DE102011119220A1

DE102011119220A1 - Einrichtung zur Herstellung gekrümmter Bauteile aus einem Faserverbundwerkstoff

Info

Publication number: DE102011119220A1
Application number: DE102011119220A
Authority: DE
Inventors: Dr.-Ing. Berthold Udo; Georg Grötzschel
Original assignee: COTESA GmbH
Current assignee: COTESA GmbH
Priority date: 2011-11-16
Filing date: 2011-11-16
Publication date: 2013-05-16
Anticipated expiration: 2031-11-17
Also published as: DE102011119220B4

Abstract

Die Erfindung betrifft Einrichtungen zur Herstellung gekrümmter Bauteile aus einem Faserverbundwerkstoff. Die Einrichtungen zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass die Bauteile einfach und ohne eine Faserverwerfung und/oder Stauchung herstellbar sind. Dazu besteht die Einrichtung im Wesentlichen aus – einem langgestreckten elastischen Träger für wenigstens ein bahnförmiges Halbzeug aus dem Faserverbundwerkstoff, wobei die Fasern gegenüber der Längsachse des Trägers Winkel verschieden Null einschließen, – einem biegeelastischen Anker für die neutrale Faser des Halbzeugs im Träger, – wenigstens einen translatorisch wirkenden Antrieb zur Krümmung des Trägers mit dem Halbzeug und – einem Grundkörper für den Träger und den Antrieb. Der Träger ist an wenigstens einen translatorisch wirkenden Antrieb gekoppelt, mittels dem der Träger und damit das darauf angeordnete Halbzeug gekrümmt wird. Damit sind vorteilhafterweise Bauteile als gekrümmte Profile mit profilfolgenden Faserkoordinaten reproduzierbar herstellbar.

Description

Die Erfindung betrifft Einrichtungen zur Herstellung gekrümmter Bauteile aus einem Faserverbundwerkstoff.
Durch die Druckschrift WO 2009/115736 A1 ist ein Verfahren und eine Einrichtung zur Herstellung eines gekrümmten Bauteils aus einem Faserverbundwerkstoff bekannt. Das zu krümmende Bauteil befindet sich an einem Stützelement aus Silikon. Beide werden an eine die Krümmung aufweisende beheizte Metallform abgeformt. Dazu wird das Stützelement mit dem Bauteil kontinuierlich auf die Metallform aufgebracht, so dass das Bauteil die der Metallform äquivalente Krümmung erhält. Die Abformung ist von der Zufuhr des Stützelements und deren Halt auf der Metallform abhängig. Stauchungen oder Dehnungen des Bauteils sind durch das flexible Stützelement nicht auszuschließen.
Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, gekrümmte Bauteile aus einem Faserverbundwerkstoff einfach herzustellen.
Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.
Die Einrichtungen zur Herstellung gekrümmter Bauteile aus einem Faserverbundwerkstoff zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass die Bauteile einfach und ohne eine Faserverwerfung und/oder Stauchung herstellbar sind.
Dazu besteht die Einrichtung im Wesentlichen aus

– einem langgestreckten elastischen Träger für wenigstens ein bahnförmiges Halbzeug aus dem Faserverbundwerkstoff, wobei die Fasern gegenüber der Längsachse des Trägers Winkel verschieden Null einschließen,
– einem biegeelastischen Anker für die neutrale Faser des Halbzeugs im Träger,
– wenigstens einen translatorisch wirkenden Antrieb zur Krümmung des Trägers mit dem Halbzeug und
– einem Grundkörper für den Träger und den Antrieb.

Der Träger ist an wenigstens einen translatorisch wirkenden Antrieb gekoppelt, mittels dem der Träger und damit das darauf angeordnete Halbzeug gekrümmt wird. Damit sind vorteilhafterweise Bauteile als gekrümmte Profile mit profilfolgenden Faserkoordinaten reproduzierbar herstellbar.
Das Halbzeug ist flächig auf den Träger so aufgebracht, dass die Fasern einen Winkel verschieden Null gegenüber der Längsachse des Trägers einschließen. Der biegeelastische Anker bestimmt die neutrale Faser des Trägers und damit die des Halbzeugs. Der biegeelastische Anker ist günstigerweise ein biegeelastischer Stahlanker. Die Position des biegeelastischen Ankers wird so gewählt, dass keine Verwerfungen während des Verformens auftreten. Die Lageveränderung der Fasern zueinander erfolgt so, dass keine Überkreuzung der Fasern stattfindet. Die Fasern werden beim Biegen aufgefächert.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 11 angegeben.
Der Träger weist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 2 wenigstens eine umlaufende Nut auf. Weiterhin ist die umlaufende Nut über wenigstens einen Durchbruch im Träger an eine einen Unterdruck erzeugende Einrichtung gekoppelt, so dass das auf dem Träger angeordnete Halbzeug fixiert ist. Das Halbzeug überdeckt die Nut, so dass mittels des wirkenden Luftdrucks das Halbzeug auf den Träger gedrückt wird. Während des Vorgangs der Biegung ist damit ein sicherer Halt des Halbzeugs auf dem Träger gewährleistet. Die einen Unterdruck erzeugende Einrichtung ist dazu eine bekannte Vakuumpumpe.
Der Träger weist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 3 eine Vertiefung für das Halbzeug auf. Weiterhin befindet sich auf dem Träger mit dem Halbzeug eine die Vertiefung überdeckende elastische Deckplatte. Wenigstens eine der Kanten der Vertiefung wirkt während der Deformation vorteilhafterweise als Anschlag des Halbzeugs. Die Deckplatte stellt eine Druckplatte dar, so dass vorteilhafterweise Verwerfungen während des Biegevorgangs vermieden werden.
In Fortführung ist die Vertiefung oder der Träger nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 4 vorteilhafterweise über wenigstens einen Durchbruch im Träger an eine einen Unterdruck erzeugende Einrichtung gekoppelt, so dass die Deckplatte und damit auch das das Halbzeug fixierbar sind.
Auf dem Grundkörper befindet sich nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 5 wenigstens ein Anschlag für den Träger. Der Anschlag kann dazu vorteilhafterweise die Form der Krümmung für das Bauteil besitzen.
Mehrere Anschläge sind nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 6 beabstandet zueinander auf dem Grundkörper angeordnet. Weiterhin sind die Anschläge in verschiedenen Positionen korrespondierend zum Träger positionier- und feststellbar. Damit können leicht unterschiedlich gekrümmte Bauteile realisiert werden. Darüber hinaus sind auch Bauteile mit mehreren Krümmungen leicht herstellbar.
Nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 7 sind entweder Antriebe an die Enden oder die Endenbereiche des Trägers oder es sind beabstandet angeordnete Antriebe an den Träger oder den biegeelastischen Anker angekoppelt. Dadurch können auch Bauteile unterschiedlicher Krümmung leicht realisiert werden.
Günstigerweise ist der translatorisch wirkende Antrieb nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 8 ein Schubmotor oder ein rotatorischer Antrieb mit einem Getriebe zur Umwandlung der rotatorischen in eine translatorische Bewegung. Der Schubmotor ist ein bekannter Hydromotor in Form eines einfach (Plangerzylinder) oder doppelt (Differentialzylinder) wirkenden Zylinders.
Die Position des biegeelastischen Ankers ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 9 im Träger veränderbar, so dass die neutrale Faser des Halbzeugs auf dem Träger einstellbar ist. Damit kann die neutrale Faser des Trägers und damit die des Halbzeugs leicht an die jeweiligen zu erzielenden Krümmungen angepasst werden. Beispielsweise besitzt der Träger dazu den biegeelastischen Anker aufnehmende Nuten, die bei Nichtbedarf mit die Nuten füllenden Körpern bestehend aus dem Material des Trägers befüllt sein können.
Zur Realisierung eines gekrümmten tragenden Bauteils ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 10 ein Verbund in Form von biaxialen, langgestreckten und bahnförmigen Halbzeugen jeweils bestehend aus Fasern und einer ungehärteten duroplastischen Kunststoffmatrix lösbar auf dem Träger angeordnet. Der Verbund stellt wiederum ein Halbzeug dar. Dabei ist der Faserwinkel oder sind die Faserwinkel gegenüber der Längsachse des Trägers verschieden Null. Die ungehärteten Halbzeuge als endlosfaserverstärkte Halbzeuge mit parallel und gerade verlaufenden Fasern erhalten ein in der Ebene gekrümmtes Profil mit profilfolgenden Fasern mit aufgefächerten Faserverlauf und einem Faserwinkel konstant zur Profillinie.
Der Verbund ist flächig auf den Träger so aufgebracht, dass die Fasern beispielsweise einen Winkel zwischen jeweils +/–45°, +/–30°, 30°/190°, 45°/90° gegenüber der Längsrichtung einschließen. Der Träger wird zur Erzielung der Krümmung mittels des translatorisch wirkenden Antriebs bewegt. Dazu kann auch der wenigstens eine Anschlag mit eingesetzt werden. Der Anschlag und der Träger mit den flächig aufgebrachten Halbzeugen sind in einer Ebene angeordnet, so dass bei einer Bewegung des Trägers zu dem Anschlag die Halbzeuge über ihre Breite einschließlich des Trägers beispielsweise zu einem Teilring geformt werden. Die Breite des Teilrings entspricht dabei im Wesentlichen der Breite der Halbzeuge. Die neutrale Faser des Trägers und damit der Halbzeuge wird so gewählt, dass keine Verwerfungen während des Verformens auftreten. Die Lageveränderung der Fasern zueinander erfolgt so, dass keine Überkreuzung der Fasern stattfindet. Die Fasern werden aufgefächert.
Nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 11 sind das Halbzeug ein Prepreg oder ein trockenes endlosfaserverstärktes Faserhalbzeug und das Bauteil ein Spant. Prepreg ist die englische Kurzform für preimpregnated fibres. Als Prepreg wird ein Halbzeug bezeichnet, das aus Fasern und einer ungehärteten duroplastischen Kunststoffmatrix besteht.
Spanten dienen zur Verstärkung des Rumpfes beispielsweise bei Flugzeugen, die gleichzeitig als Träger der Umhüllung dienen. Damit wird wesentliches Gewicht eingespart.
Vor dem Aushärten kann zur Realisierung der Spanten wenigstens ein Bereich parallel zur Mittelachse der ungehärteten Halbzeuge abgewinkelt sein. Im Querschnitt ist damit eine L-, Z-, U- oder Omega-Form vorhanden, so dass die Stabilität des Bauteils weiter erhöht wird. Gleichzeitig bilden die Schenkel Montageflächen aus.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen jeweils prinzipiell dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:
1 einen Träger mit einem Anker vor und nach der Biegung,
2 einen Träger mit einer Vertiefung für das Halbzeug und einer Deckplatte als Bestandteile einer Einrichtung zur Herstellung gekrümmter Bauteile aus einem Faserverbundwerkstoff in einer Schnittdarstellung und
3 eine Einrichtung zur Herstellung gekrümmter Bauteile aus einem Faserverbundwerkstoff in einer Draufsicht.
Eine Einrichtung zur Herstellung gekrümmter Bauteile aus einem Faserverbundwerkstoff besteht im Wesentlichen aus einem elastischen Träger 1 für wenigstens ein Halbzeug 2, einem Grundkörper 8, Anschlägen 9 und translatorisch wirkenden Antrieben 7.
Die 1 zeigt einen Träger 1 mit einem Anker 3 vor und nach der Biegung in einer prinzipiellen Darstellung.
Der Träger 1 ist ein langgestreckter elastischer Träger 1 für wenigstens ein bahnförmiges Halbzeug 2 aus dem Faserverbundwerkstoff, wobei die Fasern gegenüber der Längsachse des Trägers 1 Winkel verschieden Null einschließen. Der Träger 1 besteht dazu aus einem Kunststoff beispielsweise Silikon. Im Träger 1 befindet sich ein biegeelastischer Anker 3 für die neutrale Faser des Halbzeugs 2. Der Anker 3 ist dazu insbesondere ein biegeelastischer Stahlanker 3.
In einer ersten Ausführungsform weist der Träger 1 wenigstens eine umlaufende Nut auf, die über wenigstens einen Durchbruch im Träger 1 an eine einen Unterdruck erzeugende Einrichtung 4 gekoppelt ist. Damit ist das Halbzeug 2 auf dem Träger 1 fixierbar.
In einer zweiten Ausführungsform weist der Träger 1 eine Vertiefung 5 für das Halbzeug 2 auf. Auf dem Träger 1 mit dem Halbzeug 2 befindet sich eine die Vertiefung 5 überdeckende elastische Deckplatte 6.
Die 2 zeigt einen Träger 1 mit einer Vertiefung 5 für das Halbzeug 2 und einer Deckplatte 6 als Bestandteile einer Einrichtung zur Herstellung gekrümmter Bauteile aus einem Faserverbundwerkstoff in einer prinzipiellen Schnittdarstellung.
Die Vertiefung 5 oder der Träger 1 ist über wenigstens einen Durchbruch des Trägers 1 an eine einen Unterdruck erzeugende Einrichtung 4 gekoppelt, so dass das auf dem Träger 1 angeordnete Halbzeug 2 mittels der durch den wirkenden Luftdruck angepressten Deckplatte 6 fixierbar ist.
Der elastische Träger 1 ist ein Bestandteil der Einrichtung zur Herstellung gekrümmter Bauteile aus einem Faserverbundwerkstoff.
Die 3 zeigt eine Einrichtung zur Herstellung gekrümmter Bauteile aus einem Faserverbundwerkstoff in einer prinzipiellen Draufsicht.
Weitere Bestandteile sind translatorisch wirkende Antriebe 7 zur Krümmung des Trägers 1 mit dem Halbzeug 2 und der Grundkörper 8 für den Träger 1, die Antriebe 7 und die Anschläge 9.
Zur Realisierung eines gekrümmten tragenden Bauteils ist ein Verbund als Halbzeug 2 in Form von biaxialen, langgestreckten und bahnförmigen Halbzeugen 2 jeweils bestehend aus Fasern und einer ungehärteten duroplastischen Kunststoffmatrix lösbar auf dem Träger 1 angeordnet, wobei der oder die Faserwinkel des Halbzeugs 2 gegenüber der Längsachse des Trägers 1 verschieden Null ist oder sind. Die ungehärteten Halbzeuge 2 als endlosfaserverstärkte Halbzeuge 2 mit parallel und gerade verlaufenden Fasern erhalten ein in der Ebene gekrümmtes Profil mit profilfolgenden Fasern mit aufgefächerten Faserverlauf und einem Faserwinkel konstant zur Profillinie. Die Halbzeuge 2 sind zusammen als Verbund lösbar auf dem Träger 1 angeordnet, wozu der Träger 1 beispielsweise aus Silikon besteht, so dass der gekrümmte Verbund als Halbzeug 2 einfach wieder vom Träger 1 lösbar ist.
Die Anschläge 9 sind beabstandet zueinander auf dem Grundkörper 8 in einer Bogenform angeordnet. Der Träger 1 und die Anschläge 9 befinden sich in einer Ebene auf dem Grundkörper 8. Zur Veränderung des Radius sind diese feststellbar geführt und korrespondierend zum Träger 1 auf dem Grundkörper 8 angeordnet. An die Enden des Trägers 1 greift jeweils ein translatorisch wirkender Antrieb 7 an, so dass der Träger 1 zu den Anschlägen 9 hin und von diesen weg bewegbar ist. Die translatorisch wirkenden Antriebe 7 sind jeweils bekannte Schubmotoren oder rotatorische Antriebe mit einem Getriebe zur Umwandlung der rotatorischen in eine translatorische Bewegung.
Nach dem Biegevorgang wird der Verbund als Halbzeug 2 vom Träger 1 gelöst und nachfolgend in einem geeigneten und bekannten Härtewerkzeug/Härteeinrichtung ausgehärtet.
Der Träger 1 wird in seine gerade Ausgangsstellung zurückgefahren.
Anstelle der Anschläge 9 können in einer weiteren Ausführungsform mehrere Antriebe 7 beabstandet zueinander an den Träger 1 oder den Anker 3 gekoppelt sein. Der Verfahrweg der Antriebe 7 bestimmt dabei die Krümmung des Trägers 1 und damit des Halbzeugs 2.
In einer weiteren Ausführungsform wird vor dem Aushärten wenigstens ein Bereich parallel zur Mittelachse des ungehärteten Halbzeugs 2 abgewinkelt, so dass eine L-, Z-, U- oder Omega-Form vorhanden ist. Das so behandelte Halbzeug 2 wird anschließend ausgehärtet und ist ein Spant.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2009/115736 A1 [0002]

Claims

Einrichtung zur Herstellung gekrümmter Bauteile aus einem Faserverbundwerkstoff mit – einem langgestreckten elastischen Träger (1) für wenigstens ein bahnförmiges Halbzeug (2) aus dem Faserverbundwerkstoff, wobei die Fasern gegenüber der Längsachse des Trägers (1) Winkel verschieden Null einschließen, – einem biegeelastischen Anker (3) für die neutrale Faser des Halbzeugs (2) im Träger (1), – wenigstens einen translatorisch wirkenden Antrieb (7) zur Krümmung des Trägers (1) mit dem Halbzeug (2) und – einem Grundkörper (8) für den Träger (1) und den Antrieb (7).
Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (1) wenigstens eine umlaufende Nut aufweist und dass die umlaufende Nut über wenigstens einen Durchbruch im Träger (1) an eine einen Unterdruck erzeugende Einrichtung (4) gekoppelt ist, so dass das auf dem Träger (1) angeordnete Halbzeug (2) fixiert ist.
Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (1) eine Vertiefung (5) für das Halbzeug (2) aufweist und dass sich auf dem Träger (1) mit dem Halbzeug (2) eine die Vertiefung (5) überdeckende elastische Deckplatte (6) befindet.
Einrichtung nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefung (5) oder der Träger (1) über wenigstens einen Durchbruch im Träger (1) an eine einen Unterdruck erzeugende Einrichtung (4) gekoppelt ist, so dass die Deckplatte (6) und damit auch das Halbzeug (2) fixierbar sind.
Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich auf dem Grundkörper (8) wenigstens ein Anschlag (9) für den Träger (1) befindet.
Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Anschläge (9) beabstandet zueinander auf dem Grundkörper (8) angeordnet sind und dass die Anschläge (9) in verschiedenen Positionen korrespondierend zum Träger (1) positionier- und feststellbar sind.
Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Antriebe (7) an die Enden oder die Endenbereiche des Trägers (1) oder dass beabstandet angeordnete Antriebe (7) an den Träger (1) oder den biegeelastischen Anker (3) angekoppelt sind.
Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der translatorisch wirkende Antrieb (7) ein Schubmotor oder ein rotatorischer Antrieb mit einem Getriebe zur Umwandlung der rotatorischen in eine translatorische Bewegung ist.
Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Position des biegeelastischen Ankers (3) im Träger (1) veränderbar ist, so dass die neutrale Faser des Halbzeugs (2) auf dem Träger (1) einstellbar ist.
Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Realisierung eines gekrümmten tragenden Bauteils ein Verbund in Form von biaxialen, langgestreckten und bahnförmigen Halbzeugen (2) jeweils bestehend aus Fasern und einer ungehärteten duroplastischen Kunststoffmatrix lösbar auf dem Träger (1) angeordnet ist, wobei der oder die Faserwinkel des Halbzeugs (2) gegenüber der Längsachse des Trägers (1) verschieden Null ist oder sind und die ungehärteten Halbzeuge (2) als endlosfaserverstärkte Halbzeuge (2) mit parallel und gerade verlaufenden Fasern ein in der Ebene gekrümmtes Profil mit profilfolgenden Fasern mit aufgefächerten Faserverlauf und einem Faserwinkel konstant zur Profillinie erhalten.
Einrichtung nach Patentanspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbzeug (2) ein Prepreg oder ein trockenes endlosfaserverstärktes Faserhalbzeug (2) ist und dass das Bauteil ein Spant ist.