DE102012105683A1

DE102012105683A1 - Verformungsanalyse

Info

Publication number: DE102012105683A1
Application number: DE201210105683
Authority: DE
Inventors: Erik Kappel
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2012-06-28
Filing date: 2012-06-28
Publication date: 2014-01-02
Anticipated expiration: 2032-06-29
Also published as: FR2992725A1; DE102012105683B4; FR2992725B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer zu erwartenden Deformation bei der Herstellung eines Faserverbundbauteils, wobei zunächst eine Verformung bei der Herstellung einer Faserverbundbauteilprobe ermittelt und dann die zu erwartende Deformation in Abhängigkeit von der Bauteilform des herzustellenden Faserverbundbauteils und einem Dehnungsparameter, ermittelt aus der Verformung, berechnet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer zu erwartenden Deformation bei der Herstellung eines Faserverbundbauteils, das aus einem Faserhalbzeug in Verbindung mit einem Matrixharz gebildet werden soll.
Aufgrund ihrer Eigenschaft, bei relativ geringem Gewicht eine hohe Steifigkeit und Festigkeit in zumindest eine Richtung aufzuweisen, finden Faserverbundbauteile immer mehr Anwendung in den verschiedensten Bereichen. Ein großer Nachteil von Faserverbundbauteilen sind dabei die gegenüber klassischen Werkstoffen signifikant höheren Herstellungskosten, die nicht zuletzt auch darauf zurückzuführen sind, dass ein Großteil der Faserverbundbauteile bei der Herstellung noch viel Handarbeit erfordern.
Bei der Herstellung von Faserverbundbauteilen wird ein Faserhalbzeug mit einem Matrixharz infiltriert und anschließend in einem formgebenden Werkzeug in der Regel durch Beaufschlagung von Temperatur und Druck ausgehärtet. Durch die Beaufschlagung von Temperatur erfolgt in dem mit Matrixharz infiltrierten Faserhalbzeug eine Harzreaktion, so dass die Fasern des Faserhalbzeuges zu einem integralen Bauteil verschmelzen. Erst hierdurch ergibt sich die enorme Festigkeit insbesondere in Zugrichtung der Fasern.
Nicht selten werden bei der Herstellung von Faserverbundbauteilen vorgetränkte bzw. vorimprägnierte Faserhalbzeuge verwendet, so genannte Prepregs. Prepregs haben den Vorteil, dass das Faserhalbzeug nicht durch eine aufwendige Anlagenkonstruktion nach dem Einbringen des Faserhalbzeuges in die Werkzeugform mit dem Matrixharz infiltriert werden müssen. Die meist auf Rollen bahnförmig gewickelten Prepregs können dann vor Ort zugeschnitten und in die Werkzeugform schichtweise eingebracht werden, um so das spätere Bauteil zu bilden.
Bei der Faserverbundherstellung kommt es jedoch gegenwärtig zu herstellungsbedingten Deformationen, die dazu führen, dass sich nach der Endformung des fertigen Faserverbundbauteils aus der Werkzeugform die bei der Herstellung entstandenen Spannungen lösen und es so nachträglich zu einer Deformation des gesamten Faserverbundbauteils kommt. Wurde diese zu erwartende Deformation bei der Konstruktion und Planung des Bauteils sowie der hierfür notwendigen Werkzeugform nicht berücksichtigt, so können möglicherweise vorgegebene Fertigungstoleranzen nicht mehr eingehalten werden.
Gegenwärtig bleiben solche Deformationen im Konstruktionsprozess entweder unberücksichtigt oder werden durch Erfahrungswerte der beteiligten Personen im Konstruktionsprozess kompensiert. Die vorhandenen Erfahrungswerte sind jedoch an die im Konstruktionsprozess beteiligten Personen gebunden, so dass immer die Gefahr besteht, dass durch Ausscheiden der betreffenden Personen ein Knowhow-Verlust entsteht.
Darüber hinaus können auch die Erfahrungswerte eine 100%-ige Reproduktion des Herstellungsergebnisses nicht erreichen, so dass in der Regel erst kostenintensive Prototypen hergestellt werden müssen, um die benötigten Informationen bezüglich der Deformation des herzustellenden Faserverbundbauteils zu ermitteln. Werden Deformationen am Prototypen festgestellt, so müssen diese durch eine abgeänderte Werkzeugform kompensiert werden, was in der Regel unnötige und kostenintensive Nachbearbeitungsschritte am Formwerkzeug erzeugt.
Dies ist einer der vielen Gründe für die recht arbeits- und kostenintensiven Herstellungsprozesse bei der Herstellung von Faserverbundbauteilen.
Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren anzugeben, mit dem eine zu erwartende Deformation bei der Herstellung eines Faserverbundbauteils bestimmt werden kann, ohne dass hierfür ein arbeits- und kostenintensiver Prototyp hergestellt werden muss.
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß gelöst durch die Schritte:

a) experimentelles Ermitteln einer Verformung bei der Herstellung einer Faserverbundbauteilprobe aus einer mit Matrixharz infiltrierten Faserhalbzeugprobe in eine Richtung außerhalb einer Hauptfaserebene der Faserhalbzeugprobe mittels einer Messeinrichtung,
b) Ermitteln mindestens eines Dehnungsparameters aus der experimentell ermittelten Verformung, und
c) Berechnen einer zu erwartenden Deformation bei der Herstellung eines Faserverbundbauteils in Abhängigkeit von einer Bauteilform des herzustellenden Faserverbundbauteils und von mindestens einem der ermittelten Dehnungsparameter durch eine Recheneinheit.

Kern der Erfindung besteht darin, dass zu Beginn des Konstruktionsprozesses eine Verformung bei der Herstellung einer Faserverbundbauteilprobe in eine Richtung außerhalb der Hauptfaserebene ermittelt wird. Die Faserverbundbauteilprobe weist dabei insbesondere eine Faserhalbzeugprobe auf, die mit einem Matrixharz infiltriert ist. Die Faserverbundbauteilprobe wird dabei aus der Faserhalbzeugprobe mit dem infiltrierten Matrixharz durch Aushärtung des Matrixharzes hergestellt, wobei während des Herstellungsprozesses die Verformung in Richtung außerhalb der Hauptfaserebene der Faserhalbzeugprobe ermittelt wird. Das Ermitteln der Verformung kann dabei beispielsweise mit Hilfe einer Messeinrichtung ermittelt werden.
Aus dieser experimentell ermittelten Verformung anhand einer Faserhalbzeugprobe wird dann mindestens ein Dehnungsparameter ermittelt, der beispielsweise mit Hilfe einer Auswerteeinheit aus der experimentell ermittelten Verformung berechnet werden kann. Anschließend wird die zu erwartende Deformation bei der Herstellung des Faserverbundbauteils in Abhängigkeit von der Bauteilform des herzustellenden Faserverbundbauteils und von dem mindestens einem ermittelten Dehnungsparameter mit Hilfe einer Recheneinheit berechnet. Die Berechnung der zu erwartenden Deformation kann beispielsweise mit Hilfe eines Simulationsprogrammes basierend auf numerischen Verfahren zur Festkörpersimulation, wie beispielsweise klassische Finit-Elemente-Methoden, erfolgen.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahren wird es möglich, die bei der Herstellung von Faserverbundbauteilen auftretenden Deformationen bereits im Konstruktionsprozess zu ermitteln und diese dann bei der Konstruktion des Bauteils sowie der benötigten Bauteilform zu berücksichtigen. Die Herstellung kostenintensiver Prototypen ist somit nicht mehr notwendig.
Außerdem wird die Gefahr von Knowhow-Verlust durch Abwanderung von betreffenden Personen stark reduziert, wobei gleichzeitig im Gegensatz zu den Erfahrungswerten eine 100%-ige Reproduzierbarkeit sichergestellt werden kann.
Die Erfinder haben dabei erkannt, dass die herstellungsbedingten Deformationen insbesondere auf das anisotrope Materialverhalten des gesamten Verbundes zurückzuführen sind. Dabei hat sich gezeigt, dass eine Verformung in Richtung außerhalb der Hauptfaserebene, beispielsweise eine Verformung in Dickenrichtung der Faserhalbzeugprobe, die Dehnung in der faserdominierten Laminatebene deutlich übersteigen und damit den Effekt der herstellungsbedingten Deformation wesentlich bestimmen. Durch die Erfassung der Verformung in eine Richtung außerhalb der Hauptfaserebene kann somit zuverlässig auf eine zu erwartende Deformation bei der Herstellung des Faserverbundbauteils geschlossen werden, da diese Verformung, so wie die Erfinder erkannt haben, einen wesentlichen Beitrag zu dieser Deformation leistet.
Ganz besonders vorteilhaft ist es hierbei, wenn die Verformung orthogonal zu der Hauptfaserebene der Faserhalbzeugprobe ermittelt wird, so dass eine Verformung in Dickenrichtung der Faserverbundbauteilprobe ermittelt wird.
Ein weiterer Vorteil hierbei besteht darin, dass zur Feststellung bzw. Ermittlung der Verformung eine relativ kleine Faserhalbzeugprobe mit infiltriertem Matrixharz verwendet werden kann, um die notwendigen Daten zu erfassen. Durch die Verwendung relativ kleiner Faserhalbzeugproben und die Messung der Verformung orthogonal zur Hauptfaserebene der Faserhalbzeugprobe führt zu einem einfachen Anlagenaufbau, der gegenüber der Herstellung eines vollständigen Prototypens wesentlich kostengünstiger ist.
Vorteilhafterweise werden für die Faserhalbzeugprobe und das infiltrierte Matrixharz Materialien verwendet, die bei der Herstellung des späteren Faserverbundbauteils ebenfalls verwendet werden sollen. So ist es beispielsweise denkbar, dass von den Prepregs kleine Teile abgeschnitten werden, die dann als Faserhalbzeugprobe zur Herstellung der Faserverbundbauteilprobe Anwendung finden.
Darüber hinaus ist es ganz besonders vorteilhaft, wenn für die Abmessung der Faserhalbzeugprobe orthogonal zu der Hauptfaserebene Abmessungen verwendet werden, die den im herzustellenden späteren Faserverbundbauteil entsprechen. So lassen sich die ermittelten Daten einfacher auf das herzustellende Faserverbundbauteil übertragen. Zusätzlich oder alternativ hierzu ist es denkbar, dass bei der Ermittlung des mindestens einen Dehnungsparameters bezüglich der Dehnung der Faserhalbzeugprobe orthogonal zur Hauptfaserebene aus der experimentell ermittelten Verformung der Dehnungsparameter zusätzlich ins Verhältnis zu der Dicke der verwendeten Faserhalbzeugprobe gesetzt wird.
Des Weiteren ist es ganz besonders vorteilhaft, wenn zur experimentellen Ermittlung der Verformung durch die Messeinrichtung

– die Faserhalbzeugprobe in die Messeinrichtung eingebracht,
– die eingebrachte und mit dem Matrixharz infiltrierte Faserhalbzeugprobe durch Beaufschlagung von Druck und/oder Temperatur zur Herstellung der Faserverbundbauteilprobe ausgehärtet und
– die Verformung während der Aushärtung in die entsprechende Richtung gemessen wird.

Die Messeinrichtung kann beispielsweise ein Gerät zur thermo-mechanischen Analyse von Werkstoffen sein, wobei zwischen zwei entsprechende Silica-Glas-Plättchen innerhalb des Gerätes nicht ausgehärtete Prepreg-Laminatschichten gelegt werden. Durch Beaufschlagung von Temperatur wird dabei die Faserhalbzeugprobe ausgehärtet, wobei während des gesamten Aushärtungsprozesses die Verformung orthogonal zur Hauptfaserebene, in diesem Beispiel also in Dickenrichtung, erfasst wird. Dabei können Temperaturverläufe während des Aushärtungsprozesses verwendet werden, wie sie typischerweise auch bei der Herstellung des eigentlichen Faserhalbzeugbauteils Anwendung finden. Hierdurch werden die gewonnenen Daten repräsentativer.
Weiterhin ist es ganz besonders vorteilhaft, wenn der Schritt a) des erfindungsgemäßen Verfahrens mehrfach mit entsprechenden Faserhalbzeugproben wiederholt durchgeführt wird und der mindestens eine Dehnungsparameter aus der Mehrzahl von experimentell ermittelten Verformungen aus den jeweiligen Faserhalbzeugproben ermittelt wird. Hierdurch lassen sich experimentelle Schwankungen herausmitteln.
Des Weiteren ist es hierbei ganz besonders vorteilhaft, wenn die verschiedenen experimentell ermittelten Verformungen bzw. Verformungsverläufe auf einen gemeinsamen Gelpunkt in dem jeweiligen Verformungsverlauf normiert werden. Bei der Erreichung des so genannten Gelpunktes ist das Matrixharz in der Lage, mechanische Lasten in nennenswerter Größe zu übertragen. Aus diesem Grund ist dies der Punkt, ab dem chemische Schwindungen und thermische Schrumpfungen des Matrixharzes zu bleibenden Spannungseinlagerungen führen, die sich nach den Endformen in entsprechende Deformationen äußern. Eine Normierung der verschiedenen Verformungsverläufe auf diesen Gelpunkt führen somit zu einem genaueren Datenergebnis.
Des Weiteren ist es ganz besonders vorteilhaft, wenn der mindestens eine Dehnungsparameter für numerische Verfahren zur Festkörpersimulation, insbesondere für Finite-Elemente-Methoden, beispielsweise durch die Recheneinheit ermittelt wird, wobei die zu erwartenden Deformationen mittels des numerischen Verfahrens zur Festkörpersimulation durch die Recheneinheit berechnet werden. Die ermittelten Dehnungsparameter fließen somit direkt in die Berechnung der Festkörpersimulation ein, wodurch sich bereits im Konstruktionsprozess erkennen lässt, wo gegebenenfalls Deformationen auftreten können. Diese können dann während des gesamten Konstruktionsprozesses von vorneherein berücksichtigt werden.
Hierbei ist es ganz besonders vorteilhaft, wenn in Abhängigkeit von der Bauteilform des Faserverbundbauteils und der zu erwartenden Deformation die Werkzeugform zur Herstellung des Faserverbundbauteils ermittelt und hergestellt wird, so dass nach der Endformung des ausgehärteten Faserverbundbauteils aus der Werkzeugform und anschließender Deformation aufgrund von Spannungseinlagerungen während der Herstellung die tatsächlich gewünschte Bauteilform entsteht.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1 – schematische Darstellung der experimentellen Ermittlung einer Verformung;
2 – schematische Darstellung der aufgezeichneten Dickenänderung sowie des Temperaturverlaufes;
3 – schematische Darstellung einer erwarteten Deformation nach der Endformung.
1 zeigt schematisch die experimentelle Ermittlung einer Verformung einer Faserhalbzeugprobe 1. Bei der Faserhalbzeugprobe 1 handelt es sich um ein Prepreg, d.h. das Faserhalbzeug ist bereits mit einem Matrixharz vorgetränkt und infiltriert. Die Faserhalbzeugprobe 1 ist in eine Messeinrichtung 2 eingebracht, die aus einer Temperaturkammer 3 und einem Boden 4 besteht. Die Faserhalbzeugprobe 1 ist zwischen zwei Silica-Glas-Plättchen 5 eingespannt, wobei die Verformung orthogonal zur Hauptfaserebene der Faserhalbzeugprobe 1 mit Hilfe der Messeinrichtung 2 ermittelt werden kann.
Durch Beaufschlagung der Temperatur 3 mit einem entsprechenden Temperaturverlauf, so wie er zur Herstellung eines entsprechenden Faserverbundbauteils zwecks Aushärtung durchgeführt wird, entsteht nach Beendigung des Aushärtungsprozesses die Faserverbundbauteilprobe aus der Faserhalbzeugprobe 1. Die dabei entstehende Verformung, gemessen orthogonal zur Hauptfaserebene der Faserhalbzeugprobe 1 (gekennzeichnet durch Bezugsziffer 6) wird aufgezeichnet, wobei sich anschließend aus diesem Verformungsverlauf, so wie er beispielsweise in 2 gezeigt ist, ein entsprechender Dehnungsparameter für numerische Verfahren der Festkörpersimulation ableiten lassen.
2 zeigt schematisch in einem Diagramm den Temperaturverlauf in der Temperaturkammer 3 während der Herstellung der Faserverbundbauteilprobe aus der Faserhalbzeugprobe 1 sowie den dabei aufgezeichneten Verformungsverlauf in Dickenrichtung 6 (orthogonal zur Hauptfaserebene). Wie zu erkennen ist, ist der Temperaturverlauf zweistufig (gestrichelte Linie), so wie er häufig bei luftfahrtypischen Faserverbundbauteilen zwecks Aushärtung Anwendung findet. Die durchgezogene Linie entspricht hierbei den Verformungsverlauf, wobei deutlich sichtbar ist, dass eine Dehnung bzw. Schrumpfung orthogonal zur Hauptfaserebene um mehr als 6% erfolgt. Anhand dieses Verformungsverlaufes bzw. Verformung des kleinen Probekörpers 1 lässt sich dann ein Dehnungsparameter ermitteln, der dann zur Berechnung einer zu erwartenden Deformation bei der Herstellung des eigentlichen Faserverbundbauteils herangezogen werden kann.
Dabei haben Messergebnisse gezeigt, dass für gleiche Lagenaufbauten die Verformungen absolut reproduzierbar sind, so dass die zu erwartende Deformation sehr genau vorher berechnet werden kann. Weiterhin erlaubt die Methode auch noch eine Abschätzung von zu erwartenden Schwankungen der Fertigungsdeformationen, da sich diese in den aufgezeichneten Messergebnissen wiederfinden lassen.
3 zeigt schematisch ein C-Profil in der Seitendarstellung, bei dem die zu erwartende Deformation unter Zugrundelegung des vorgenannten Verfahrens vorherberechnet wurde. Das mit der Bezugsziffer 10 gekennzeichnete C-Profil stellt dabei das konstruktionsbedingte Faserhalbzeug dar, dessen Form vorgegeben ist. Das mit der Bezugsziffer 11 gekennzeichnete C-Profil stellt dabei die zu erwartende Deformation nach der Herstellung des Faserverbundbauteils dar, wobei deutlich zu erkennen ist, dass durch die Spannungseinlagerungen aufgrund der Verformung in Dickenrichtung die Stege des C-Profils zusammen gezogen werden.
Auf Grundlage der Kenntnis der zu erwartenden Deformation kann nun das Werkzeug zur Herstellung des Faserverbundbauteils so geformt werden, dass sich nach der Endformung aus dem Werkzeug die gewünschte Bauteilform des vorgegebenen Faserhalbzeuges 10 ergibt.

Claims

Verfahren zur Bestimmung einer zu erwartenden Deformation bei der Herstellung eines Faserverbundbauteils (10), das aus einem Faserhalbzeug in Verbindung mit einem Matrixharz gebildet werden soll, gekennzeichnet durch die Schritte: a) experimentelles Ermitteln einer Verformung bei der Herstellung einer Faserverbundbauteilprobe aus einer mit Matrixharz infiltrierten Faserhalbzeugprobe (1) in Richtung (6) außerhalb einer Hauptfaserebene der Faserhalbzeugprobe (1) mittels einer Messeinrichtung (2), b) Ermitteln mindestens eines Dehnungsparameters aus der experimentell ermittelten Verformung, und c) Berechnen einer zu erwartenden Deformation bei der Herstellung eines Faserverbundbauteils (10) in Abhängigkeit von einer Bauteilform des herzustellenden Faserverbundbauteils (10) und von mindestens einem der ermittelten Dehnungsparameter durch eine Recheneinheit (7).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verformung orthogonal zu der Hauptfaserebene der Faserhalbzeugprobe (1) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur experimentellen Ermittlung der Verformung durch die Messeinrichtung – die Faserhalbzeugprobe in die Messeinrichtung eingebracht, – die eingebrachte und mit dem Matrixharz infiltrierte Faserhalbzeugprobe durch Beaufschlagung von Druck und/oder Temperatur zur Herstellung der Faserverbundbauteilprobe ausgehärtet, und – die Verformung während der Aushärtung in die entsprechende Richtung gemessen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Wiederholen des Schrittes a) mehrfach mit entsprechenden Faserhalbzeugproben und Ermitteln des mindestens einen Dehnungsparameters aus der Mehrzahl von experimentell ermittelten Verformungen.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die aus der Durchführung des Schrittes a) ermittelten Verformungen auf einem gemeinsamen Gelpunkt in dem jeweiligen Verformungsverlauf normiert werden und der mindestens ein Dehnungsparameter dann aus den jeweils auf den Gelpunkt normierten Verformungsverläufen der Verformungen ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Ermitteln des mindestens einen Dehnungsparamters für numerische Verfahren zur Festkörpersimulation, insbesondere für Finite-Elemente-Methoden und Berechnen der zu erwartenden Deformation mittels des numerischen Verfahrens zur Festkörpersimulation durch die Recheneinheit.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Ermitteln einer Werkzeugform zur Herstellung des Faserverbundbauteils in Abhängigkeit von der Bauteilform des Faserverbundbauteils und der zu erwartenden Deformation.