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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines hohlprofilierten Bauteiles aus Faserverbundmaterial.
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Derartige Verfahren zum Herstellen eines hohlprofilierten Bauteiles aus Faserverbundmaterial sind allgemein bekannt. Beispielsweise finden Laminierverfahren und Harzinjektionsverfahren zwischenzeitlich vielfach Verwendung, um ein hohlprofiliertes, rotationssymmetrisches Bauteil in Form eines Kegels oder Kegelstumpfes für den Einsatz in thermischen Strömungsmaschinen, zum Beispiel eines Einlaufkegels bzw. Konus für Triebwerksanwendungen, herzustellen. Ein solches hohlprofiliertes Bauteil soll eine möglichst verwirbelungsfreie An- bzw. Einlaufströmung des Triebwerks garantieren. Darüber hinaus muss ein solches hohlprofiliertes Bauteil schadenstolerante Eigenschaften bei Einschlag von Fremdkörpern, wie Vogelschlag, Sand, Steinen usw., aufweisen. Gleichzeitig unterliegt ein solches hohlprofiliertes Bauteil, das um seine eigene Achse rotiert, hohen Zentrifugalkräften. Die Zentrifugalkräfte sind dabei von der Wandstärke bzw. Masse und dem Radius des Bauteiles abhängig. Vor allem bei einem kegelförmigen oder kegelstumpfförmigen Bauteil ist es daher von Vorteil, wenn die Wandstärke über die Länge des Kegels hin variiert, d.h. im Bereich der Kegelspitze dünnwandig und im Bereich des Kegelfußes dickwandig ist.
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Bei dem Laminierverfahren werden mit duroplastischen Harzsystemen vorimprägnierte Faserhalbzeuge zugeschnitten, zumeist manuell über ein Werkzeug drapiert und in einem Autoklav oder Ofen über einen bestimmten Zeitraum hinweg ausgehärtet. Ein durch das Laminierverfahren hergestelltes Bauteil hat den Vorteil, dass die Änderung der Wandstärke über die Kegellänge fertigungstechnisch abbildbar ist. Als nachteilig hat sich in der Praxis jedoch das Vorhandensein einer Stoßstelle, welche sich aufgrund des Laminataufbaus automatisch ergibt, herausgestellt. Eine Stoßstelle stellt eine Schwachstelle in einem Bauteil dar, da die Fasern nicht durch Kraftschluss miteinander verbunden sind. Dadurch ist dieser Bereich bei einem Einschlag von Fremdkörpern, beispielsweise durch Vogelschlag, Sand, Steinen etc., besonders empfindlich. Der Lastverlauf in einem rotationsymmetrischen Bauteil kann durch das Fasermatrixhalbzeug des Laminierverfahrens nur begrenzt aufgenommen werden. Mit anderen Worten kann der Laminataufbau nicht lastgerecht erfolgen. Damit nimmt das Gewicht des Bauteiles in unerwünschter Weise erheblich zu.
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Bei dem Harzinjektionsverfahren werden in einem ersten Schritt trockene Fasergewebe oder Faserbündel bzw. Rovings über ein Werkzeug drapiert und zu einer sogenannten Preform verarbeitet. Eine Preform ist ein Fasergebilde bzw. Faserbauteil. Anschließend wird in einem separaten Arbeitsschritt das Fasergebilde in ein Gesenk gelegt bzw. von einem Werkzeug umschlossen. Danach wird ein niedrigviskoses Harz unter Druckbeaufschlagung in das Gesenk injiziert. Das Harz durchdringt und umschließt das Fasergebilde und wird dabei von dem Gesenk begrenzt. Die Herstellung der Preform kann auf unterschiedliche Weise erfolgen. Am häufigsten findet dabei das Wickelverfahren Verwendung. Mit anderen Worten besteht die Preform aus trockenen Faserbündeln bzw. Rovings, welche dem Lastverlauf entsprechende über einen Kern abgelegt werden.
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Gleichwohl sich diese Herstellverfahren in der Praxis allgemein bewährt haben, hat sich bei beiden Verfahren zum Herstellen speziell eines solchen hohlprofilierten Bauteiles die Verwendung von duroplastischen Harzsystemen als nachteilig herausgestellt. Duroplasten müssen unter Temperatur, Druck und Zeit zum Aushärten gebracht werden. Dies erfolgt in einem zusätzlichen Verfahrensschritt, welcher der eigentlichen Fertigung nachgelagert wird. Das Aushärten kann je nach verwendetem Duroplast, zum Beispiel Epoxid, und verwendeter Aushärtemethode, zum Beispiel Autoklav, Ofen, beheiztes Werkzeug, mehrere Stunden in Anspruch nehmen. Beide Verfahren sind daher ausgesprochen aufwendig und nicht zuletzt aufgrund dessen sehr kostenintensiv. Solche Verfahren sind beispielsweise in der
DE 10 2010 005 987 A1 und
DE 10 2010 005 986 A1 beschrieben. In der
DE 693 10 081 T2 ist ferner eine Vorrichtung zum Herstellen von plastischen Faserwicklungen mit einem Brenner beschrieben, mit dem das aufgewickelte Faserhalbzeug aufgeschmolzen wird.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen eines hohlprofilierten Bauteiles zur Verfügung zu stellen, mit welchem sich die obigen Nachteile vermeiden lassen, welches mithin eine Herstellung eines hohlprofilierten Bauteiles aus Faserverbundmaterial einfach, zugleich ohne Aufwand und damit besonders kostengünstig ermöglicht und mit welchem sich gleichzeitig sehr gute schadenstolerante Eigenschaften des Bauteiles bezüglich Impacteinwirkung, eine genau definierte Wandstärke des Bauteiles über die Länge der Mantelfläche sowie eine glatte aerodynamische Außenoberfläche des Bauteiles erzielen lassen.
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Diese Aufgabe wird auf überraschend einfache Weise durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Durch die Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines hohlprofilierten Bauteiles aus Faserverbundmaterial, umfassend folgende Schritte:
- a) Bereitstellen von im Wesentlichen bandförmigem und auf wenigstens einer Rolle aufgewickeltem Halbzeug aus thermoplastischem Faserverbundmaterial,
- b) Abwickeln des aufgewickelten Halbzeuges aus thermoplastischem Faserverbundmaterial von der wenigstens einen Rolle und Zuführen des abgewickelten Halbzeuges hin zu einem Werkzeug mit einer dem herzustellenden, hohlprofilierten Bauteil entsprechenden geometrischen Form durch Drehen des Werkzeuges,
- c) (Auf-)Schmelzen des abgewickelten Halbzeuges aus thermoplastischem Faserverbundmaterial durch eine dem Werkzeug zugeordnete Wärme- und/oder Heizeinrichtung in Form einer, insbesondere optischen Lasereinrichtung in einem dem Werkzeug unmittelbar benachbarten Bereich,
- d) Ablegen des (auf-)geschmolzenen Halbzeuges aus thermoplastischem Faserverbundmaterial auf das Werkzeug unter
gleichzeitigem Anpressen des abgelegten Halbzeuges aus thermoplastischen Faserverbundmaterial an das Werkzeug mit einer dem Werkzeug zugeordneten Anpress- oder Druckrolle, und
- e) Wickeln um das Werkzeug und Bedecken des Werkzeuges mit dem angepressten Halbzeug aus thermoplastischem Faserverbundmaterial durch Wiederholen der Schritte b) bis d) bis zum Erreichen eines vorbestimmten Bedeckungsgrades des Werkzeuges,
ist eine Verfahrensweise vorgeschlagen, mittels welcher ein hohlprofiliertes Bauteil, welches zum Beispiel die Form und Geometrie eines kegel- oder kegelstumpfförmigen Hohlkörpers auf- weist und vorzugsweise als Einlaufkegel in thermischen Strömungsmaschinen zum Einsatz kommen kann, einfach, zugleich ohne Aufwand und damit ausgesprochen kostengünstig hergestellt werden kann. So ist ein Aushärten entsprechend den bekannten Verfahren nicht mehr erforderlich. Demzufolge sind zusätzliche Vorrichtungen, wie ein Autoklav oder Ofen, nicht weiter vorzuhalten. Damit einhergehend lassen sich nicht unbeträchtliche Energieeinsparungen vornehmen und entfallen bisher vorhandene, lange Stand- und Herstellungszeiten des Bauteiles. Dies wiederum wirkt sich vorteilhaft auf die Betriebs- und Herstellungskosten insgesamt aus. Besondere Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich gleichermaßen aus der Verwendung von Halbzeug aus thermoplastischem Faserverbundmaterial bzw. eines Thermoplast-Prepregsystems. So ist eine gute Verschweißbarkeit des Bauteiles ermöglicht. Eine Montage von Anbauteilen, Reparatur und Befestigung des Bauteiles, etwa an einem Triebwerk, ist aufgrund einer schweißbaren Thermoplastmatrix wesentlich erleichtert. Auch zeichnet sich ein mittels erfindungsgemäßem Verfahren hergestelltes Bauteil durch eine hohe Temperaturbeständigkeit mit über 200 °C und zeitweise sogar bis zu 280 °C aus. Das hohlprofilierte Bauteil aus Faserverbundbauteil wird zudem mittels eines definierten und automatisierten, wärmeunterstützenden thermoplastischen Wickel- und Ablegeverfahren hergestellt, also mittels eines vollautomatisierten Fertigungsprozesses mit wenigen Verfahrens- bzw. Prozessschritten unter Einsatz eines Roboters. Hieraus resultieren eine hohe Reproduzierbarkeit und hohe Fertigungstoleranzen. Nicht zuletzt hieraus resultierend lassen sich eine Vielzahl weiterer Vorteile erreichen: Demnach lassen sich hohe Steifigkeiten und ausgesprochen gute schadenstolerante Eigenschaften des Bauteiles bezüglich Impacteinwirkung, etwa bei Einschlag von Fremdkörpern, wie Vogelschlag, Sand, Steinen usw., erhalten. Weiterhin ist eine genau definierte Wandstärke des Bauteiles über die Länge der Mantelfläche, etwa von der Kegelspitze hin zum Kegelfuß, ermöglicht. So kann die Wandstärke des Bauteiles über die Länge der Mantelfläche konstant sein oder beliebig, aber vorbestimmt variieren. Darüber hinaus lässt sich auch eine glatte aerodynamische Außenoberfläche des Bauteiles erhalten. Schließlich stellt das erfindungsgemäße Verfahren eine deutlich energieeffiziente und ressourcenschonende Fertigungsweise dar.
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Weitere vorteilhafte Einzelheiten des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 bis 20 beschrieben.
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Als ausgesprochen vorteilhaft haben sich in der Praxis die Maßnahmen des Anspruchs 2 erwiesen. Demnach wird das Halbzeug über zwei oder mehrere, einzelne Rollen eines Rollenmagazins bereitgestellt, wobei insbesondere die Rollen zum Abwickeln des aufgewickelten Halbzeuges individuell zueinander angesteuert und/oder angetrieben werden. Auf diese Weise kann das Halbzeug entsprechend der Form, Abmessung und Wandstärke des herzustellenden Bauteiles oder einer sonstigen Ausgestaltung, beispielsweise hinsichtlich einer bestimmten Zusammensetzung etc. des Halbzeuges aus thermoplastischem Faserverbundmaterial selbst, des Matrixmaterials und/oder der Fasern, beliebig und/oder selektiv an die jeweiligen konstruktiven Erfordernisse und Wünsche des Anwenders angepasst bzw. ausgewählt werden.
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Von besonders großem Interesse für eine erhöhte Herstellungsgenauigkeit und eine damit gleichzeitig verbundene noch zusätzlich verbesserte Ausnutzungsmöglichkeit der dem Halbzeug aus thermoplastischem Faserverbundmaterial inhärenten Materialeigenschaften sind weiterhin die konstruktiven Maßnahmen des Anspruchs 3, wonach das Halbzeug vom Bereitstellen auf der Rolle bis zum Anpressen an das Werkzeug vorerwärmt wird. Dabei kann das Halbzeug teilweise oder vollständig vorerwärmt werden.
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Vorzugsweise liegt es im Rahmen der Erfindung, dass das Halbzeug nach Anspruch 4 kontinuierlich vorerwärmt wird.
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Des Weiteren ist nach Anspruch 5 erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Halbzeug mit gleichbleibender oder stetig ansteigender Temperatur vorerwärmt wird.
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In vorteilhafter Weise kann das Halbzeug nach Anspruch 6 auf eine Temperatur in einem Bereich von etwa 60 °C bis 120 °C, vorzugsweise von etwa 70 °C bis 100 °C, ganz bevorzugt von etwa 80 °C bis 90 °C, vorerwärmt werden. Temperatur und Temperaturverlauf bei der Vorwärmung des Halbzeuges richten sich wesentlich nach dem verwendeten thermoplastischen Matrixmaterial in dem Halbzeug und der Dauer des Ablege- und Abwickelverfahrens.
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Das dem Werkzeug zugeführte Halbzeug wird durch eine Wärme- und/oder Heizeinrichtung in Form einer, insbesondere optischen, Lasereinrichtung aufgeschmolzen bzw. geschmolzen. Das Ablegen und Wickeln bzw. Ab-wickeln des Thermoplast-Prepregs auf das Werkzeug kann durch Unterstützung eines, bevorzugt optischen, Lasers höchstgenau und gezielt erfolgen. So lassen sich mit einem Laser bzw. einem optischen Laser lokal exakt zu bestimmende Stellen bzw. Teile des Halbzeuges aus thermoplastischem Faserverbundmaterial erfassen und letztlich (auf-)schmelzen. Die Menge des Energieeintrages des Lasers und die freigesetzte thermische Energie in das Halbzeug kurz vor dem Anpressen auf das Werkzeug ist dabei in Abhängigkeit von den materialspezifischen Kennwerten des Halbzeuges aus thermoplastischen Faserverbundmaterial, dem Anpressdruck der Anpress- oder Druckrolle, der Form und Geometrie des Werkzeuges, der Ablege- bzw. Wickelgeschwindigkeit und der Form sowie Geometrie des Bauteiles selbst auszuwählen.
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Entsprechend den Maßnahmen des Anspruchs 7 wird das dem Werkzeug zugeführte Halbzeug durch die Wärme- und/oder Heizeinrichtung mit einer Temperatur in einem Bereich von etwa 260 °C bis 380 °C, vorzugsweise von etwa 280 °C bis 320 °C, ganz bevorzugt von etwa 300 °C, (auf-)geschmolzen.
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Entsprechend den Maßnahmen des Anspruchs 8 wird das an das Werkzeug angepresste Halbzeug mit einer dem Werkzeug, insbesondere der Anpress- oder Druckrolle, zugeordneten Schneideeinrichtung abgetrennt.
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Nach Anspruch 9 wird das an das Werkzeug angepresste Halbzeug vorzugsweise beim Anpressen und/oder nach dem Abtrennen durch die Schneideeinrichtung durch zusätzliches Halbzeug lokal verstärkt.
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Zur lokalen Verstärkung ist dabei erfindungsgemäß nach Anspruch 10 vorgesehen, dass das an das Werkzeug angepresste Halbzeug in unterschiedlichen Winkeln abgelegt und angepresst wird.
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Zur weiteren Erhöhung des Grades an Glattheit der äußeren Oberfläche des Behälters, welche unter anderem erheblichen Strömungskräften und dem Einschlag von Fremdkörpern, wie Vogelschlag, Sand, Steinen usw., ausgesetzt ist, wird das an das Werkzeug angepresste Halbzeug entsprechend den konstruktiven Merkmalen des Anspruchs 11 vorzugsweise zusätzlich an der äußeren Oberfläche geglättet.
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In diesem Zusammenhang wird das zu glättende Halbzeug nach Anspruch 12 vorzugsweise in eine Matrize mit einer der äußeren Form und Abmessung des Bauteiles entsprechenden inneren Form und Abmessung unmittelbar von dem Werkzeug oder von einem gesonderten Spannwerkzeug gepresst.
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Entsprechend den Maßnahmen des Anspruchs 13 ist zusätzlich vorgesehen, dass das zu glättende Halbzeug beim Verpressen in der Matrize durch die Matrize und/oder durch das Werkzeug oder das gesonderte Spannwerkzeug erwärmt wird.
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Von besonderem Vorteil sind weiterhin die Maßnahmen des Anspruchs 14. Danach werden Zwischenräume zwischen dem an das Werkzeug angepressten Halbzeug vor dem Verpressen in der Matrize mit Pulver und/oder Folie und/oder einer Matte und/oder einem Band aus Matrixmaterial aus- und/oder aufgefüllt. Da dieses Matrixmaterial und das Matrixmaterial des thermoplastischen Faserverbundmateriales übereinstimmen, ist eine feste Verbindung bzw. Kohäsion von vorhandenem Matrixmaterial des Halbzeuges und nachträglich ein-, aus- oder aufgefülltem Matrixmaterial sichergestellt.
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Zweckmäßigerweise wird das im Wesentlichen bandförmige Halbzeug aus thermoplastischem Faserverbundmaterial nach Anspruch 15 aus mit einem thermoplastischen Matrixmaterial aus Polyamid (PA), Polybutylenterephthalat (PBT), Polyetherketon (PEEK), Polyethersulfon (PES), Polypropylen (PP), Polyphenylensulfid (PPS) oder Polysulfon (PSU), und/oder einer Kombination daraus vorimprägnierten Aluminiumoxid-, Aluminiumnitrid-, Aramid-, Basalt-, Bornitrid-, Glas-, Graphit-, Kohlenstoff-, Nylon-, Polyethylen-, Polyester-, Siliciumcarbid-, Siliciumnitrid- und/oder Keramikfasern und/oder einer Kombination daraus gebildet.
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Nach Anspruch 16 ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das von den zwei oder mehreren, einzelnen Rollen des Rollenmagazins aufgewickelte im Wesentlichen bandförmige Halbzeug aus thermoplastischem Faserverbundmaterial zueinander unterschiedlich in Form und/oder Abmessung und/oder dem thermoplastischen Matrixmaterial und/oder den Fasern bereitgestellt wird. Hierdurch kann das Halbzeug auch in ganz vorteilhafter Weise entsprechend der Form, Abmessung und Wandstärke des herzustellenden Bauteiles oder einer sonstigen Ausgestaltung, beispielsweise hinsichtlich einer bestimmten Zusammensetzung etc. des Halbzeuges aus thermoplastischem Faserverbundmaterial selbst, des Matrixmaterials und/oder der Fasern, beliebig und/oder selektiv auf die jeweiligen konstruktiven Erfordernisse und Wünsche des Anwenders abgestimmt bzw. ausgewählt werden.
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Vorzugsweise wird das Halbzeug in Form von Einzelbändern so abgelegt und verschweißt, dass zwei außenliegende, links- und rechtsseitige Einzelbändchen zu vier innenliegenden, mittigen Einzelbändchen unterschiedlich ausgebildet sind. Im Weiteren ist es von Vorteil, wenn die zwei außenliegenden Einzelbändchen aus reinem thermoplastischem Matrixmaterial und die innenliegenden vier Einzelbändchen aus mit einem thermoplastischen Matrixmaterial vorimprägnierten Fasern bestehen. Die Einzelbändchen werden durch die Wärme- und/oder Heizeinrichtung auf dem Werkzeug zu einer Einheit zusammengeschweißt und dadurch zu einem Halbzeug bzw. Bauteil ausgebildet. Das so erhaltene hohlprofilierte Bauteil weist einer rotationssymmetrische und/oder nicht-rotationssymmetrische Form, insbesondere die Form einer Schale, vorzugsweise eines Kegels oder Kegelstumpfes auf.
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Im Rahmen der Erfindung werden diese für drehende Baueinheiten in thermischen Strömungsmaschinen, insbesondere Triebwerken, vorzugsweise Strahltriebwerken, Gasturbinen oder dergleichen, oder Zentrifugen als Einlaufkörper, Einlaufkegel oder Einlaufkonus verwendet, gleichermaßen für feststehende Baueinheiten in Luftfahrzeugen oder Fluggeräten der Luft- und Raumfahrt, insbesondere in Flugzeugen und Raumflugkörpern, vorzugsweise von Flugzeugen, Raketen, Satelliten, Boostern und/oder Tanks, vorzugsweise Treibstofftanks, von Flugzeugen und/oder Raketen und/oder Satelliten als Nasenspitzen.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung sowie anhand der Zeichnungen. Hierbei zeigen:
- 1 eine schematische, perspektivische Ansicht eines doppelkegelförmigen Werkzeuges mit einer Ausführungsform eines erfindungsgemäß ausgebildeten Bauteiles aus Faserverbundmaterial,
- 2 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Ausführungsform eines Bauteiles aus thermoplastischem Faserverbundmaterial,
- 3 eine schematische, teilweise abgebrochene Längsschnittansicht durch die Ausführungsform des erfindungsgemäß ausgebildeten Bauteiles aus Faserverbundmaterial nach der 1, mit kegelförmigen Werkzeug oder gesondertem Spannwerkzeug, in einer Matrize,
- 4 eine schematische, vordere Querschnittansicht durch bandförmiges Halbzeug aus Faserverbundmaterial, das auf mehreren, insbesondere 6, nebeneinander angeordneten Rollen eines Rollenmagazin aufgewickelt ist, vor dem (Auf-)Schmelzen, Ablegen und Anpressen an bzw. auf das Werkzeug, ohne Werkzeug,
- 5 eine schematische, vordere Querschnittansicht von vorne durch das bandförmige Halbzeug aus Faserverbundmaterial, das entsprechend der 4 auf mehreren, insbesondere 6, nebeneinander angeordneten Rollen eines Rollenmagazin aufgewickelt ist, nach dem (Auf-)Schmelzen, Ablegen und Anpressen an bzw. auf das Werkzeug, und
- 6 eine schematische, seitliche Längsschnittansicht durch bandförmiges Halbzeug aus Faserverbundmaterial nach dem (Auf-)Schmelzen, Ablegen und Anpressen an bzw. auf das Werkzeug.
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Bei der nachfolgenden Beschreibung von verschiedenen Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines hohlprofilierten Bauteiles 10 aus Faserverbundmaterial sind einander entsprechende, gleiche Bauteile jeweils mit identischen Bezugsziffern versehen.
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Das Verfahren nach der Erfindung ist zum Herstellen eines hohlprofilierten Bauteiles 10 aus Faserverbundmaterial und/oder - gegebenenfalls auch insbesondere dünnwandigen - Schalenkörpers, schalenförmigen Bauteiles oder dergleichen Formteiles vorgesehen.
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Das Verfahren nach der Erfindung eignet sich insbesondere zur Herstellung von hohlprofilierten, rotationssymmetrischen und/oder nicht rotationssymmetrischen Bauteilen 10. In ausgesprochen vorteilhafter Weise dient das Verfahren nach der Erfindung der Herstellung von Bauteilen 10 in Form einer Schale, vorzugsweise eines Kegels oder eines Kegelstumpfes.
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In ganz vorteilhafter Weise eignet sich das Verfahren nach der Erfindung zur Herstellung von Bauteilen 10 in drehenden Baueinheiten von thermischen Strömungsmaschinen, insbesondere Triebwerken, vorzugsweise Strahltriebwerken, Gasturbinen oder dergleichen, oder Zentrifugen als Einlaufkörper, Einlaufkegel oder Einlaufkonus und/oder von Bauteilen 10 in feststehenden Baueinheiten von Luftfahrzeugen oder Fluggeräten der Luft- und Raumfahrt, insbesondere in Flugzeugen und Raumflugkörpern, vorzugsweise von Flugzeugen, Raketen, Satelliten, Boostern und/oder Tanks, vorzugsweise Treibstofftanks, von Flugzeugen und/oder Raketen und/oder Satelliten als Nasenspitzen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird beispielhaft anhand der 1 bis 3 mit einer Ausführungsform eines Werkzeuges 12 in Form eines doppelkegelförmigen Wickelkerns oder dergleichen Gestalt beschrieben. Ohne im Einzelnen dargestellt zu sein, kann das Werkzeug 12 demgegenüber allerdings auch von beliebig anderer Form und Abmessung sein und etwa als Einfachkonus, Kugel oder dergleichen, wie nachfolgend gleichermaßen erläutert, ausgebildet sein.
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Zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung zur Herstellung eines hohlprofilierten Bauteiles 10 aus Faservebundmaterial wird ein Halbzeug 14 aus thermoplastischem Faserverbundmaterial bereitgestellt.
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Das Halbzeug 14 besteht aus thermoplastischem Faserverbundmaterial. Insbesondere ist das Halbzeug 14 aus einem thermoplastischen Matrixmaterial und Fasern zusammengesetzt. Das thermoplastische Matrixmaterial besteht aus Polyamid (PA), Polybu-tylenterephthalat (PBT), Polyetherketon (PEEK), Polyethersulfon (PES), Polypropylen (PP), Polyphenylensulfid (PPS) oder Polysulfon (PSU), und/oder einer Kombination daraus. Als Fasern sind Aluminiumoxid-, Aluminiumnitrid-, Aramid-, Basalt-, Bornitrid-, Glas-, Graphit-, Kohlenstoff-, Nylon-, Polyethylen-, Polyester-, Siliciumcarbid-, Siliciumnitrid- und/oder Keramikfasern und/oder einer Kombination daraus vorgesehen. Die Fasern sind mit dem thermoplastischen Matrixmaterial vorimprägniert.
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Das Halbzeug 14 ist entsprechend der in den 1 und 2 vorgestellten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vorzugsweise im Wesentlichen bandförmig ausgestaltet.
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Dabei ist das Halbzeug 14 auf wenigstens einer Rolle 16 bzw. Vorratsrolle oder dergleichen Spule aufgewickelt. Wie in der 2 schematisch angedeutet ist, liegt das Halbzeug 14 bei diesem dargestellten Ausführungsbeispiel lediglich auf einer einzigen Rolle 16 bzw. Vorratsrolle oder dergleichen Spule aufgewickelt vor und wird somit nur von dieser einen Rolle 16 zur Verfügung gestellt.
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Das Halbzeug 14 wird über eine Führung (nicht dargestellt) und über Rollenpaare (ebenfalls nicht dargestellt) von der Rolle 16 abgewickelt und zu dem Werkzeug 12 hin (zu-) geführt. Das Abwickeln des Halbzeuges 14 von der Rolle 16 erfolgt über das Werkzeug 12 selbst, das um die eigene Achse 18 dreht.
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Das Werkzeug 12 weist eine geometrische Form auf, die der geometrischen Form des herzustellenden, hohlprofilierten Bauteiles entspricht. Mithin weist das einmal hergestellte Bauteil 10, wie im Einzelnen nachfolgend noch erläutert, die Form eines Kegels oder Konus auf.
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Kurz vor dem Ablegen des abgewickelten Halbzeugs 14 auf das Werkzeug 12 wird das Halbzeug 14 bzw. das thermoplastische Matrixmaterial des Halbzeuges 14 mittels einer Wärme- und/oder Heizeinrichtung 20 durch Bestrahlung 22 aufgeschmolzen bzw. geschmolzen. Die Wärme- und/oder Heizeinrichtung 20 ist dem Werkzeug 12 zugeordnet und in einem Bereich, welcher dem Werkzeug 12 unmittelbar benachbart ist, angeordnet. Die Wärme- und/oder Heizeinrichtung 20 ist dabei als eine Lasereinrich- tung, ausgebildet.
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Das Halbzeug 14, das dem Werkzeug 12 zugeführt wird, wird durch die Wärme- und/oder Heizeinrichtung 20 vorteilhafterweise mit einer Temperatur in einem Bereich von etwa 280 °C bis 380 °C, vorzugsweise von etwa 300 °C bis 320 °C, ganz bevorzugt von etwa 300 °C, (auf-)geschmolzen.
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Die Bestrahlung 22 des Halbzeuges 14 erfolgt durch eine Lasereinrichtung 24, die wenigstens einen, insbesondere optischen, Laserkopf umfasst, um das dem Werkzeug 12 zugeführte Halbzeug 14 (auf-)zuschmelzen. Damit kann eine lokale, ganz gezielt und gleichermaßen exakt vordefiniert Bestrahlung 22 vorgenommen werden.
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Das (lokal) (auf-)geschmolzene Halbzeug 14 wird sodann auf das/dem Werkzeug 12 abgelegt.
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Gleichzeitig bzw. unmittelbar nach dem Ablegen des Halbzeuges 14' auf bzw. an das Werkzeug 12 wird das Halbzeug 14' durch eine Anpress- oder Druckrolle 26 mit einer bestimmten Last auf das rotierende Werkzeug 12 angepresst bzw. angedrückt. Die Anpress- oder Druckrolle 26 ist demzufolge dem Werkzeug 12 unmittelbar zugeordnet. Werkzeug 12 und Anpress- oder Druckrolle 16 berühren sich dabei auf ihrer Flächennormalen.
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In bevorzugter Weise wird das Halbzeug 14, 14' vom Bereitstellen auf der Rolle 16 bis zum Anpressen an das Werkzeug 12 durch die Anpress- oder Druckrolle 26 vorerwärmt. Die Vorerwärmung richtet sich im Allgemeinen nach den Materialeigenschaften des Halbzeuges 14, 14' bzw. dessen thermoplastischen Matrixmaterial.
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Im Allgemeinen wird die Erwärmung des Halbzeuges 14 bis zum (Auf-)Schmelzen durch die Wärme- und/oder Heizeinrichtung 20 erfolgen. Ohne im Einzelnen dargestellt zu sein, ist es jedoch ebenso möglich, das (auf-)geschmolzene Halbzeug 14', das noch auf der Anpress- oder Druckrolle 26 liegt und gleichzeitig gerade auf das Werkzeug 12 angepresst wird, zu erwärmen.
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Die Vorwärmung bzw. Erwärmung des Halbzeuges 14, 14' kann teilweise, d.h. partiell, oder vollständig erfolgen. Von Vorteil hat sich in der Praxis herausgestellt, dass die Vorwärmung bzw. Erwärmung des Halbzeuges 14, 14' kontinuierlich durchgeführt wird. In einer Ausführungsform wird das Halbzeug 14, 14' vorzugsweise mit gleichbleibender oder stetig ansteigender Temperatur vorerwärmt bzw. erwärmt. Schließlich bewegt sich die Vorwärm- bzw. Aufheiztemperatur für das Halbzeug 14, 14' in einem Bereich von etwa 60 °C bis 120 °C, vorzugsweise von etwa 70 °C bis 100 °C, ganz bevorzugt von etwa 80 °C bis 90 °C.
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Das Wickeln um das Werkzeug 12 und Bedecken des Werkzeuges 12 mit dem angepressten Halbzeug 14' wird anschließend wiederholt, so lange, bis ein vorbestimmter bzw. gewünschter Bedeckungsgrad des Werkzeuges 12 erreicht ist. Im Allgemeinen wird das Werkzeug 12 beim kontinuierlichen und wiederholten Ablegen des Halbzeuges 14' über das rotierende Werkzeug 12 vollständig mit dem aufgepressten Halbzeug 14' bedeckt. Das Ablegen des Halbzeugs 14' wird so gewählt, das der Faserverlauf den Lastpfaden des späteren im Einsatz befindlichen Bauteiles 10 entspricht.
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Das an das Werkzeug 12 angepresste Halbzeug 14' wird sodann mit einer dem Werkzeug 12, insbesondere der Anpress- oder Druckrolle 26, zugeordneten Schneideeinrichtung (nicht gezeigt) abgetrennt bzw. abgeschnitten.
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Weiterhin kann das Halbzeug 14', das an das Werkzeug 12 angepresst wird, beim Anpressen und/oder nach dem Abtrennen durch die Schneideeinrichtung lokal verstärkt werden.
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Das Verfahren ermöglicht somit ein gezieltes Ansetzen und Ablegen von Halbzeug 14'' als lokale Verstärkung. Damit kann die Wandstärke des Bauteiles 10 an beliebigen Stellen auf dem Bauteil 10 individuell erhöht werden. Dies kann während des eigentlichen Ablegens erfolgen oder auch in einem nachträglichen, gesonderten Schritt. Das an das Werkzeug 12 angepresste Halbzeug 14', 14" kann dabei zur lokalen Verstärkung in unterschiedlichen Winkeln abgelegt und angepresst werden.
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Das Werkzeug 12, auf welches das Halbzeug 14', 14" abgelegt wird, besitzt bei der dargestellten Ausführungsform der 1 bis 3 die Form zweier Kegel, deren kreisförmigen Grund- bzw. Basisflächen einander zugewandt sind und aneinanderliegen. Nach dem Ablegen des Halbzeuges 14 auf das Werkzeug 12 lassen sich insoweit zwei kegelförmige Bauteile 10 in einem einzigen Arbeitsgang erhalten. Der auf diese Art und Weise erzeugte Doppelkegel wird zu diesem Zweck mechanisch getrennt, so dass zwei Bauteile 10 in Kegel- bzw. Konusform bzw. zwei Kegelstümpfe entstehen.
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Nach dem Ablegen des Halbzeuges 14', 14" weist das Bauteil 10 zumeist eine Oberfläche 28 mit leicht wellenartiger Kontur auf. Gewünscht ist jedoch eine glatte umlaufende äußere Oberfläche 28 des Bauteiles 10.
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Das an das Werkzeug 12 angepresste Halbzeug 14', 14'' wird daher nachfolgend an bzw. auf der äußeren Oberfläche 28 geglättet.
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Dazu wird das Bauteil 10 bzw. eine der beiden voneinander abgetrennten Hälften erneut auf das Werkzeug 12 oder, wie bei der in der 3 dargestellten Ausführungsform, auf ein davon gesondertes Spannwerkzeug 30, nämlich einen Dorn oder Stempel, gespannt. Mit anderen Worten wird das zu glättende Bauteil 10 bzw. Halbzeug 14', 14'' unmittelbar von dem Werkzeug 12 oder dem gesonderten Spannwerkzeug 30 beaufschlagt und in eine Matrize 32 gepresst. Die Matrize 32 weist dabei eine innere Form und Abmessung auf, welche zu der äußeren Form und Abmessung des Bauteiles 10 bzw. dessen äußeren Oberfläche 28 korrespondiert. Die innere Geometrie der Matrize 32 entspricht mithin der Negativform des Bauteiles 10.
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Das beim Verpressen in der Matrize 32 zu glättende Halbzeug 14', 14'' wird zunächst auf eine bestimmte Temperatur gebracht. Die Erwärmung erfolgt durch die Matrize 32 und/oder durch das Werkzeug 12 bzw. das gesonderte Spannwerkzeug 30. Durch die Verpressung bei gleichzeitiger Erwärmung des Bauteiles 10 zwischen Matrize 32 und Spannwerkzeug 30 wird die äußere Oberfläche 28 des Bauteiles 10 geglättet.
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Um eine noch höhere Glattheit der äußeren Oberfläche 28 zu erreichen, werden Zwischenräume auf der äußeren Oberfläche 28 des Bauteiles 10 zwischen dem an das Werkzeug 12 angepressten Halbzeug 14 vor dem Verpressen in die Matrize 32 mit Pulver und/oder Folie und/oder einer Matte (jeweils ohne Fasern) aus Matrixmaterial aus- und/oder aufgefüllt (nicht dargestellt). Das aus- bzw. auffüllende Matrixmaterial stimmt dabei mit dem Ma- trixmaterial des thermoplastischen Faserverbundmateriales überein. Damit wird zusätzlich verformbares thermoplastisches Matrixmaterial zwischen Matrize 32 und äußere Oberfläche 28 des Bauteiles 10 eingebracht. Das Matrixmaterial schmilzt unter der Temperatureinwirkung auf und wird durch die Verpressung in die Wellentäler der äußeren Oberfläche 28 des Bauteiles 10 gedrückt und/oder mit dem vorhandenen Matrixmaterial des Halbzeuges 14', 14'' fest verbunden bzw. einheitlich verschmolzen. Nach dem Pressen besitzt das Bauteil 10 eine glatte und aerodynamische äußere Oberfläche 28.
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Die Rolle 16 bzw. Vorratsrolle, die Führung, das/die Rollenpaar/e, die Wärme- und/oder Heizeinrichtung 20, und die Anpress- oder Druckrolle 26 befinden sich sämtlich auf einem robotergesteuerten Arm (nicht dargestellt) eines Roboters. Dieser Arm ist freibeweglich und kann zusätzlich zum rotierenden Werkzeug 12 bewegt werden.
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Bei dem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens nach den 4 und 5 wird das im Wesentlichen bandförmige Halbzeug 14 nicht, wie bei der Ausführung nach der 2, über eine einzige Rolle 16 bzw. Vorratsrolle oder dergleichen Spule vorgehalten. Vielmehr wird das Halbzeug 14 über zwei oder mehrere, einzelne Rollen 16 eines Rollenmagazins 34 bereitgestellt. So ist es möglich, dass das von den zwei oder mehreren, einzelnen Rollen 16 des Rollenmagazins 34 aufgewickelte im Wesentlichen bandförmige Halbzeug 14 aus thermoplastischem Faserverbundmaterial zueinander unterschiedlich in Form und/oder Abmessung und/oder dem thermoplastischen Matrixmaterial und/oder den Fasern 38 bereitgestellt wird.
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Wie aus der 4 hervorgeht, sind vorliegend insgesamt 6 Rollen 16 vorgesehen, auf denen das Halbzeug 14 aufgewickelt ist. Ohne im Einzelnen dargestellt zu sein, ist es davon abweichend ohne weiteres möglich, das Rollenmagazin 34 mit einer weit größeren Anzahl von Rollen 16, zum Beispiel mit 32 bis 64 oder sogar noch mehr Rollen 16, auszustatten.
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Insoweit ist das Halbzeug 14, wie aus der 4 hervorgeht, mehrteilig ausgebildet und setzt sich aus mehreren Einzelbändchen, zum Beispiel Prepregbändchen oder dergleichen, zusammen. In aller Regel weisen die Einzelbändchen eine gleiche Breite, von beispielsweise 1/4 Zoll etc., zueinander auf, können aber gleichermaßen in ihrer Breite voneinander differieren.
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Die Rollen 16 (hier nicht gezeigt) werden zum Abwickeln des aufgewickelten Halbzeuges 14 insbesondere individuell zueinander angesteuert und/oder angetrieben. Auf diese Weise kann das Halbzeug 14 entsprechend der Form, Abmessung und Wandstärke des herzustellenden Bauteiles 10 oder einer sonstigen Ausgestaltung, beispielsweise hinsichtlich einer bestimmten Zusammensetzung etc. des Halbzeuges 14 aus thermoplastischem Faserverbundmaterial selbst, beliebig und/oder selektiv an die jeweiligen konstruktiven Erfordernisse und Wünsche des Anwenders angepasst bzw. ausgewählt werden.
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Aus der 4 geht weiter hervor, dass das Halbzeug 14 in Form von 6 Einzelbändchen so abgelegt und verschweißt wird, dass die 2 außenliegenden, links- und rechtsseitigen Einzelbändchen zu den 4 innenliegenden, mittigen Einzelbändchen unterschiedlich ausgebildet sind. So können die 2 außenliegenden Einzelbändchen etwa aus reinem thermoplastischem Matrixmaterial 36 bzw. Reinthermoplast bestehen. Mithin sind in den 2 außenliegenden Einzelbändchen keine Fasern 38 enthalten. Demgegenüber bestehen die 4 innenliegenden Einzelbändchen aus mit einem thermoplastischen Matrixmaterial vorimprägnierten Fasern 38.
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Wie in der 5 schematisch dargestellt ist, werden die Einzelbändchen durch die Wärme und/oder Heizeinrichtung 20 auf dem Werkzeug 12 zu einer Einheit zusammengeschweißt und so zum Halbzeug 14' bzw. letztendlich zum Bauteil 10 ausgebildet. Die Breite der Einzelbändchen, entsprechend der 4, und die Breite des Halbzeuges 14', entsprechend der 5, ist im Wesentlichen identisch.
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Ohne im Einzelnen dargestellt zu sein, ist es darüber hinaus denkbar, dass eines oder beide der 2 außenliegenden Einzelbändchen nicht aus reinem thermoplastischem Matrixmaterial ausgebildet ist/sind, sondern aus einem Faserroving bestehen, der nicht imprägniert ist, also keine Ummantelung aus thermoplastischen Matrixmaterial aufweist, und/oder der mit thermoplastischem Matrixmaterial bebindert ist, also zum Beispiel mit Pulver oder dergleichen versehen ist. Beliebige andere Kombinationen der Einzelbändchen untereinander sind ohne weiteres ebenso möglich.
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Beim (Auf-)Schmelzen, Ablegen und Verpressen des Halbzeuges 14, 14', 14" in Form von vielen Einzelbändchen können auf diese Weise eventuell vorhandene Hohlräume 40 gezielt, selektiv und individuell gefüllt werden, wie schließlich in der 6 angedeutet ist.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsformen des Verfahrens und/oder des Bauteiles 10 beschränkt. So ist es ohne weiteres möglich, anstelle eines Werkzeuges 12 bzw. eines Wickelkerns in Form eines Doppelkegels ein Werkzeug 12 von anderer Gestalt vorzusehen, jeweils angepasst bzw. abgestimmt auf die Form des herzustellenden hohlprofilierten Bauteiles 10. Beispielsweise ist es denkbar, das Bauteil 10 im Längsschnitt halbkugelförmig, kugelkappenförmig, kalottenförmig, ellipsoidkallotenförmig, konisch, elliptisch, in Cassini-Form, Halb-Torus-förmig oder mit dergleichen anderen Querschnittsformen auszugestalten. Ebenso denkbar ist es, dass das Bauteil 10 alternativ oder kumulativ dazu im Querschnitt rund, ellipsenförmig, elliptisch, oval, dreieckig, viereckig, quadratisch oder rechteckig, vieleckig, trapezförmig, parallelogrammförmig oder polygonförmig und/oder als Kombination daraus ausgebildet ist.
