DE102011079943A1

DE102011079943A1 - Vorrichtung zur Herstellung eines Klebebauteils mit Faserverbundkunststoffen sowie Verfahren

Info

Publication number: DE102011079943A1
Application number: DE102011079943A
Authority: DE
Inventors: Heinz Bardenhagen; Karsten Süßmuth
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2011-07-27
Filing date: 2011-07-27
Publication date: 2013-01-31
Also published as: US20140290840A1; WO2013014285A1; EP2736704A1; EP2736704B1

Abstract

Die Erfindung betrifft zunächst eine Vorrichtung 40 zur Herstellung eines Klebebauteils 44 mit Faserverbundkunststoffen mit mindestens einem Basisformwerkzeug 42 und mindestens einem Formwerkzeug 46, 48, 50, wobei das Klebebauteil 44 zwischen dem Basisformwerkzeug 42 und dem Formwerkzeug 46, 48, 50 angeordnet ist und das Formwerkzeug 46, 48, 50 mit einem Belüftungsmaterial 78 und mit einer Vakuumhülle 80 überdeckt ist, wobei die Vakuumhülle 80 gegenüber dem Basisformwerkzeug 42 mittels einer Dichtung 82 abgedichtet ist. Erfindungsgemäß schließt mindestens eine Stirnseite 60, 62 des Klebebauteils 44 zumindest abschnittsweise mit wenigstens einem Endabschnitt 64, 66 mindestens eines Formwerkzeugs 46, 48, 50 bündig ab oder ragt unter diesem heraus. Die Formwerkzeuge 46, 48, 50 weisen eine im Wesentlichen gleiche Bauhöhe 68 sowie abgeschrägte Endabschnitte 64, 66 auf und jeweils aneinander grenzende Formwerkzeuge 46, 48, 50 sind vorzugsweise mit einer Vertikalverriegelung 70 versehen. Hierdurch verringert sich die Anzahl von unerwünschten Kavitäten in der Vorrichtung 40, so dass kein Matrixmaterial mehr aus dem Klebebauteil 44 in die parasitären Kavitäten eindringen und zu einer unter Umständen unzulässigen Materialdickenreduzierung des Klebebauteils 44, insbesondere im Bereich der Stirnseiten 60, 62, führen kann. Ferner hat die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Klebebauteils 44 zum Gegenstand.

Description

Die Erfindung betrifft zunächst eine Vorrichtung zur Herstellung eines Klebebauteils mit Faserverbundkunststoffen mit mindestens einem Basisformwerkzeug und mindestens einem Formwerkzeug, wobei das Klebebauteil zwischen dem Basisformwerkzeug und dem Formwerkzeug angeordnet ist und das Formwerkzeug mit einem Belüftungsmaterial und mit einer Vakuumhülle überdeckt ist, wobei die Vakuumhülle gegenüber dem Basisformwerkzeug mittels einer Dichtung abgedichtet ist.
Für Bauteile bei denen hohe gewichtsspezifische Festigkeiten und Steifigkeiten gefordert sind, wie zum Beispiel für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, werden vielfach Faserverbundkunststoffe (FVK) eingesetzt. Ein Faserverbundkunststoff ist ein Werkstoff, der mit einer Vielzahl von Verstärkungsfasern gebildet ist, die in ein Kunststoffmatrixmaterial eingebettet sind. Als Verstärkungsfasern kommen unter anderem Kohlefasern, Glasfasern, Kevlar^®-Fasern, Aramid^®-Fasern, zum Teil auch Naturfasern oder dergleichen zum Einsatz. Die Kunststoffmatrix besteht vielfach aus einem duroplastischen Kunststoff, wie zum Beispiel Epoxidharz, Polyesterharz, Phenolharz oder Bismaleimide-Harz (s.g. BMI-Harz). Die Herstellung derartiger Bauteile mit Faserverbundkunststoffen erfolgt mit diversen Verfahren, bei denen die Bauteile im Allgemeinen mit Hilfe von Druck und Temperatur ausgehärtet werden.
Wenn man aufgrund der Komplexität der Bauteile keine Heizpressen einsetzen kann, verwendet man Formen, in die die Faserverbundkunststoffe eingebracht werden. Diese Formen können allseitig geschlossen sein und das Klebebauteil vollständig umgeben. Alternativ kommen offene Formen zum Einsatz. Bei offenen Formen wird der erforderliche Druck in der Regel mittels eines Vakuumaufbaus direkt auf den Faserverbundkunststoff bzw. das Klebebauteil übertragen. Bei Einsatz von Formwerkzeugen wird ebenso ein Vakuumaufbau genutzt, wobei der Druck auf das Klebebauteil über die Formwerkzeuge übertragen wird.
Komplexe, integrale FVK-Strukturen sind zumeist mit mindestens einem Basislaminat und einer Vielzahl von Verstärkungslaminaten und optionalen Anschlusskomponenten aufgebaut. Diese Elemente können als bereits konsolidierte Faserverbundkunststoffbauteile, als Bauteile aus anderen Werkstoffen oder als Faserverbundkunststofflaminate vorliegen.
Faserverbundkunststofflaminate bestehen aus zwei oder mehreren Schichten von mit einem Matrixwerkstoff vorimprägnierten Fasern (s.g. "Prepreg"-Material). Die Armierungsfasern können als unidirektionale Schicht, als Gewebe oder als Gelege vorliegen. Die Schichten haben meist unterschiedliche Hauptfaserrichtungen. Zunehmend werden Schalen mit integralen Längsversteifungen, wie zum Beispiel mit I-Stringern, gefertigt, die insbesondere zur Fertigung von Tragflächen, Querrudern, Landeklappen sowie von Höhen- und Seitenleitwerken bei der Produktion von Flugzeugen in Sektionsbauweise Verwendung finden. Integral ausgesteifte Schalen sind oft sphärisch gekrümmte Bauteile. Durch die räumliche Gestalt des Basislaminates, infolge weiterer Verstärkungselemente und Isolationsmaterialien sowie weiterer Komponenten ergeben sich komplexe Bauteile mit bereichsweise unterschiedlichen Materialstärken und Konturen.
Wenn die Formwerkzeuge für den Aushärteprozess nicht zugleich für einen vorgeschalteten Umformprozess mit herangezogen werden, erfolgt die Herstellung von Klebebauteilen, wie zum Beispiel von integral verstärkten Schalen, heute üblicherweise mittels der nachfolgend kurz skizzierten Herstellungsprozedur: Zunächst werden Stringerlaminate auf Umformwerkzeugen positioniert und darauf in eine vorgegebene Sollgeometrie umgeformt. Im Anschluss wird mindestens ein Basislaminat auf einem Basisformwerkzeug platziert und die vorab gruppierten Umformwerkzeuge werden auf dem Basisformwerkzeug abgelegt. Anschließend werden die Umformwerkzeuge entfernt und an deren Stelle Formwerkzeuge eingesetzt. Die so vorbereitete Anordnung wird mit einem Vakuumaufbau versehen, die im Ergebnis die Vorrichtung zur Herstellung von Klebebauteilen bilden, und die zur Aushärtung unter Anwendung von Druck und Temperatur in einen Autoklaven verbracht wird. Nach der vollständigen Durchhärtung kann das Klebebauteil aus der Vorrichtung entnommen werden.
Um ein übermäßiges Absenken der Formwerkzeuge während des Autoklavprozesses zu vermeiden, kommen häufig Formwerkzeuge mit einer so genannten "Setzmaßbegrenzung" zum Einsatz, deren Verwendung jedoch einen gravierenden Nachteil mit sich bringt. Denn die von einem Formwerkzeug mit einer Setzmaßbegrenzung gebildete, formdefinierende Kavität wird meist entsprechend der geforderten Sollgeometrie des Klebebauteils ausgeführt. Das Volumen der diese Kavität füllenden Laminate ist hingegen oft größer bemessen. Im Autoklaven ergibt sich unterhalb des Formwerkzeugs mit dem Setzmaßbegrenzungsüberhang im Vergleich zu dem angrenzenden Formwerkzeug dann ein höherer Druck. Hierdurch kann es zu einem unerwünschten Transfer von Matrixmaterial kommen, so dass das angrenzende Formwerkzeug unter Bildung einer unerwünschten Stufe nach oben gedrückt wird und das Klebebauteil in unzulässiger Weise von der vorgegebenen Sollgeometrie abweicht.
Während des Aushärteprozesses werden die, aus den Formwerkzeugen und dem überdeckenden Vakuumaufbau gebildeten Kavitäten in beabsichtigter Weise mit Faserverbundkunststoff ausgefüllt. Neben der, die räumliche Nominalgeometrie des Klebebauteils vorgebenden Kavität, bestehen jedoch weitere parasitäre Kavitäten, die zu Abweichungen von der geforderten Sollgeometrie des Klebebauteils führen können. Die unerwünschten Hohlräume ergeben sich bei den bekannten Vorrichtungen unter anderem aufgrund von kleinen Spalten sowie Kapillaren zwischen den Formwerkzeugen und nicht gefüllten Räumen unterhalb der Formwerkzeuge. Diese nicht gefüllten Räume entstehen beispielsweise durch Dimensions- und/oder Lageabweichungen der Laminate, Abmessungs- und/oder Lageabweichungen der Formwerkzeuge und Wärmeausdehnungseffekte der Formwerkzeuge aufgrund hoher Temperaturen im Autoklaven. Ferner existieren anfängliche Hohlräume oder es bilden sich ungeplante Kavitäten innerhalb des Vakuumaufbaus. Allen parasitären Kavitäten ist gemein, dass sie sich während des Aushärteprozesses mit den eingebrachten Faserverbundkunststoffen, insbesondere mit deren Kunststoffmatrix, füllen. Die hierdurch hervorgerufenen Matrixmaterialverluste führen häufig zu nicht mehr tolerierbaren Dickenreduzierungen des Klebebauteils. Derartige Laminatdickenunterschreitungen machen in der Regel zeit- und kostenintensive Nacharbeiten erforderlich. Zur Vermeidung der Dickenreduzierungen kann zum Beispiel in diejenigen Zonen der Vorrichtung, in denen mit einer Laminatdickenunterschreitung zu rechnen ist, zusätzlich Material eingebracht werden, um etwaige Verluste zu kompensieren. Doch führt auch diese Vorgehensweise aufgrund des erhöhten Materialeinsatzes zu höheren Fertigungskosten.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur Herstellung von Klebebauteilen, insbesondere von integral verstärkten Schalen, aus Faserverbundkunststoffen unter Verwendung mindestens eines Basisformwerkzeuges und mindestens eines Formwerkzeuges, insbesondere mindestens eines Formwerkzeuges mit einer Setzmaßbegrenzung, zu schaffen, bei der unerwünschte Kavitäten in deutlich reduziertem Umfang bestehen und/oder entstehen und eine prozesssichere, maßhaltige, ressourcenschonende sowie serientaugliche Produktion derartiger Klebebauteile möglich ist.
Diese Aufgabe wird zunächst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Erfindungsgemäß schließt mindestens eine Stirnseite des Klebebauteils zumindest abschnittsweise mit wenigstens einem Endabschnitt mindestens eines Formwerkzeugs bündig ab oder ragt unter diesem heraus.
Infolge der überkragungsfrei bzw. überhangfrei ausgebildeten Endabschnitte der Formwerkzeuge existieren unterhalb der Endabschnitte, insbesondere im Bereich der Stirnseiten des Klebebauteils, keine parasitären Hohlräume. Bei vorbekannten Vorrichtungen bestehen demgegenüber unterhalb der über die Stirnseiten des Klebebauteils hinausragenden Formwerkzeugüberhänge Hohlräume, in die Matrixmaterial des Klebebauteils einströmen und zu nicht mehr hinnehmbaren Abweichungen von einer vorgegebenen Sollgeometrie des Klebebauteils führen kann. Das Klebebauteil kann bündig mit den Endabschnitten der Formwerkzeuge abschließen oder unter diesen mit einem Überstand von bis zu mehreren Zentimetern herausragen. Die Endabschnitte der Formwerkzeuge sind keilförmig unter Schaffung einer zwischen 30° und 60° geneigten (End-)Fläche ausgeführt. Die Vorrichtung kann neben dem Belüftungsmaterial sowie der Vakuumhülle weitere Funktionsschichten, wie zum Beispiel Trennschichten, Harzabsaugschichten und/oder Abreißschichten aufweisen. Zum Aushärten des Klebebauteils wird die gesamte Vorrichtung in einen Autoklaven verbracht, in dem die Aushärtung zum fertigen Bauteil erfolgt.
Nach Maßgabe einer vorteilhaften Weiterbildung der Vorrichtung ist vorgesehen, dass mindestens ein Formwerkzeug über eine Setzmaßbegrenzung verfügt.
Aufgrund der Setzmaßbegrenzung wird unter anderem eine vertikale Abwärtsbewegung (Setzung) der Formwerkzeuge im Autoklaven vermindert. Die Setzmaßbegrenzung ist bevorzugt entlang mindestens einer Längsseite mindestens eines äußeren Formwerkzeugs der Vorrichtung vorgesehen und vorzugsweise durchgehend ausgebildet. Infolge der Setzmaßbegrenzung wird die Wahrscheinlichkeit des Auftretens einer Dickenunterschreitung des Klebebauteils in diesem Bereich reduziert.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Vorrichtung sieht vor, dass wenigstens zwei benachbarte Formwerkzeuge eine im Wesentlichen gleiche Bauhöhe aufweisen.
Durch die gleiche Bauhöhe wird insbesondere eine unerwünschte "Brückenbildung" innerhalb der Vorrichtung verhindert. Im Fall einer "Brückenbildung" spannt sich die Vakuumhülle im Autoklaven zwischen zwei unmittelbar aneinander grenzenden Formwerkzeugen über einen Brückenhohlraum mit einer näherungsweise dreieckförmigen Querschnittsgeometrie. Der Effekt führt dazu, dass auf das höhere Formwerkzeug größere mechanische Kräfte aufgrund des Autoklavendruckes einwirken als auf das Formwerkzeug mit der geringeren Bauhöhe. Die unterschiedlichen Kräfte verursachen einen Druckunterschied im Laminat unterhalb der aneinander grenzenden Formwerkzeuge, wodurch es zu einem einseitigen Transfer von Matrixmaterial in Richtung des Druckgefälles kommt. Infolge der Matrixmaterialströmung entsteht im Grenzbereich zwischen benachbarten Formwerkzeugen eine Stufe bzw. ein Absatz im Klebebauteil, die zu einer nicht mehr hinnehmbaren, zumindest bereichsweisen Dickenunterschreitung des Klebebauteils führt.
Nach Maßgabe einer Weiterentwicklung der Vorrichtung weisen mindestens zwei benachbarte Formwerkzeuge mindestens eine Vertikalverriegelung auf.
Hierdurch werden vertikale Bewegungen benachbarter Formwerkzeuge im Autoklaven reduziert.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung ist die Vertikalverriegelung mit mindestens einem Niederhalter und mit mindestens einem Auflager gebildet.
Hierdurch ist eine konstruktiv einfache Umsetzung einer Vertikalverriegelung möglich, die nach oben wirkende Bewegungen der Formwerkzeuge begrenzt und die ohne zusätzliche Komponenten, wie zum Beispiel Quer- oder Verbindungsriegel zum Zusammenfassen der Formwerkzeuge untereinander auskommt.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung weisen der mindestens eine Niederhalter und das mindestens eine Auflager jeweils eine im Wesentlichen viereckige Querschnittsgeometrie auf.
Hierdurch ist unter anderem eine kostengünstige Fertigung der Formwerkzeuge, zum Beispiel durch Fräsen, möglich und eine großflächige Kraftübertragung gegeben. Abweichend hiervon können sowohl das Auflager als auch der Niederhalter eine alternative Querschnittsgeometrie aufweisen.
Im Fall einer weiteren günstigen Ausgestaltung der Vorrichtung ist das Basisformwerkzeug mit einem metallischen Material gebildet.
Hierdurch ergeben sich unter anderem eine hohe Standzeit und eine ausgezeichnete Formstabilität des Basisformwerkzeugs. Alternativ können Formwerkzeuge mit einem mechanischen und thermisch hinreichend belastbaren Kunststoffmaterial gefertigt sein.
Darüber hinaus wird die erfindungsgemäße Aufgabe durch ein Verfahren nach Maßgabe des Patentanspruchs 8 gelöst, wonach ein Klebebauteil mit Faserverbundkunststoffen, insbesondere unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach Maßgabe eines der Patentansprüche 1 bis 7, hergestellt wird.
Nach Maßgabe des erfindungsgemäßen Verfahrens werden zunächst Verstärkungslaminate – wie z.B. Stringerlaminate – auf Umformwerkzeugen positioniert und darauf in eine vorgegebene Sollgeometrie umgeformt. Die mit den umgeformten Verstärkungslaminaten belegten Umformwerkzeuge werden gruppiert, im Raum ausgerichtet und nach dem Belegen eines Basisformwerkzeugs der Vorrichtung mit mindestens einem Basislaminat auf diesem abgelegt. Anschließend werden die Umformwerkzeuge entfernt und Formwerkzeuge eingesetzt. Die derart vorbereitete Anordnung wird mit einem Vakuumaufbau belegt. Diese Vorrichtung wird abschließend zur Aushärtung unter Anwendung von Druck und Temperatur in einen Autoklaven verbracht. Nach der Durchhärtung wird das vollständig ausgehärtete Klebebauteil aus der Vorrichtung entnommen.
In der Zeichnung zeigt:
1 eine schematische Querschnittsdarstellung durch eine vorbekannte Vorrichtung zur Herstellung von Bauteilen aus Faserverbundkunststoffen,
2 eine vereinfachte Darstellung eines Längsschnittes durch die Vorrichtung nach 1 mit einer Vielzahl von unerwünschten Hohlräumen,
3 eine vereinfachte Draufsicht, eine Seitenansicht sowie zwei Querschnittsdarstellungen durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung,
4 eine vergrößerte Darstellung des Ausschnittes IV aus der 3,
5 eine vergrößerte Darstellung des Ausschnittes V aus der 3, und
6 eine Schnittdarstellung durch einen Endabschnitt des mittleren Formwerkzeuges der Vorrichtung entlang der Schnittlinie C-C in der 3.
In den Figuren weisen dieselben konstruktiven Elemente jeweils dieselben Bezugsziffern auf.
Die 1 zeigt eine prinzipielle Querschnittsdarstellung durch eine aus dem Stand der Technik bekannte Anordnung zur Fertigung von Klebebauteilen mit Faserverbundkunststoffen.
Die Anordnung 10 umfasst unter anderem ein Basisformwerkzeug 12 auf dem ein Klebebauteil 14 aus Faserverbundkunststoffen abgelegt ist. Das Klebebauteil 14 ist mit einer Trennschicht 16 belegt, auf der zwei formdefinierende Formwerkzeuge 18, 20 aufliegen. Das randseitige Formwerkzeug 18 ist mit einer nicht bezeichneten Setzmaßbegrenzung ausgestattet. Nicht bezeichnete Oberflächen der Formwerkzeuge 18, 20 sind mit einem Belüftungsmaterial 22 belegt, das seinerseits von einer Vakuumhülle 24 bedeckt wird. Optional kann auch unterhalb der Belüftungsschicht 22 zumindest abschnittsweise die Trennschicht 16 vorgesehen sein. Die Trennschicht 16, das Belüftungsmaterial 22 sowie die Vakuumhülle 24 bilden zusammen den nicht bezeichneten Vakuumaufbau der Vorrichtung 10. Die Vakuumhülle 24 ist mittels einer elastischen Dichtung 26 gegenüber dem Basisformwerkzeug 12 abgedichtet und über einen Vakuumkanal 28 mit einem Teilvakuum beaufschlagbar. Zur Aushärtung des Klebebauteils 14 unter gleichzeitiger Anwendung von Druck und Temperatur wird die Vorrichtung 10 in einen nicht dargestellten Autoklaven verbracht. Beim Autoklavprozess kann der Vakuumkanal 28 zumindest zeitweilig lediglich unter normalem Umgebungsluftdruck oder einem geringen Teilvakuum stehen.
Die 2 zeigt eine vereinfachte Darstellung eines Längsschnittes durch die Anordnung gemäß der 1 mit einer Vielzahl von unerwünschten Hohlräumen. Aus der 2 ist unter anderem ersichtlich, dass unterhalb des Belüftungsmaterials 22 bzw. der Vakuumhülle 24 in einem nicht bezeichneten Zwickel ein Hohlraum 30 und zwischen dem Formwerkzeug 20 und dem Klebebauteil 14 ein weiterer Hohlraum 32 existiert. Darüber hinaus besteht ein Hohlraum 34 unterhalb eines Überhanges 36 des Formwerkzeugs 20. Wie eingangs bereits erläutert, können sich die parasitären Hohlräume 30 bis 34, insbesondere während des Autoklavprozesses unter hohem Druck, mit dem Matrixmaterial aus dem Klebebauteil 14 anfüllen. Hierdurch kann es im Einzelfall zu einer nicht mehr tolerierbaren, zumindest bereichsweisen Dickenunterschreitung des Klebebauteils 14 kommen, die in der Regel eine aufwändige und kostenintensive Nachbearbeitung notwendig macht.
Die 3 zeigt eine vereinfachte Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Vorrichtung, eine Seitenansicht der Vorrichtung sowie zwei Querschnitte durch die Vorrichtung entlang der Schnittlinien A-A sowie B-B. Der besseren zeichnerischen Übersicht halber ist der notwendige Vakuumaufbau der Vorrichtung, der üblicherweise zumindest eine Trennschicht, ein Belüftungsmaterial z.B. aus einem Polyestervlies, eine optionale Harzabsaugschicht sowie die Vakuumhülle umfasst, nicht dargestellt.
Die Vorrichtung 40 umfasst unter anderem ein Basisformwerkzeug 42 auf dem ein zu fertigendes Klebebauteil 44 aus Faserverbundkunststoffen abgelegt ist. Das Klebebauteil 44 ist mit mindestens einem Basislaminat sowie mehreren Verstärkungslaminaten, insbesondere zur Schaffung von Versteifungselementen, wie zum Beispiel I-Stringern, aufgebaut, die hier der besseren zeichnerischen Übersicht halber nicht mit Bezugsziffern versehen sind. Das Klebebauteil 44 ist bevorzugt mit Kohlenstofffasern mit einem Epoxidharz als Matrixmaterial aufgebaut. Alternativ können andere Verstärkungsfasern und/oder Matrixmaterialien bzw. Harzsysteme für das Klebebauteil 44 Verwendung finden. Zusätzlich können weitere Komponenten vorgesehen sein.
Auf das Klebebauteil 44 sind hier exemplarisch drei Formwerkzeuge 46, 48, 50 aufgesetzt, wobei die beiden äußeren Formwerkzeuge 46, 50 entlang ihrer außenliegenden Längskanten 52, 54 jeweils über eine Setzmaßbegrenzung 56, 58 verfügen. Die Formwerkzeuge 46, 48, 50 sind erfindungsgemäß zumindest entlang der Stirnseiten 60, 62 überkragungsfrei bzw. überhangfrei in Bezug zum Klebebauteil 44 ausgebildet. Dies bedeutet, dass die gegenüberliegenden Stirnseiten 60, 62 des Klebebauteils 44 mit Endabschnitten 64, 66 der Formwerkzeuge 46, 48, 50 bündig abschließen oder, wie hier in 3 beispielhaft dargestellt, zumindest beidseitig geringfügig über diese hinausragen. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ragen die Stirnseiten 60, 62 beidseitig jeweils unter den Endabschnitten 64, 66 der Formwerkzeuge 46 bis 50 heraus. Unter anderem aufgrund dieser Ausgestaltung wird die Bildung von unerwünschten Kavitäten zwischen den Formwerkzeugen 46 bis 50 und dem Basisformwerkzeug 42, insbesondere im Bereich der beiden Endabschnitte 64, 66, in erheblichem Umfang vermindert, da kein Formwerkzeugüberhang mehr besteht, unter dem Hohlräume existieren oder entstehen können. Wie aus der Seitenansicht der Vorrichtung 40 in der 3 entnehmbar ist, sind die Endabschnitte 64, 66 der Formwerkzeuge unter Bildung von nicht bezeichneten, geneigten Stirnflächen abgeschrägt ausgeführt.
Darüber hinaus verfügen die drei Formwerkzeuge 46 bis 50 im gezeigten Ausführungsbeispiel der 3 über eine annähernd gleiche, hier nicht bezeichnete Bauhöhe, so dass sich beim Autoklavprozess im Klebebauteil 44 annähernd gleiche Druckverhältnisse einstellen und unerwünschte Strömungen des Matrixmaterials aus dem Klebebauteil 44 in etwaig noch vorhandene parasitäre Kavitäten und/oder andere Bereiche innerhalb des Klebebauteils 44 erheblich reduziert werden, wenn nicht sogar ganz unterbleiben.
Das Basisformwerkzeug 42 ist vorzugsweise aus einem metallischen Material hergestellt, das eine hinreichende mechanische Belastbarkeit und zudem eine ausreichende Temperaturfestigkeit aufweist, um auch den extremen Umgebungsbedingungen dauerhaft widerstehen zu können, die in einem Autoklaven auf die Vorrichtung 40 einwirken. Die Formwerkzeuge 46 bis 50 können sowohl mit einem metallischen Material als auch mit einem Kunststoffmaterial gebildet sein, das jeweils über eine hinreichend hohe mechanische Belastbarkeit und Temperaturfestigkeit verfügt.
Die 4 illustriert eine vergrößerte Darstellung des Ausschnittes IV in der 3. Der Vakuumaufbau ist der besseren Übersichtlichkeit halber gleichfalls nicht dargestellt. Auf dem Klebebauteil 44 aus den Faserverbundkunststoffen liegen die aneinander grenzenden Formwerkzeuge 48, 50 auf. Das Klebebauteil 44 ist seinerseits auf dem Basisformwerkzeug 42 abgelegt und positioniert. Um insbesondere während des Aushärteprozesses des Klebebauteils 44 im Autoklaven eine möglichst gleichmäßige Druckverteilung des Matrixmaterials innerhalb des Klebebauteils 44 zu erreichen und eine Stufenbildung zu vermeiden, weisen die Formwerkzeuge 48, 50 jeweils eine gleiche Bauhöhe 68 auf. Aufgrund der fehlenden relevanten Bauhöhendifferenzen wird insbesondere eine Brückenbildung in der Vakuumhülle verhindert und Druckunterschiede innerhalb des Klebebauteils 44 sowie sich hieraus ergebende Matrixmaterialströmungen und damit einhergehende Dickenreduzierungen reduziert.
Darüber hinaus grenzen die Formwerkzeuge 48, 50 praktisch spaltfrei aneinander an, so dass insbesondere beim Autoklavprozess kein Matrixmaterial aus dem Klebebauteil 44 zwischen die Formwerkzeuge 48, 50 gelangen kann.
Die 5 zeigt eine vergrößerte Darstellung des Ausschnittes V aus der 3.
Das linksseitige Formwerkzeug 46 mit der integral ausgebildeten Setzmaßbegrenzung 56 sowie das mittlere, innenliegende Formwerkzeug 48 liegen auf dem Klebebauteil 44 auf, das wiederum auf dem Basisformwerkzeug 42 angeordnet ist. Darüber hinaus stützt sich das links- bzw. das randseitige Formwerkzeug 46 mithilfe der Setzmaßbegrenzung 56 unmittelbar auf dem Basisformwerkzeug 42 ab.
Die Formwerkzeuge 46, 48 verfügen über eine s.g. Vertikalverriegelung 70, die aus einem Auflager 72 und einem Niederhalter 74 besteht. Das Auflager 72 sowie der Niederhalter 74 sind jeweils bevorzugt integral (einstückig) zu den Formwerkzeugen 46, 48 ausgeführt und weisen jeweils eine näherungsweise viereckige Querschnittsgeometrie auf. Das Auflager 72 sowie der Niederhalter 74 lassen sich in fertigungstechnisch einfacher Weise beispielsweise durch Einfräsen von Längsnuten in die Formwerkzeuge 46, 48 herstellen. Zwischen dem Auflager 72 und dem Niederhalter 74 besteht ein bereichsweiser Formschluss, d.h. das Auflager 72 liegt zumindest bereichsweise am Niederhalter 74 an. Durch die Vertikalverriegelung 70 wird insbesondere eine unerwünschte Aufwärtsbewegung des mittleren Formwerkzeugs 48 in Richtung des weißen Pfeils 76 (in Richtung des hier nicht eingezeichneten Vakuumaufbaus) in Bezug zum Formwerkzeug 46 erschwert. Eine solche Aufwärtsbewegung kann unter anderem durch eine horizontale Matrixmaterialströmung innerhalb des Klebebauteils 44 in Richtung des nicht bezeichneten schwarzen Pfeils hervorgerufen werden. Die Ursache dieser Matrixmaterialströmung liegt darin, dass während der Aushärtung des Klebebauteils 44 im Autoklaven unterhalb des Formwerkzeugs 46 ein höherer Druck als unter dem Formwerkzeug 48 herrscht. Aufgrund dieses Druckgefälles fließt das Matrixmaterial unterhalb der Formwerkzeuge 46, 48 bzw. im Grenzbereich zwischen den Formwerkzeugen 46, 48 in Richtung des schwarzen Pfeils, wobei das Anheben des Formwerkzeugs 48 durch den Niederhalter 74 in Verbindung mit dem Auflager 72 unterdrückt wird. Diese Matrixmaterialströmung ist nur bei einer hinreichend kleinen Viskosität des Matrixmaterials des Klebebauteils 44 möglich. Mit fortschreitendem Aushärtungsgrad des Klebebauteils 44, d.h. bei steigender Viskosität des Matrixmaterials, nimmt die Matrixmaterialströmung kontinuierlich ab, bis sie vollständig zum Erliegen kommt.
Die 6 zeigt eine Schnittdarstellung durch einen Endabschnitt des mittleren Formwerkzeugs der Vorrichtung entlang der Schnittlinie C-C in der 3. Im Unterschied zur vereinfachten Darstellung in der 3, sind hier der Vakuumaufbau und der Vakuumkanal mit dargestellt.
Das Klebebauteil 44 liegt wiederum auf dem Basisformwerkzeug 42 auf und ist hier vom mittleren Formwerkzeug 48 bedeckt. Das Formwerkzeug 48 ist mit einem Belüftungsmaterial 78 und von einer Vakuumhülle 80 bedeckt, die mittels einer Dichtung 82 gegenüber dem Basisformwerkzeug 42 abgedichtet ist. Das Basisformwerkzeug 42 verfügt über einen Vakuumkanal 84, der zur Herstellung eines Teilvakuums unterhalb der Vakuumhülle 80 dient. Innerhalb des Vakuumkanals 84 kann ein Sieb 86 vorgesehen sein. Erfindungsgemäß ragt die Stirnseite 62 des Klebebauteils 44 mit einem kleinen Überstand 88 unter dem Endabschnitt 66 des Formwerkzeugs 48 heraus und der Endabschnitt 66 ist abgeschrägt ausgebildet. Aufgrund des symmetrischen Aufbaus der gesamten Vorrichtung 40 gilt Vorstehendes auch für die hiervon weggerichtete Stirnseite des Klebebauteils 44 bzw. des zugehörigen Endabschnittes 64 des Formwerkzeugs 48 sowie die übrigen Formwerkzeuge 46, 50, die hier nicht sichtbar sind.
Aufgrund der in Bezug zur Stirnseite 62 des Klebebauteils 48 im Wesentlichen überkragungsfreien bzw. überhangfreien Ausgestaltung des abgeschrägten Endabschnittes 66 des Formwerkzeugs 48, bestehen zwischen dem Formwerkzeug 48 und dem Basisformwerkzeug 42 im Bereich des Endabschnittes 66 keine unerwünschten Kavitäten, die sich während des Aushärteprozesses im Autoklaven mit Matrixmaterial aus dem Klebebauteil 44 anfüllen und zu einer nicht tolerierbaren Dickenreduzierung des Klebebauteils 44 in dieser Randzone führen könnten.
Der Endabschnitt 66 des Formwerkzeugs 48 ist als abgeschrägte bzw. als geneigte Stirnfläche 90 mit einem Winkel α von zum Beispiel etwa 45° ausgeführt. Hiervon abweichende Winkel α sind gleichfalls möglich. Entsprechend der Ausgestaltung in der 6 sind auch die Endabschnitte 64, 66 der beiden anderen, hier nicht dargestellten Formwerkzeuge 46, 50 ausgeführt. Aufgrund der gezeigten Ausführungsform der Endabschnitte 64, 66 werden die parasitären Kavitäten an den Stirnseiten 60, 62 des Klebebauteils 44 in erheblichem Maße reduziert bzw. im Vergleich zu konventionellen im Endbereich überkragenden Formwerkzeugen einfach "abgeschnitten". Abweichend hiervon ist es auch möglich, nur einen Endabschnitt 64, 66 mindestens eines Formwerkzeuges 46 bis 50 wie gezeigt abgeschrägt und überkragungsfrei auszubilden. Die gezeigte Ausgestaltung der Endabschnitte 64, 66 der Formwerkzeuge 46 bis 50 ist vor allem effektiv, wenn eine Kontur der Stirnseiten 60, 62 des Klebebauteils 44 nicht präzise einer Sollgeometrie entsprechen muss oder wenn eine Nachbearbeitung der Stirnseiten 60, 62 des Klebebauteils 44 möglich ist.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung 40 sind insbesondere unerwünschte Kavitäten, die vor allem zu stirnseitigen Dickenunterschreitungen aufgrund von Matrixmaterialströmungen im Inneren des Klebebauteils 44 führen, nur noch in einem erheblich reduzierten Maße vorhanden. Mit Hilfe der Vorrichtung 40 lassen sich somit zum Beispiel integral verstärkte Schalen aus Faserverbundkunststoffen maßhaltig, prozesssicher, kostengünstig, großserientauglich und unter geringen Materialverlusten in ressourcenschonender Weise herstellen.
Bezugszeichenliste

10: Anordnung
12: Basisformwerkzeug
14: Klebebauteil
16: Trennschicht
18: Formwerkzeug
20: Formwerkzeug
22: Belüftungsmaterial
24: Vakuumhülle
26: Dichtung
28: Vakuumkanal
30: Hohlraum
32: Hohlraum
34: Hohlraum
36: Überhang (Formwerkzeug)
40: Vorrichtung
42: Basisformwerkzeug
44: Klebebauteil
46: Formwerkzeug (außenliegend)
48: Formwerkzeug (mittleres)
50: Formwerkzeug (außenliegend)
52: Längskante
54: Längskante
56: Setzmaßbegrenzung (links)
58: Setzmaßbegrenzung (rechts)
60: Stirnseite (Klebebauteil)
62: Stirnseite (Klebebauteil)
64: Endabschnitt (Formwerkzeug)
66: Endabschnitt (Formwerkzeug)
68: Bauhöhe (Formwerkzeug)
70: Vertikalverriegelung
72: Auflager
74: Niederhalter
76: Pfeil
78: Belüftungsmaterial
80: Vakuumhülle
82: Dichtung
84: Vakuumkanal
86: Sieb (Vakuumkanal)
88: Überstand (Klebebauteil)
90: geneigte Stirnfläche

Claims

Vorrichtung (40) zur Herstellung eines Klebebauteils (44) mit Faserverbundkunststoffen mit mindestens einem Basisformwerkzeug (42) und mindestens einem Formwerkzeug (46, 48, 50), wobei das Klebebauteil (44) zwischen dem Basisformwerkzeug (42) und dem Formwerkzeug (46, 48, 50) angeordnet ist und das Formwerkzeug (46, 48, 50) mit einem Belüftungsmaterial (78) und mit einer Vakuumhülle (80) überdeckt ist, wobei die Vakuumhülle (80) gegenüber dem Basisformwerkzeug (42) mittels einer Dichtung (82) abgedichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Stirnseite (60, 62) des Klebebauteils (44) zumindest abschnittsweise mit wenigstens einem Endabschnitt (64, 66) mindestens eines Formwerkzeugs (46, 48, 50) bündig abschließt oder unter diesem herausragt.
Vorrichtung (40) nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Formwerkzeug (46, 48, 50) über eine Setzmaßbegrenzung (56, 58) verfügt.
Vorrichtung (40) nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei benachbarte Formwerkzeuge (46, 48, 50) eine im Wesentlichen gleiche Bauhöhe (68) aufweisen.
Vorrichtung (40) nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei benachbarte Formwerkzeuge (46, 48, 50) mindestens eine Vertikalverriegelung (70) aufweisen.
Vorrichtung (40) nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertikalverriegelung (70) mit mindestens einem Niederhalter (74) und mit mindestens einem Auflager (72) gebildet ist.
Vorrichtung (40) nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Niederhalter (74) und das mindestens eine Auflager (72) jeweils eine im Wesentlichen viereckige Querschnittsgeometrie aufweisen.
Vorrichtung (40) nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Basisformwerkzeug (42) mit einem metallischen Material gebildet ist.
Verfahren zur Herstellung eines Klebebauteils (44) mit Faserverbundkunststoffen, insbesondere unter Verwendung einer Vorrichtung (40) nach einem der Patentansprüche 1 bis 7.