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TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einem Faserverbundwerkstoff mit einem Loch, wobei das Verfahren die Schritte des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 aufweist.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren sind die Halbzeuge, die auf dem Formwerkzeug angeordnet werden, trockene Halbzeuge, die zumindest im Wesentlichen noch frei von Matrixharz für das Bauteil sind und die entsprechend später mit dem Matrixharz infiltriert werden müssen. Trockene Halbzeuge werden häufig in Form von Zuschnitten eingesetzt. Die aus trockenen Halbzeugen ausgebildeten Vorformen der Bauteile bezeichnet man auch als „Preforms“. Preforms können neben den eigentlichen Verstärkungsfasern ein Bindemittel aufweisen, um die trockenen Halbzeuge aneinander zu fixieren. Dabei kann das Bindemittel thermisch aktiviert werden.
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Die Ausrichtung der Verstärkungsfasern in den Halbzeugen kann unidirektional, orthogonal oder multiaxial sein. Die Ausrichtung in den verschiedenen zu einer Vorform des Bauteils zusammengefügten Halbzeugen kann auch unterschiedlich sein und ist bei unidirektional ausgerichteten Verstärkungsfasern in der Regel auch unterschiedlich. Die Halbzeuge können die Verstärkungsfasern zudem als Gelege, Vlies oder Gewebe aufweisen.
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Das Formwerkzeug, auf dem die die Verstärkungsfasern aufweisenden Halbzeuge angeordnet werden, kann ein separates Drapierwerkzeug sein, von dem die aus den Halbzeugen zusammengesetzte Vorform des Bauteils in oder auf ein weiteres Formwerkzeug überführt wird, auf dem - im Falle von Preforms nach dem Infiltrieren mit flüssigem Matrixharz - dann das Aushärten des die Verstärkungsfasern einbettenden Matrixharzes erfolgt.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich damit, wie in einem Bauteil aus Faserverbundwerkstoff nach dem Aushärten ein Loch ausgebildet werden kann, ohne die Verstärkung des Bauteils zu beeinträchtigen, die durch die in das Matrixharz eingebetteten Verstärkungsfasern bereitgestellt wird.
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STAND DER TECHNIK
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Um verschiedene Bauteile aus Faserverbundwerkstoffen miteinander zu verbinden oder auch um Bauteile aus Faserverbundwerkstoffen mit Bauteilen aus anderen Materialien miteinander zu verbinden, sind Nietverbindungen bekannt. So werden zur Herstellung von Flugzeugrümpfen in Faserverbundbauweise Spante mit sogenannten Clips, die an der Rumpfhaut vorgesehen sind, vernietet. Die Clips können einstückig mit der Rumpfhaut ausgebildet sein oder nachträglich mit dieser verklebt sein. Die für das Vernieten der Spante mit den Clips benötigten Löcher werden normalerweise durch die Spante und die Clips gebohrt. Dabei werden die in die Clips und die Spante eingebetteten Verstärkungsfasern am Rand der Löcher abgeschnitten. Durch die Unterbrechung der Verstärkungsfasern werden diese Faserverbundbauteile geschwächt. Die Schwächung tritt insbesondere am Rand der Löcher auf, durch die die Nieten verlaufen, also dort, wo die Faserverbundbauteile durch die Krafteinleitung der Niete maximal beansprucht werden.
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Aus der
DE 10 2009 056 580 A1 ist ein Verfahren zum Verbinden von thermoplastischen Faserverbundbauteilen mittels stiftförmiger Funktionselemente mit geringem Durchmesser bekannt. Bei diesem Verfahren werden die miteinander zu verbindenden Faserverbundbauteile in ihrer gewünschten Relativlage mit Überdeckung in einem Verbindungsbereich angeordnet. Dann wird ein Verbindungselement mit einer Heizung erwärmt und im erwärmten Zustand in die zu verbindenden Faserverbundbauteile eingepresst. Dabei wird das thermoplastische Matrixharz der Faserverbundbauteile lokal aufgeschmolzen. So kann das erwärmte Funktionselement die in das Matrixharz eingebetteten Verstärkungsfasern verdrängen und so in die Faserverbundbauteile eindringen. Die Faserverbundbauteile werden noch so lange in ihrer gewünschten Relativstellung zueinander fixiert, bis das thermoplastische Matrixharz abgekühlt und erstarrt ist. Das Erwärmen des Funktionselements kann auch noch während seines Einpressens fortgesetzt werden. Das Abkühlen und Erstarren des thermoplastischen Matrixharzes kann durch eine Kühleinrichtung unterstützt werden.
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Aus der
DE 10 2008 055 477 A1 ist ein Herstellungsverfahren für ein Faserverbund-Halbprodukt mit integrierten Elementen bekannt. Die Halbprodukte sind zum Einsatz bei der Herstellung eines faserverstärkten Bauteils einer Windkraftanlage vorgesehen. Das Herstellungsverfahren umfasst die Schritte des Bereitstellens einer ersten Fasermatte, das Befestigen mindestens einer Einlage an der ersten Fasermatte derart, dass die relative Position der mindestens einen Einlage in Bezug auf die erste Fasermatte während der Herstellung des faserverstärkten Verbundbauteils der Windkraftanlage im Wesentlichen fixiert bleibt, und das Anordnen einer zweiten Fasermatte auf der mindestens einen Einlage. Das Befestigen der mindestens einen Einlage an der ersten Fasermatte kann durch Ankleben, Annähen, Klammern, Festklemmen oder Nieten erfolgen. Bei der mindestens einen Einlage kann es sich um ein Befestigungsmittel zum Befestigen des später fertiggestellten faserverstärkten Bauteils an einem anderen Teil der Windkraftanlage handeln. Beispielsweise kann die Einlage eine Buchse, einen Gewindestab, einen Bolzen, einen Flansch oder dergleichen umfassen.
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Aus der
EP 0 089 755 A2 ist ein Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 bekannt. Bei dem Verfahren wird ein Laminat aus Prepregs lokal erwärmt und dann im Bereich der lokalen Erwärmung mit einem Dorn durchstoßen, der die Verstärkungsfasern in dem Laminat seitlich verdrängt. Am Ort der so in dem Laminat ausgebildeten Löcher werden Platzhalter angeordnet, die nach dem Aushärten des Laminats entfernt und durch Metallbuchsen ersetzt werden. Das resultierende Bauteil mit Löchern ist beispielsweise als Rotorblatt für einen Hubschrauber vorgesehen.
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Ein weiteres Verfahren zum Formen von Löchern in einem Bauteil aus einem Faserverbundwerkstoff ist aus der
DE 29 44 371 A1 bekannt. Bei diesem Verfahren wird ein mit einer Spitze versehener Dorn in eine ungehärtete Vorform des Bauteils eingestoßen. Bis zur Aushärtung des Bauteils wird der Dorn in dem durchstoßenen Loch belassen. Nach dem Aushärten wird der Dorn entfernt. Vor dem Durchstoßen des Bauteils kann der Dorn erwärmt oder mit einer Heizungseinrichtung verbunden werden. Der Dorn verdrängt die Verstärkungsfasern des ungehärteten Bauteils. Wenn das Bauteil mit zwei Löchern versehen wird, kann es im ausgehärteten Zustand beispielsweise als hochbelastbare Verbindungslasche verwendet werden.
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Auch aus der
DE 37 15 409 A1 ist ein Verfahren zum Formen von Löchern in einem Bauteil aus einem Faserverbundwerkstoff bekannt, bei dem spitze Dorne durch das noch nicht ausgehärtete Material hindurchgestoßen werden, das Material ausgehärtet wird, während die Dorne an Ort und Stelle verbleiben, und die Dorne erst anschließend entfernt werden.
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Aus der
DE 10 2011 107 209 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils bekannt, bei dem ein Einlegeteil in Verstärkungsfasern positioniert wird, die in einer Kavität eines Formwerkzeugs angeordnet sind. Dann wird ein Matrixmaterial in die Kavität injiziert und ausgehärtet, wobei das Matrixmaterial aufgrund seiner Schwindung beim Aushärten auf das Einlegeteil aufschrumpft.
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Aus der
US 6 106 646 A ist ein Verfahren zum Verbinden von Verbundmaterialien bekannt. Mehrere Schichten von nicht vollständig ausgehärteten Verbundmaterialien werden mit Löchern versehen, die durch ein spitzes Werkzeug unter Verwendung von Ultraschallenergie erzeugt werden, welche die Lochwandungen erweicht und glättet. Die Schichten werden vor dem endgültigen Aushärten aneinander befestigt, indem Fasern durch die Löcher gestochen werden.
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AUFGABE DER ERFINDUNG
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 aufzuzeigen, das mit geringem Aufwand die Beschädigung der Verstärkungsfasern beim Ausbilden des Lochs in dem ausgehärteten Bauteil verhindert.
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LÖSUNG
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Die abhängigen Patentansprüche 2 bis 6 sind auf bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens gerichtet.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einem Faserverbundwerkstoff weist die bereits aus dem Stand der Technik in Kombination bekannten grundlegenden Schritte:
- - Anordnen von Verstärkungsfasern aufweisenden Halbzeugen auf einem Formwerkzeug,
- - Aushärten eines die Verstärkungsfasern einbettenden Matrixharzes und
- - Ausbilden eines Lochs durch das Bauteil auf. Um bei dem Ausbilden des Lochs eine Beschädigung der Verstärkungsfasern zu verhindern, werden die Verstärkungsfasern der Halbzeuge am Ort des gewünschten Lochs zur Schaffung eines Freiraums innerhalb der Fläche der Halbzeuge seitlich verdrängt. In diesem Freiraum wird vor dem Aushärten ein Platzhalter für das Loch angeordnet. Das Loch wird dann nach dem Aushärten durch Entfernen des Platzhalters ausgebildet.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden also bereits vor dem Einbringen des Matrixharzes die Verstärkungsfasern seitlich verdrängt. In dem so geschaffenen Freiraum wird ein Platzhalter angeordnet, der während des Infiltrierens und Aushärtens des Bauteils verhindert, dass die Verstärkungsfasern in den Freiraum zurückdrängen. Vielmehr definiert der Platzhalter auch während des Aushärtens einen von Verstärkungsfasern freien Bereich. Der Rand dieses Bereichs ist durch die in ihn verdrängten Verstärkungsfasern sogar besonders verstärkt. Das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ausgebildete Loch ist daher zur Einleitung besonders großer Kräfte in das Bauteil geeignet. Dabei können nach dem erfindungsgemäßen Verfahren auch größere Löcher, wie sie für die Ausbildung von Nietverbindungen erforderlich sind, problemlos bereitgestellt werden, weil auch in der Umgebung des geschaffenen Freiraums die Verstärkungsfasern während des Schaffens des Freiraums noch nicht in eine starre Matrix eingebettet sind.
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Das Ausbilden des Freiraums erfolgt mit einem spitz zulaufenden Dorn. Das Eindrücken des Dorns in die Halbzeuge wird dadurch erleichtert, dass der Dorn neben seiner Bewegung in die Halbzeuge hinein bewegt wird. Das heißt, der Dorn rotiert um seine Dornachse, oder er schwingt in dieser Drehrichtung oder irgendeiner oder mehreren anderen Richtungen. Die Frequenz dieser Bewegung kann vergleichsweise hoch sein und zum Beispiel durch Ultraschall angeregt werden.
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Nach dem Aushärten des Bauteils wird der Platzhalter durch Entformen entfernt werden. D. h., der Platzhalter kann Teil des Formwerkzeugs sein oder ein Einsatz in dem Formwerkzeug, in dem das Aushärten des Bauteils erfolgt. Um jedoch das Entformen des Platzhalters zu ermöglichen, muss dieser einen bestimmten Entformungswinkel seiner Außenoberfläche aufweisen. Darüber hinaus kann es erforderlich sein, den Platzhalter mit einer Trennschicht zu versehen, damit er sich beim Aushärten nicht dauerhaft mit dem Faserverbundwerkstoff verbindet.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können die Verstärkungsfasern nach dem Anordnen sämtlicher Halbzeuge auf dem Formwerkzeug zur Schaffung des Freiraums seitlich verdrängt werden. D. h. der Freiraum wird geschaffen, nachdem alle Halbzeuge zur Ausbildung einer Vorform für das Bauteil bereits zusammen auf dem Formwerkzeug angeordnet sind.
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Zum Fixieren der verdrängten Verstärkungsfasern mit einem thermisch aktivierbaren Binde- mittel, das in den Halbzeugen enthalten sein oder diesen zugesetzt werden kann, kann der Dorn erwärmt werden. Diese Erwärmung kann sich an das seitliche Verdrängen der Verstärkungsfasern anschließen oder damit bereits einhergehen.
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Das erfindungsgemäße Ausbilden eines oder mehrerer Freiräume unter seitlichem Verdrängen von Verstärkungsfasern kann auch generell zum Fixieren der Relativanordnung der Halbzeuge innerhalb der Vorform für das Bauteil genutzt werden. Auch wenn keine Aktivierung von Bindemittel erfolgt, wird eine mechanische Fixierung schon beim Ausbilden der Löcher aber zumindest dann erreicht, wenn die Platzhalter in die Löcher eingebracht werden.
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Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden trockene Halbzeuge verwendet. Dabei werden die Verstärkungsfasern zur Schaffung des Freiraums innerhalb der Fläche der Halbzeuge insbesondere bei Preforms seitlich verdrängt, bei denen die Halbzeuge noch nicht durch Bindemittel aneinander fixiert sind. Ein Fixieren der Preforms mit Bindemittel kann während oder nach dem Ausbilden des Freiraums für den Platzhalter erfolgen; oder angesichts der fixierenden Wirkung des Platzhalters wird auf eine zusätzliche Fixierung mit Bindemittel verzichtet. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Preforms erst nach dem Anordnen des Platzhalters für das Loch in dem Freiraum mit flüssigem Matrixharz infiltriert.
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Ein erfindungsgemäß hergestelltes Bauteil aus einem Faserverbundwerkstoff mit in einen ausgehärteten duroplastischen Matrixharz eingebetteten Verstärkungsfasern und einem Loch zeichnet sich dadurch aus, dass die Verstärkungsfasern ohne Unterbrechung um das Bohrloch herum verlaufen.
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Die in den Patentansprüchen und der Beschreibung genannten Merkmale sind bezüglich ihrer Anzahl so zu verstehen, dass genau diese Anzahl oder eine größere Anzahl als die genannte Anzahl vorhanden ist, ohne dass es einer expliziten Verwendung des Adverbs „mindestens“ bedarf. Wenn also beispielsweise von einem Element die Rede ist, ist dies so zu verstehen, dass genau ein Element, zwei Elemente oder mehr Elemente vorhanden sind. Diese Merkmale können durch andere Merkmale ergänzt werden oder die einzigen Merkmale sein, aus denen das jeweilige Erzeugnis besteht.
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Figurenliste
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.
- 1 zeigt, wie ein Freiraum durch seitliches Verdrängen der Verstärkungsfasern in mehrere übereinander auf einem Drapierwerkzeug angeordnete Halbzeuge aus Verstärkungsfasern eingebracht wird;
- 2 illustriert das Infiltrieren einer aus den Halbzeugen ausgebildeten Preform mit einem Matrixharz und das anschließende Aushärten des Matrixharzes in einem Formwerkzeug, wobei in dem gemäß 1 ausgebildeten Freiraum ein Platzhalter angeordnet ist;
- 3 zeigt den Verlauf von Verstärkungsfasern um ein bei einem erfindungsgemäß hergestellten Bauteil erfindungsgemäß ausgebildetes Loch.
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FIGURENBESCHREIBUNG
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In 1 sind beispielhaft drei jeweils durch eine Linie angedeutete Halbzeuge 1 auf einem Drapierwerkzeug 2 angeordnet. Das Drapierwerkzeug 2 hat die Negativform eines gewünschten Bauteils aus einem Faserverbundwerkstoff, der mit Verstärkungsfasern 18 und 19 verstärkt ist, die durch die Halbzeuge 1 bereitgestellt werden. Die Verstärkungsfasern 18 und 19 in den Halbzeugen 1 können unterschiedliche Orientierungen aufweisen. Beispielsweise können die Verstärkungsfasern 18 und 19 in den äußeren Halbzeugen 1 eine zu den Verstärkungsfasern 18 und 19 in dem mittleren Halbzeuge 1 orthogonale unidirektionale Ausrichtung haben. Oder die Verstärkungsfasern 18 und 19 in den äußeren Halbzeugen 1 weisen bereits untereinander zwei zueinander orthogonale Richtungen auf, wobei die Verstärkungsfasern 18 und 19 in dem mittleren Halbzeug 1, die ebenfalls zwei zueinander orthogonale Richtungen aufweisen, diagonal zu den Verstärkungsfasern 18 und 19 in den äußeren Halbzeugen 1 ausgerichtet sind. Das Drapierwerkzeug 2 ist hier für die Ausbildung eines Spants für einen Rumpf eines Flugzeugs vorgesehen. Um den Spant an Clips zu befestigen, die mit der Außenhaut des Flugzeugs verbunden sind, ist in dem Spant ein zentrales Loch 17 vorzusehen. An der Stelle des gewünschten Lochs 17 werden mit einem rotierenden Dorn 3 die Verstärkungsfasern 18 und 19 der Halbzeuge 1 in der Fläche der Halbzeuge 1 seitlich verdrängt, um einen Freiraum zu schaffen. Dabei greift die Spitze 4 des Dorns 3 in eine Ausnehmung 5 in dem Drapierwerkzeug 2 ein. Auf dem Drapierwerkzeug 2 können auch die einzelnen Halbzeuge beispielsweise durch thermische Aktivierung von in ihnen enthaltenem Bindemittel aneinander fixiert werden, um letztlich eine Vorform 6 für das herzustellende Bauteil aus Faserverbundwerkstoff auszubilden. Anders als dargestellt können die Halbzeuge 1 jeweils kleiner als das gesamte Bauteil sein. Sie grenzen jedoch zumindest nicht sämtlich an das Loch 17 an, sondern das Loch 1erstreckt sich quer zumindest durch eines, vorzugsweise mehrere der Halbzeuge 1 hindurch.
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2 zeigt, wie die Vorform 6, nachdem in dem mit dem Dorn 3 geschaffenen Freiraum ein Platzhalter 7 angeordnet wurde, in einem Aushärtewerkzeug 8 angeordnet ist. Das Aushärtewerkzeug 8 weist zwei Formhälften 9 und 10 auf, die zusammen eine Formkavität 11 begrenzen, in denen die Vorform 6 angeordnet ist. Dabei sind Aussparungen in den formgebenden Oberflächen 12 und 13 der Formhälften 9 und 10 für den Platzhalter 7 vorgesehen. Der Platzhalter 7 besteht aus Silikonkautschuk, der auch bei den im Laufe des erfindungsgemäßen Verfahrens notwendigerweise zur Aushärtung des Bauteils eingesetzten Temperaturen zumindest im Wesentlichen formstabil bleibt. In das geschlossene Aushärtewerkzeug 8 wird Matrixharz 14 injiziert, um damit die Vorform 6 zu infiltrieren. Anschließend wird das Matrixharz in der Formkavität 11 durch erhöhte Temperatur ausgehärtet. D. h., es handelt sich um ein duroplastisches Matrixharz 14.
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3 zeigt schematisch einen Ausschnitt aus dem Bauteil 16 mit dem fertigen Loch 17, wobei die Blickrichtung längs des Lochs 17 verläuft. Dargestellt ist dabei der Verlauf von Verstärkungsfasern 18 und 19 der Halbzeuge 1, die sich in zueinander orthogonalen Richtungen kreuzen. Um das Loch 17 herum sind die Verstärkungsfasern 18 und 19 jedoch so verschoben, dass sie durch das Loch 17 nicht unterbrochen sind. Diese Verschiebung wurde gemäß 1 mit dem Dorn 3 herbeigeführt und in den weiteren Schritten der Herstellung des Bauteils 16 durch den Platzhalter 7 konserviert. Nach dem Aushärten des Bauteils 16 ist der Verlauf der Verstärkungsfasern 18 und 19 fest.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Halbzeug
- 2
- Drapierwerkzeug
- 3
- Dorn
- 4
- Spitze
- 5
- Ausnehmung
- 6
- Vorform
- 7
- Platzhalter
- 8
- Aushärtewerkzeug
- 9
- Formhälfte
- 10
- Formhälfte
- 11
- Formkavität
- 12
- Oberfläche
- 13
- Oberfläche
- 14
- Matrixharz
- 16
- Bauteil
- 17
- Loch
- 18
- Verstärkungsfaser
- 19
- Verstärkungsfaser
