punktuell in ihrer Position in dem Presswerkzeug und/oder relativ zueinander fixiert werden. Zur punktuellen Fixierung der Halbzeugschichten in ihrer Position in dem Presswerkzeug und/oder relativ zueinander können geeignete Klemmen oder Klammern eingesetzt werden. Alternativ dazu ist insbesondere eine Fixierung der Halbzeugschichten relativ zueinander durch eine punktuelle Klebeverbindung möglich. Die Klebeverbindung kann beispielsweise durch lokales Aufschmelzen der auf die Verstärkungsfasern der Halbzeugschichten aufgebrachten Thermoplast-Oberflächenschichten hergestellt werden.
  • Ferner kann der auf die übereinander angeordneten Halbzeugschichten aufgebrachte Druck derart gesteuert werden, dass während der ersten Druckbeaufschlagungsphase der auf die übereinander angeordneten Halbzeugschichten aufgebrachte Druck von dem mittleren Bereich der übereinander angeordneten Halbzeugschichten in Richtung des Randbereichs der übereinander angeordneten Halbzeugschichten kontinuierlich oder diskontinuierlich abnimmt. Mit anderen Worten, falls gewünscht, kann während der ersten Druckbeaufschlagungsphase ein kontinuierliches oder diskontiunuierliches Druckverteilungsprofil über die Oberfläche der Halbzeugschichten eingestellt werden. Das Druckverteilungsprofil kann, je nach Bedarf an die zu verarbeitenden Materialien sowie die Form und Größe der herzustellenden Flugzeugstrukturbauteile angepasst werden.
  • Vorzugsweise wird der auf die übereinander angeordneten Halbzeugschichten aufgebrachte Druck derart gesteuert, dass während einer der ersten Druckbeaufschlagungsphase nachgeordneten zweiten Druckbeaufschlagungsphase ein auf den Randbereich der übereinander angeordneten Halbzeugschichten aufgebrachter Druck gegenüber dem während der ersten Druckbeaufschlagungsphase auf den Randbereich der übereinander angeordneten Halbzeugschichten aufgebrachten Druck erhöht wird. Durch die Erhöhung des Drucks auf den Randbereich der übereinander angeordneten Halbzeugschichten erst in der der ersten Druckbeaufschlagungsphase nachgeordneten zweiten Druckbeaufschlagungsphase wird sichergestellt, dass etwaige Falten in den Halbzeugschichten in Richtung des Randbereichs gedrückt und so aus den Halbzeugschichten entfernt werden können.
  • Der auf die übereinander angeordneten Halbzeugschichten aufgebrachte Druck kann auch derart gesteuert werden, dass der während der zweiten Druckbeaufschlagungsphase auf die übereinander angeordneten Halbzeugschichten aufgebrachte Druck von dem mittleren Bereich der übereinander angeordneten Halbzeugschichten in Richtung des Randbereichs der übereinander angeordneten Halbzeugschichten kontinuierlich oder diskontinuierlich erhöht wird. Das heißt, während der zweiten Druckbeaufschlagungsphase wird ein Druckverteilungsprofil über die Oberfläche der Halbzeugschichten erzeugt, das ein ”Ausstreichen” eventueller Falten in den Halbzeugschichten in Richtung des Randbereichs der Halbzeugschichten ermöglicht.
  • Vorzugsweise wird der auf die übereinander angeordneten Halbzeugschichten aufgebrachte Druck derart gesteuert, dass der während der zweiten Druckbeaufschlagungsphase auf den Randbereich der übereinander angeordneten Halbzeugschichten aufgebrachte Druck erhöht wird, bis er dem während der ersten Druckbeaufschlagungsphase auf den mittleren Bereich der Halbzeugschichten aufgebrachten Druck entspricht. Durch eine derartige Drucksteuerung wird sichergestellt, dass die Halbzeugschichten über ihre gesamte Oberfläche gleichmäßig verpresst werden.
  • Während der Beaufschlagung mit Druck werden die übereinander angeordneten Halbzeugschichten vorzugsweise auf eine Temperatur von 300 bis 500°C aufgeheizt. Es versteht sich, dass die Temperatursteuerung an die zu verarbeitenden Materialien der Halbzeugschichten sowie an die Form und Größe der herzustellenden Flugzeugstrukturbauteile angepasst werden kann.
  • Bei Bedarf können die Halbzeugschichten vor dem Einlegen in das Presswerkzeug vorfixiert, erwärmt, vorumgeformt und/oder vorkonsolidiert werden. Eine etwaige Vorbehandlung der Halbzeugschichten sollte jedoch so gestaltet werden, dass das Umformverhalten der Halbzeugschichten während des Pressens nicht beeinträchtigt wird.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ferner mindestens eine Halbzeugschicht zur Herstellung eines Versteifungselements, beispielsweises eines Stringers oder eines Spants, aus einem faserverstärkten, thermoplastischen Kunststoffmaterial mit den übereinander angeordneten Halbzeugschichten zur Herstellung eines Bauteils aus einem faserverstärkten, thermoplastischen Kunststoffmaterial verbunden. Die Verbindung der mindestens einen Halbzeugschicht zur Herstellung eines Versteifungselements mit den übereinander angeordneten Halbzeugschichten zur Herstellung eines Bauteils kann nach dem Verpressen der Halbzeugschichten zur Herstellung eines Bauteils erfolgen. Beispielsweise kann die mindestens eine Halbzeugschicht zur Herstellung eines Versteifungselements nach dem Verpressen der Halbzeugschichten zur Herstellung eines Bauteils auf eine Oberfläche der miteinander verpressten Halbzeugschichten zur Herstellung eines Bauteils aufbracht werden und ein Kontaktbereich der Schichten dann lokal erwärmt werden, um die Schichten miteinander zu verbinden.
  • Alternativ dazu kann die mindestens eine Halbzeugschicht zur Herstellung eines Versteifungselements nach dem Verpressen der Halbzeugschichten zur Herstellung eines Bauteils auch in das Presswerkzeug eingelegt und durch einen weiteren Pressschritt mit den Halbzeugschichten zur Herstellung eines Bauteils verbunden werden. Schließlich ist auch ein einstufiger Pressprozess denkbar, das heißt die mindestens eine Halbzeugschicht zur Herstellung eines Versteifungselements und die Halbzeugschichten zur Herstellung eines Bauteils können auch in einem einzigen Pressschritt miteinander verbunden werden. Wenn die mindestens eine Halbzeugschicht zur Herstellung eines Versteifungselements und die Halbzeugschichten zur Herstellung eines Bauteils durch einen Pressschritt miteinander verbunden werden sollen, wird vorzugsweise ein Presswerkzeug eingesetzt, das einen Aufnahmeraum zur Aufnahme der mindestens einen Halbzeugschicht zur Herstellung eines Versteifungselements aufweist. Dadurch wird eine gleichmäßige Druckbeaufschlagung der Halbzeugschichten ermöglicht.
  • Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung eines Flugzeugstrukturbauteils umfasst ein Presswerkzeug zur Aufnahme einer Mehrzahl von Halbzeugschichten zur Herstellung eines Bauteils aus einem faserverstärkten, thermoplastischen Kunststoffmaterial. Ferner umfasst die Vorrichtung eine Druckbeaufschlagungseinrichtung zum Beaufschlagen der übereinander angeordneten Halbzeugschichten mit Druck. Eine Fixierungseinrichtung ist dazu eingerichtet, die übereinander angeordneten Halbzeugschichten vor der Beaufschlagung mit Druck derart punktuell in ihrer Position in dem Presswerkzeug und/oder relativ zueinander zu fixieren, dass während der Beaufschlagung der übereinander in dem Presswerkzeug angeordneten Halbzeugschichten mit Druck eine eine Faltenbildung in den Halbzeugschichten verhindernde Gleitbewegung der Halbzeugschichten relativ zueinander und/oder relativ zu dem Presswerkzeug erfolgt. Die Vorrichtung umfasst eine Steuereinrichtung, die dazu eingerichtet ist, den auf die übereinander angeordneten Halbzeugschichten aufgebrachten Druck derart zu steuern, dass während einer ersten Druckbeaufschlagungsphase ein auf einen mittleren Bereich der übereinander angeordneten Halbzeugschichten aufgebrachter Druck höher ist als ein auf einen Randbereich der übereinander angeordneten Halbzeugschichten aufgebrachter Druck.
  • Die Fixierungseinrichtung ist vorzugsweise dazu eingerichtet, die übereinander angeordneten Halbzeugschichten vor der Beaufschlagung mit Druck in einem mittleren Bereich und/oder einem Randbereich der Halbzeugschichten punktuell in ihrer Position in dem Presswerkzeug und/oder relativ zueinander zu fixieren. Zur punktuellen Fixierung der Halbzeugschichten in ihrer Position in dem Presswerkzeug und/oder relativ zueinander können Fixierungseinrichtungen in Form von Klemmen oder Klammern eingesetzt werden. Alternativ dazu kann die Fixierungseinrichtung auch durch eine punktuelle Klebeverbindung gebildet werden, die die Halbzeugschichten punktuell relativ zueinander fixiert. Die Klebeverbindung kann beispielsweise durch lokales Aufschmelzen der auf die Verstärkungsfasern der Halbzeugschichten aufgebrachten Thermoplast-Oberflächenschichten hergestellt werden.
  • Die Steuereinrichtung kann dazu eingerichtet sein, den auf die übereinander angeordneten Halbzeugschichten aufgebrachten Druck derart zu steuern, dass während der ersten Druckbeaufschlagungsphase der auf die übereinander angeordneten Halbzeugschichten aufgebrachte Druck von dem mittleren Bereich der übereinander angeordneten Halbzeugschichten in Richtung des Randbereichs der übereinander angeordneten Halbzeugschichten kontinuierlich oder diskontinuierlich abnimmt.
  • Die Steuereinrichtung kann ferner dazu eingerichtet sein, den auf die übereinander angeordneten Halbzeugschichten aufgebrachten Druck derart zu steuern, dass während einer der ersten Druckbeaufschlagungsphase nachgeordneten zweiten Druckbeaufschlagungsphase ein auf den Randbereich der übereinander angeordneten Halbzeugschichten aufgebrachter Druck gegenüber dem während der ersten Druckbeaufschlagungsphase auf den Randbereich der übereinander angeordneten Halbzeugschichten aufgebrachten Druck erhöht wird.
  • Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung ferner dazu eingerichtet, den auf die übereinander angeordneten Halbzeugschichten aufgebrachten Druck derart zu steuern, dass der während der zweiten Druckbeaufschlagungsphase auf die übereinander angeordneten Halbzeugschichten aufgebrachte Druck von dem mittleren Bereich der übereinander angeordneten Halbzeugschichten in Richtung des Randbereichs der übereinander angeordneten Halbzeugschichten kontinuierlich oder diskontinuierlich erhöht wird.
  • Schließlich kann die Steuereinrichtung dazu eingerichtet sein, den auf die übereinander angeordneten Halbzeugschichten aufgebrachten Druck derart zu steuern, dass der während der zweiten Druckbeaufschlagungsphase auf den Randbereich der übereinander angeordneten Halbzeugschichten aufgebrachte Druck erhöht wird, bis er dem während der ersten Druckbeaufschlagungsphase auf den mittleren Bereich der Halbzeugschichten aufgebrachten Druck entspricht.
  • Die Vorrichtung kann ferner eine Heizvorrichtung umfassen, die dazu eingerichtet ist, die übereinander angeordneten Halbzeugschichten während der Beaufschlagung mit Druck auf eine Temperatur von 300 bis 500°C aufzuheizen. Ferner kann eine Kühlvorrichtung vorhanden sein, die dazu eingerichtet ist, das Flugzeugstrukturbauteil vor seiner Entnahme aus dem Presswerkzeug abzukühlen.
  • Die Vorrichtung kann eine lokale Heizeinrichtung zum lokalen Erwärmen eines Kontaktbereichs zwischen mindestens einer Halbzeugschicht zur Herstellung eines Versteifungselements aus einem faserverstärkten, thermoplastischen Kunststoffmaterial und den übereinander angeordneten Halbzeugschichten zur Herstellung eines Bauteils aus einem faserverstärkten, thermoplastischen Kunststoffmaterial umfassen. Ferner kann das Presswerkzeug mit einem Aufnahmeraum zur Aufnahme mindestens einer Halbzeugschicht zur Herstellung eines Versteifungselements aus einem faserverstärkten, thermoplastischen Kunststoffmaterial versehen sein.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nun anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert, von denen
  • 1 die Schritte eines Verfahrens zur Herstellung eines großflächigen Flugzeugstrukturbauteils aus einem Verbundmaterial mit einer Matrix aus einem thermoplastischen Kunststoffmaterial zeigt,
  • 2 ein nach dem Verfahren gemäß 1 hergestelltes Flugzeugstrukturbauteil zeigt und
  • 3 ein Diagramm zeigt, das die Prozesszeiten eines Autoklavzyklus und eines Presszyklus vergleicht.
  • 1 zeigt die Schritte eines Verfahrens zur Herstellung eines großflächigen Flugzeugstrukturbauteils 10 aus einem Verbundmaterial mit einer Matrix aus einem thermoplastischen Kunststoffmaterial. Bei dem Verfahren wird zunächst eine Mehrzahl von Halbzeugschichten 12 in ein erstes Presswerkzeug 14 eingelegt. Die Halbzeugschichten 12 enthalten undirektional angeordnete Kohlenstofffasern, die mit einer Oberflächenschicht aus einem thermoplastischen Kunststoffmaterial, beispielsweise Polyetherketon, Polyphtalamid oder Polyphenylensulfid, versehen sind.
  • Eine das erste Presswerkzeug 14 antreibende erste Druckbeaufschlagungseinrichtung 16 sorgt für eine Beaufschlagung der übereinander angeordneten Halbzeugschichten 12 mit Druck. Vor der Beaufschlagung mit Druck werden die übereinander angeordneten Halbzeugschichten 12 jedoch derart punktuell in ihrer Position in dem ersten Presswerkzeug 14 und relativ zueinander fixiert, dass während der Beaufschlagung der übereinander in dem ersten Presswerkzeug 14 angeordneten Halbzeugschichten 12 mit Druck eine eine Faltenbildung in den Halbzeugschichten 12 verhindernde Gleitbewegung der Halbzeugschichten 12 relativ zueinander und relativ zu dem Presswerkzeug 14 erfolgt. Dadurch wird eine Faltenbildung in den Halbzeugschichten 12 während des Pressens der Halbzeugschichten 12 verhindert.
  • Zur punktuellen Fixierung der Halbzeugschichten 12 in ihrer Position in dem ersten Presswerkzeug 14 und relativ zueinander werden punktuelle Klebeverbindungen 18 durch lokales Aufschmelzen der auf die Verstärkungsfasern der Halbzeugschichten 12 aufgebrachten Thermoplast-Oberflächenschichten erzeugt. Die punktuellen Klebeverbindungen 18 sind in einem mittleren Bereich sowie einem Randbereich der Halbzeugschichten 12 angeordnet.
  • Der über das erste Presswerkzeug 14 auf die übereinander angeordneten Halbzeugschichten 12 aufgebrachte Druck wird mittels einer Steuereinheit 20 derart gesteuert, dass während einer ersten, anfänglichen Druckbeaufschlagungsphase ein auf den mittleren Bereich der übereinander angeordneten Halbzeugschichten 12 aufgebrachter Druck höher ist als ein auf den Randbereich der übereinander angeordneten Halbzeugschichten 12 aufgebrachter Druck. Insbesondere wird der über das erste Presswerkzeug 14 auf die übereinander angeordneten Halbzeugschichten 12 aufgebrachte Druck mittels der Steuereinheit 20 derart gesteuert, dass während der ersten Druckbeaufschlagungsphase der auf die übereinander angeordneten Halbzeugschichten 12 aufgebrachte Druck von dem mittleren Bereich der übereinander angeordneten Halbzeugschichten 12 in Richtung des Randbereichs der übereinander angeordneten Halbzeugschichten kontinuierlich abnimmt.
  • Während einer der ersten Druckbeaufschlagungsphase nachgeordneten zweiten Druckbeaufschlagungsphase wird der auf die übereinander angeordneten Halbzeugschichten 12 aufgebrachte Druck mittels der Steuereinheit 20 derart gesteuert, dass ein auf den Randbereich der übereinander angeordneten Halbzeugschichten 12 aufgebrachter Druck gegenüber dem während der ersten Druckbeaufschlagungsphase auf den Randbereich der übereinander angeordneten Halbzeugschichten 12 aufgebrachten Druck erhöht wird. Insbesondere wird der über das erste Presswerkzeug 14 auf die übereinander angeordneten Halbzeugschichten 12 aufgebrachte Druck mittels der Steuereinheit 20 derart gesteuert, dass der während der zweiten Druckbeaufschlagungsphase auf die übereinander angeordneten Halbzeugschichten aufgebrachte Druck von dem mittleren Bereich der übereinander angeordneten Halbzeugschichten 12 in Richtung des Randbereichs der übereinander angeordneten Halbzeugschichten 12 kontinuierlich erhöht wird. Das heißt, während der zweiten Druckbeaufschlagungsphase wird ein Druckverteilungsprofil über die Oberfläche der Halbzeugschichten 12 erzeugt, das ein ”Ausstreichen” eventueller Falten in den Halbzeugschichten 12 in Richtung des Randbereichs der Halbzeugschichten 12 ermöglicht.
  • Der auf die übereinander angeordneten Halbzeugschichten 12 aufgebrachte Druck wird mittels der Steuereinheit 20 derart gesteuert, dass der während der zweiten Druckbeaufschlagungsphase auf den Randbereich der übereinander angeordneten Halbzeugschichten 12 aufgebrachte Druck erhöht wird, bis er dem während der ersten Druckbeaufschlagungsphase auf den mittleren Bereich der Halbzeugschichten 12 aufgebrachten Druck entspricht. Dadurch werden die Halbzeugschichten über ihre gesamte Oberfläche gleichmäßig verpresst.
  • Während der Beaufschlagung mit Druck werden die übereinander angeordneten Halbzeugschichten 12 auf eine Temperatur von ca. 400°C aufgeheizt. Hierzu ist eine entsprechende Heizeinrichtung 22 vorgesehen. Eine Kühleinrichtung 24 ermöglicht das Abkühlen der gepressten Halbzeugschichten 12 in dem ersten Presswerkzeug 14. Nach dem Abkühlen werden die miteinander verpressten Halbzeugschichten 12 aus dem ersten Presswerkzeug entnommen und in ein zweites Presswerkzeug 26 eingelegt.
  • Während das erste Presswerkzeug 14 ebene Pressplatten aufweist, ist das zweite Presswerkzeug 26 mit gekrümmten Pressplatten versehen, um die vorgepressten Halbzeugschichten 12 in die gewünschte gekrümmte Form zu bringen. Ähnlich wie das erste Presswerkzeug 14 ist auch das zweite Presswerkzeug 26 mit einer Druckbeaufschlagungseinrichtung 27, einer Heizeinrichtung 28 zum Aufheizen der vorgepressten Halbzeugschichten 12 und einer Kühleinrichtung 30 zum Abkühlen der gepressten Halbzeugschichten 12 in dem zweiten Presswerkzeug 26 versehen. Ferner ist eine Steuereinheit 31 zur Steuerung des Betriebs des zweiten Presswerkzeugs 26 vorgesehen.
  • Nach der Entnahme der gepressten Halbzeugschichten 12 aus dem zweiten Presswerkzeug 26 werden weitere Halbzeugschichten 32 zur Herstellung eines Versteifungselements 33 (siehe 2), beispielsweises eines Stringers oder eines Spants, aus einem faserverstärkten, thermoplastischen Kunststoffmaterial mit den gepressten Halbzeugschichten 12 verbunden. Hierzu werden die weiteren Halbzeugschichten 32 zur Herstellung eines Versteifungselements nach dem Verpressen der Halbzeugschichten 12 auf eine Oberfläche der miteinander verpressten Halbzeugschichten 12 aufbracht. Anschließend wird ein Kontaktbereich der Schichten 12, 32 mittels einer geeigneten Heizeinrichtung 34 lokal erwärmt werden, um die Schichten 12, 32 miteinander zu verbinden.
  • Alternativ dazu können die weiteren Halbzeugschichten 32 zur Herstellung eines Versteifungselements 33 nach dem Verpressen der Halbzeugschichten 12 auch in das zweite Presswerkzeug 26 eingelegt und durch einen separaten Pressschritt mit den Halbzeugschichten 12 verbunden werden. Schließlich ist auch ein einstufiger Pressprozess denkbar, das heißt die weiteren Halbzeugschichten 32 zur Herstellung eines Versteifungselements 33 und die Halbzeugschichten 12 können auch in einem einzigen Pressschritt miteinander verbunden werden. Dabei kann ein Presswerkzeug eingesetzt werden, das einen Aufnahmeraum zur Aufnahme der weiteren Halbzeugschichten 32 zur Herstellung eines Versteifungselements 33 umfasst. Dadurch wird eine gleichmäßige Druckbeaufschlagung aller Halbzeugschichten 12, 32 ermöglicht.
  • 2 zeigt ein nach dem Verfahren gemäß 1 hergestelltes Flugzeugstrukturbauteil 10. Das Bauteil 10 ist mit in Form von Stringern und Spanten ausgebildeten integrierten Versteifungselementen 33 versehen.
  • Das Diagramm gemäß 3 zeigt, dass das Verfahren gemäß 1 mit einer Zykluszeit von ca. einer Stunde realisiert werden kann. Im Vergleich dazu betragen die Zykluszeiten bei einem Autoklavprozess ca. drei Stunden.

Claims (14)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Flugzeugstrukturbauteils (10) mit den Schritten: – Einlegen einer Mehrzahl von Halbzeugschichten (12) zur Herstellung eines Bauteils aus einem faserverstärkten, thermoplastischen Kunststoffmaterial in ein Presswerkzeug (14), – Beaufschlagen der übereinander angeordneten Halbzeugschichten (12) mit Druck, wobei die übereinander angeordneten Halbzeugschichten (12) vor der Beaufschlagung mit Druck derart punktuell in ihrer Position in dem Presswerkzeug (14) und/oder relativ zueinander fixiert werden, dass während der Beaufschlagung der übereinander in dem Presswerkzeug (14) angeordneten Halbzeugschichten (12) mit Druck eine eine Faltenbildung in den Halbzeugschichten (12) verhindernde Gleitbewegung der Halbzeugschichten (12) relativ zueinander und/oder relativ zu dem Presswerkzeug (14) erfolgt, und – Entnehmen des Flugzeugstrukturbauteils (10) aus dem Presswerkzeug (14), dadurch gekennzeichnet, dass der auf die übereinander angeordneten Halbzeugschichten (12) aufgebrachte Druck derart gesteuert wird, dass während einer ersten Druckbeaufschlagungsphase ein auf einen mittleren Bereich der übereinander angeordneten Halbzeugschichten (12) aufgebrachter Druck höher ist als ein auf einen Randbereich der übereinander angeordneten Halbzeugschichten (12) aufgebrachter Druck.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die übereinander angeordneten Halbzeugschichten (12) vor der Beaufschlagung mit Druck in einem mittleren Bereich und/oder einem Randbereich der Halbzeugschichten (12) punktuell in ihrer Position in dem Presswerkzeug (14) und/oder relativ zueinander fixiert werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der auf die übereinander angeordneten Halbzeugschichten (12) aufgebrachte Druck derart gesteuert wird, dass während der ersten Druckbeaufschlagungsphase der auf die übereinander angeordneten Halbzeugschichten (12) aufgebrachte Druck von dem mittleren Bereich der übereinander angeordneten Halbzeugschichten (12) in Richtung des Randbereichs der übereinander angeordneten Halbzeugschichten (12) kontinuierlich oder diskontinuierlich abnimmt.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der auf die übereinander angeordneten Halbzeugschichten (12) aufgebrachte Druck derart gesteuert wird, dass während einer der ersten Druckbeaufschlagungsphase nachgeordneten zweiten Druckbeaufschlagungsphase ein auf den Randbereich der übereinander angeordneten Halbzeugschichten (12) aufgebrachter Druck gegenüber dem während der ersten Druckbeaufschlagungsphase auf den Randbereich der übereinander angeordneten Halbzeugschichten (12) aufgebrachten Druck erhöht wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der auf die übereinander angeordneten Halbzeugschichten (12) aufgebrachte Druck derart gesteuert wird, dass der während der zweiten Druckbeaufschlagungsphase auf die übereinander angeordneten Halbzeugschichten (12) aufgebrachte Druck von dem mittleren Bereich der übereinander angeordneten Halbzeugschichten (12) in Richtung des Randbereichs der übereinander angeordneten Halbzeugschichten (12) kontinuierlich oder diskontinuierlich erhöht wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der auf die übereinander angeordneten Halbzeugschichten (12) aufgebrachte Druck derart gesteuert wird, dass der während der zweiten Druckbeaufschlagungsphase auf den Randbereich der übereinander angeordneten Halbzeugschichten (12) aufgebrachte Druck erhöht wird, bis er dem während der ersten Druckbeaufschlagungsphase auf den mittleren Bereich der Halbzeugschichten (12) aufgebrachten Druck entspricht.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die übereinander angeordneten Halbzeugschichten (12) während der Beaufschlagung mit Druck auf eine Temperatur von 300 bis 500°C aufgeheizt werden und/oder dass die Halbzeugschichten (12) vor dem Einlegen in das Presswerkzeug (14) vorfixiert, erwärmt, vorumgeformt und/oder vorkonsolidiert werden.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Halbzeugschicht (32) zur Herstellung eines Versteifungselements (33) aus einem faserverstärkten, thermoplastischen Kunststoffmaterial mit den übereinander angeordneten Halbzeugschichten (12) zur Herstellung eines Bauteils aus einem faserverstärkten, thermoplastischen Kunststoffmaterial verbunden wird.
  9. Vorrichtung zur Herstellung eines Flugzeugstrukturbauteils (10) mit: – einem Presswerkzeug (14) zur Aufnahme einer Mehrzahl von Halbzeugschichten (12) zur Herstellung eines Bauteils aus einem faserverstärkten, thermoplastischen Kunststoffmaterial, – einer Druckbeaufschlagungseinrichtung (16) zum Beaufschlagen der übereinander angeordneten Halbzeugschichten (12) mit Druck, und – einer Fixierungseinrichtung (18), die dazu eingerichtet ist, die übereinander angeordneten Halbzeugschichten (12) vor der Beaufschlagung mit Druck derart punktuell in ihrer Position in dem Presswerkzeug (14) und/oder relativ zueinander zu fixieren, dass während der Beaufschlagung der übereinander in dem Presswerkzeug (14) angeordneten Halbzeugschichten (12) mit Druck eine eine Faltenbildung in den Halbzeugschichten (12) verhindernde Gleitbewegung der Halbzeugschichten (12) relativ zueinander und/oder relativ zu dem Presswerkzeug (14) erfolgt, gekennzeichnet durch eine Steuereinrichtung (20), die dazu eingerichtet ist, den auf die übereinander angeordneten Halbzeugschichten (12) aufgebrachten Druck derart zu steuern, dass während einer ersten Druckbeaufschlagungsphase ein auf einen mittleren Bereich der übereinander angeordneten Halbzeugschichten (12) aufgebrachter Druck höher ist als ein auf einen Randbereich der übereinander angeordneten Halbzeugschichten (12) aufgebrachter Druck.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Fixierungseinrichtung (18) dazu eingerichtet ist, die übereinander angeordneten Halbzeugschichten (12) vor der Beaufschlagung mit Druck in einem mittleren Bereich und/oder einem Randbereich der Halbzeugschichten (12) punktuell in ihrer Position in dem Presswerkzeug (14) und/oder relativ zueinander zu fixieren.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, gekennzeichnet durch eine Steuereinrichtung (20), die dazu eingerichtet ist, den auf die übereinander angeordneten Halbzeugschichten (12) aufgebrachten Druck derart zu steuern, dass während der ersten Druckbeaufschlagungsphase der auf die übereinander angeordneten Halbzeugschichten (12) aufgebrachte Druck von dem mittleren Bereich der übereinander angeordneten Halbzeugschichten (12) in Richtung des Randbereichs der übereinander angeordneten Halbzeugschichten (12) kontinuierlich oder diskontinuierlich abnimmt.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (20) dazu eingerichtet ist, den auf die übereinander angeordneten Halbzeugschichten (12) aufgebrachten Druck derart zu steuern, dass während einer der ersten Druckbeaufschlagungsphase nachgeordneten zweiten Druckbeaufschlagungsphase ein auf den Randbereich der übereinander angeordneten Halbzeugschichten (12) aufgebrachter Druck gegenüber dem während der ersten Druckbeaufschlagungsphase auf den Randbereich der übereinander angeordneten Halbzeugschichten (12) aufgebrachten Druck erhöht wird und/oder dass die Steuereinrichtung (20) dazu eingerichtet ist, den auf die übereinander angeordneten Halbzeugschichten (12) aufgebrachten Druck derart zu steuern, dass der während der zweiten Druckbeaufschlagungsphase auf die übereinander angeordneten Halbzeugschichten (12) aufgebrachte Druck von dem mittleren Bereich der übereinander angeordneten Halbzeugschichten (12) in Richtung des Randbereichs der übereinander angeordneten Halbzeugschichten (12) kontinuierlich oder diskontinuierlich erhöht wird und/oder dass die Steuereinrichtung (20) dazu eingerichtet ist, den auf die übereinander angeordneten Halbzeugschichten (12) aufgebrachten Druck derart zu steuern, dass der während der zweiten Druckbeaufschlagungsphase auf den Randbereich der übereinander angeordneten Halbzeugschichten (12) aufgebrachte Druck erhöht wird, bis er dem während der ersten Druckbeaufschlagungsphase auf den mittleren Bereich der Halbzeugschichten (12) aufgebrachten Druck entspricht.
  13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, gekennzeichnet durch eine Heizvorrichtung (22), die dazu eingerichtet ist, die übereinander angeordneten Halbzeugschichten (12) während der Beaufschlagung mit Druck auf eine Temperatur von 300 bis 500°C aufzuheizen und/oder eine Kühlvorrichtung (24), die dazu eingerichtet ist, das Flugzeugstrukturbauteil (10) vor seiner Entnahme aus dem Presswerkzeug (14) abzukühlen.
  14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet dass die Vorrichtung eine lokale Heizeinrichtung (34) zum lokalen Erwärmen eines Kontaktbereichs zwischen mindestens einer Halbzeugschicht (32) zur Herstellung eines Versteifungselements (33) aus einem faserverstärkten, thermoplastischen Kunststoffmaterial und den übereinander angeordneten Halbzeugschichten (12) zur Herstellung eines Bauteils aus einem faserverstärkten, thermoplastischen Kunststoffmaterial umfasst und/oder dass ein Presswerkzeug mit einem Aufnahmeraum zur Aufnahme mindestens einer Halbzeugschicht (32) zur Herstellung eines Versteifungselements (33) aus einem faserverstärkten, thermoplastischen Kunststoffmaterial versehen ist.
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