DE102014100035A1 - Verbundwerkstoff-Konstruktionsplatte mit metallischem Schaumkern - Google Patents

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Abstract

Eine Konstruktionsplatte umfasst einen geschlossenzelligen Schaumkern, der aus einem metallischen Material gebildet ist; eine erste Kohlefaserplatte, die mit einer erste Seite des geschlossenzelligen Schaumkerns verbunden ist; und eine zweite Kohlefaserplatte, die mit einer zweiten Seite des geschlossenzelligen Schaumkerns verbunden ist, sodass der Schaumkern zwischen der ersten Kohlefaserplatte und der zweiten Kohlefaserplatte angeordnet ist.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Verfahren zum Bilden eines Verbundteiles.
  • HINTERGRUND
  • Verbundwerkstoffmaterialien werden typischerweise durch Suspendieren eines hochzugfesten Fasermaterials in einer verfestigten Epoxid/Harz-Matrix gebildet. Ein Kohlefaser-Verbundwerkstoff ist ein Beispiel für ein Verbundwerkstoffmaterial, das in Fertigungsanwendungen verwendet wird. Er wird aufgrund seiner hohen Festigkeits- und leichtgewichtigen Eigenschaften bevorzugt. Die meisten üblicherweise verwendeten kohlefaserverstärkten Verbundwerkstoff-Platten sind relativ dünn und erfordern somit eine/n Sekundärrahmen oder -struktur zum Schutz gegen Biegemodi. Dieser Sekundärrahmen kann dem Fertigteil jedoch sowohl Komplexität als auch Gewicht hinzufügen, was den ursprünglichen gewichtssparenden Zweck der Kohlefaser konterkariert.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Eine Konstruktionsplatte umfasst einen geschlossenzelligen Schaumkern, der aus einem metallischen Material gebildet ist; eine erste Kohlefaserplatte, die mit einer ersten Seite des geschlossenzelligen Schaumkerns verbunden ist; und eine zweite Kohlefaserplatte, die mit einer zweiten Seite des geschlossenzelligen Schaumkerns verbunden ist, sodass der Schaumkern zwischen der ersten Kohlenfaserplatte und der zweiten Kohlenfaserplatte angeordnet ist.
  • Der Schaumkern kann eine Umfangsstruktur und eine Versteifungsrippe umfassen und kann eine Vielzahl von gewichtsreduzierenden Leerräumen zwischen der Umfangsstruktur und der Versteifungsrippe definieren. Die Umfangsstruktur des Schaumkerns kann ausgestaltet sein, um mit dem Umfang einer jeden von der ersten Kohlefaserplatte und der zweiten Kohlefaserplatte ausgerichtet zu sein und sich doch innerhalb derselben zu befinden.
  • Während des Prozesses kann Wärme auf eine jede der von der jeweiligen ersten und zweiten Kohlefaserplatte angewendet werden. Ebenso kann auch Druck angewendet werden, sodass jede von der jeweiligen ersten und zweiten Kohlefaserplatte in jeden der Vielzahl von maschinell gearbeiteten Leerräume hinein verformt wird. Dieser Prozess kann zum Beispiel durch Vakuumtiefziehen erfolgen.
  • In einer Ausgestaltung kann der geschlossenzellige Schaumkern aus Aluminium hergestellt sein und kann eine poröse zellenartige, Struktur aufweisen. Die durchschnittliche Größe jeder Pore der porösen, zellenartigen Struktur kann zwischen ungefähr 1 mm und ungefähr 8 mm liegen.
  • Ebenso kann ein Verfahren zum Herstellen eines Verbundwerkstoffes die Positionierung eines geschlossenzelligen Schaumkerns zwischen einer ersten Kohlefaserplatte und einer zweiten Kohlefaserplatte; und das Verbinden einer jeden von der jeweiligen ersten Kohlefaserplatte und zweiten Kohlefaserplatte mit dem geschlossenzelligen Schaumkern umfassen.
  • Jede von der jeweiligen ersten und zweiten Kohlefaserplatte kann eine vorimprägnierte Platte sein, die ein um eine Faserbahn herum angeordnetes teilweise ausgehärtetes Harz umfasst. Während des letzten Formpress-Vorganges, wenn Wärme angewendet wird, um die Platten an den Schaumkern zu formen, kann die Wärme auch dazu dienen, das teilweise ausgehärtete Harz vollständig auszuhärten.
  • Die oben stehenden Merkmale und Vorteile und weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der besten Arten, die Erfindung auszuführen, in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen ohne weiteres verständlich.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine schematische Explosionsansicht einer Verbundwerkstoff-Konstruktionsplatte mit einem Schaumkern.
  • 2 ist eine schematische perspektivische Darstellung einer zusammengebauten Verbundwerkstoff-Konstruktionsplatte wie in 1 gezeigt.
  • 3 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Herstellen eines Konstruktions-Verbundwerkstoffes veranschaulicht.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Bezug nehmend auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugsziffern verwendet werden, um in den verschiedenen Ansichten gleiche oder identische Komponenten zu bezeichnen, illustriert 1 schematisch eine perspektivische Explosionsdarstellung 10 einer Verbundwerkstoff-Konstruktionsplatte 12. Die Platte 12 umfasst einen Schaumkern 14, eine erste faserverstärkte Verbundwerkstoffplatte 16 und eine zweite faserverstärkte Verbundwerkstoffplatte 18.
  • Der Schaumkern 14 kann eine geschlossenzellige, verfestigte Schaum- bzw. zellenartige Struktur sein, die aus einem metallischen Material hergestellt sein kann. Der Schaumkern kann z. B. aus einem Aluminiummaterial hergestellt sein, das eine Vielzahl von inneren, gasgefüllten Poren definiert. Die durchschnittliche Größe jeder Pore innerhalb der porösen, zellenartigen Struktur kann von zwischen ca. 1 mm bis zu ca. 8 mm im Durchmesser reichen (unter Beachtung dessen, dass die Poren gegebenenfalls keine vollkomme Kugelform aufweisen). Der Schaumkern 14 kann zwischen der ersten faserverstärkten Verbundwerkstoffplatte 16 und einer zweiten faserverstärkten Verbundwerkstoffplatte 18 angeordnet sein, sodass sich die erste faserverstärkte Verbundwerkstoffplatte 16 auf einer ersten Seite 20 des Schaumkerns 14 und die zweite faserverstärkte Verbundwerkstoffplatte 18 auf einer zweiten Seite 22 des Schaumkerns 14 befindet, die der ersten Seite 20 gegenüberliegt.
  • In einer Ausgestaltung kann der Schaumkern 14 im Allgemeinen einen Umfangsstruktur-Abschnitt 24 und zumindest eine Versteifungsrippe 26 umfassen. Zwischen dem Umfangsabschnitt 24 und der Versteifungsrippe kann der Schaumkern 14 eine Vielzahl von gewichtsreduzierenden Leerräumen 28 definieren. Der Schaumkern 14 kann anfänglich aus einer einzigen kontinuierlichen Platte gebildet werden. Auf der Basis der endgültigen Plattenform und der beabsichtigten Verwendung können nichttragende Abschnitte der Platte mithilfe von maschinellen Bearbeitungsverfahren wie z. B. Fräsen entfernt werden. Auf diese Weise kann der Schaumkern 14, sobald er vollständig konfektioniert ist, dazu dienen, die Verbundwerkstoff-Konstruktionsplatte 12 gegen Verbiegen zu versteifen, wobei so wenig zusätzliches Gewicht wie möglich hinzugefügt wird. Nach dem Zusammenbau kann der Umfangsstruktur-Abschnitt 24 des Schaumkerns 14 mit dem Umfang 30, 32 einer jeden von der jeweiligen ersten und zweiten Verbundwerkstoffplatte 16, 18 ausgerichtet sein und sich innerhalb derselben befinden.
  • Jede von der ersten und der zweiten faserverstärkten Verbundwerkstoffplatte 16, 18 kann eine Vielzahl von uni- oder multidirektionalen Fasern 34 umfassen, die innerhalb einer/s Epoxid- oder harzartigen Matrix/Substrats 36 angeordnet sind. In einer Ausgestaltung können die Fasern 34 Glaswollfasern, Kohlefasern, Graphitfasern oder andere geeignete hoch zugfeste Fasermaterialien umfassen. In einer Ausgestaltung kann jede einzelne Faser eine Dicke/einen Durchmesser von ca. 5–10 μm aufweisen. In anderen Ausführungsformen können jedoch in gleicher Weise Fasern mit größeren oder kleineren Dicken verwendet werden.
  • Vor dem endgültigen Zusammenbau kann jede von der ersten und der zweiten faserverstärkten Verbundwerkstoffplatte 16, 18 in der Form von vorimprägnierten („Prepreg”) Rohlingen vorhanden sein. Sehr allgemein ausgedrückt kann ein vorimprägnierter Rohling ein allgemein gebildetes Teil sein, das in nachfolgenden Formpressprozessen verwendet werden kann, um ein Teil mit einer komplexeren Geometrie zu bilden. Es werden typischerweise mehrere vorimprägnierte Rohlinge zusammen formgepresst, um eine komplexe Geometrie zu bilden, wobei ein abschließender Aushärtungsprozess die vorimprägnierten Platten schließlich zu einem einzigen, festen Teil verschmilzt. Die/das harzartige Matrix/Substrat 36 in den Prepreg-Platten 16, 18 kann teilweise ausgehärtet oder vorgehärtet werden, sodass die Fasern 34 innerhalb des Substrats 36 verteilt sind, und das Substrat 36 wird bis zu einem Punkt zum Erstarren gebracht, an dem es gehandhabt werden kann. Der Vorhärtungsprozess kann z. B. beinhalten, dass das Harz/Epoxid auf eine Temperatur erwärmt wird, die niedriger ist als die Endaushärtungstemperatur, wenngleich sie über der Umgebungstemperatur liegt. Beispielsweise kann bei einem Harz, das bei 300 Grad Celsius endausgehärtet werden kann, das Vorhärten stattfinden, indem das Harz auf 100 Grad Celsius und gegebenenfalls über eine kürzere Zeitspanne erwärmt wird.
  • Während eines endgültigen Form/Formpressprozesses kann jede von der ersten und der zweiten faserverstärkten Verbundwerkstoffplatte 16, 18 durch die Anwendung von Temperatur und/oder Druck in jeden der Vielzahl von gewichtsreduzierenden Leerräumen 28 hinein gezogen und/oder verformt werden. Beispielsweise kann in einer Ausgestaltung die Luft innerhalb der Leerräume 28, z. B über einen Prozess des Vakuumformens abgezogen werden, um die ersten und die zweiten Verbundwerkstoffplatten 16, 18 in die Leerräume 28 hinein zu ziehen. In einer anderen Ausgestaltung kann ein Überdruck, z. B. durch physikalischen Kontakt von einem Formwerkzeug oder einer Pressform, auf eine Außenfläche jeder Platte 16, 18 angewendet werden, um die Platten nach innen in die Leerräume 28 hinein zu verformen.
  • Sobald die Verbundwerkstoff-Konstruktionsplatte 12 endgültig in ihre Endform geformt/formgepresst wurde, wie allgemein in 2 gezeigt, kann die Platte 12 für eine vorbestimmte Zeitdauer auf eine Aushärtungstemperatur erwärmt werden. Auf diese Weise kann der Harz/Substratabschnitt 36 einer jeden von der ersten und der zweiten faserverstärkten Verbundwerkstoffplatte 16, 18 erhärten und in der gepressten Form erstarren. In einigen Ausgestaltungen kann während des Formverfahrens jede von der ersten und der zweiten faserverstärkten Verbundwerkstoffplatte 16, 18 bis zu einem Grad in einen oder mehrere der Leerräume 28 hinein gezogen und/oder verformt werden, wo die erste faserverstärkte Verbundwerkstoffplatte 16 mit der zweiten faserverstärkten Verbundwerkstoffplatte 18 innerhalb des jeweiligen Leerraumes 28 in Kontakt gelangen kann. Wenn die Platten durch die Anwendung von Wärme ausgehärtet werden, kann sich der Harz/Substratabschnitt 36 der ersten faserverstärkten Verbundwerkstoffplatte 16 mit dem Harz/Substratabschnitt 36 der zweiten faserverstärkten Verbundwerkstoffplatte 18 verbinden. Auf diese Weise können die erste und die zweite faserverstärkte Verbundwerkstoffplatte 16, 18 eine integrale Struktur bilden, wobei der metallische Schaumkern 14 dazwischen eingebaut ist.
  • 3 illustriert schematisch ein Verfahren 50 zum Bilden einer Verbundwerkstoff-Konstruktionsplatte 12 in der oben beschriebenen Weise. Wie gezeigt, beginnt das Verfahren 50 durch Bilden einer Vielzahl von Leerräumen in einem metallischen, geschlossenzelligen Schaumkern (Schritt 52). In einer Ausgestaltung können diese Leerräume durch einen maschinellen Bearbeitungsprozess wie z. B. Fräsen gebildet werden. Der gebildete Schaumkern umfasst allgemein eine Umfangsstruktur und mindestens eine Versteifungsrippe, wobei die Vielzahl von Leerräumen zwischen der Umfangsstruktur und der Versteifungsrippe definiert ist.
  • In Schritt 54 wird der geschlossenzellige Schaumkern zwischen einer ersten Kohlefaserplatte und einer zweiten Kohlefaserplatte positioniert. in Schritt 56 wird jede von der jeweiligen ersten Kohlefaserplatte und der zweiten Kohlefaserplatte mithilfe eines Aushärtungsprozesses mit dem geschlossenzelligen Schaumkern verbunden. Der Aushärtungsprozess kann das Erwärmen jeder von der jeweiligen ersten und zweiten Kohlefaserplatte; sowie das Anwenden von Druck auf jede von der jeweiligen ersten und zweiten Kohlefaserplatte umfassen, sodass jede von der jeweiligen ersten und zweiten Kohlefaserplatte in jeden der Vielzahl von maschinell gearbeiteten Leerräumen hinein verformt wird. In einer Ausgestaltung ist jede von der jeweiligen ersten und zweiten Kohlefaserplatte eine vorimprägnierte Platte, die ein um eine Faserbahn herum angeordnetes teilweise ausgehärtetes Harz umfasst. Das Erwärmen einer jeden von der jeweiligen ersten und zweiten Kohlefaserplatte als solches dient dazu, das teilweise ausgehärtete Harz vollständig auszuhärten/zu erhärten und es mit jeder Seite des Schaumkerns zu verbinden.
  • Während die besten Arten, die Erfindung auszuführen, im Detail beschrieben wurden, werden Fachleute auf dem Gebiet, auf das sich diese Erfindung bezieht, verschiedene alternative Ausgestaltungen und Ausführungsformen erkennen, um die Erfindung innerhalb des Schutzumfanges der beiliegenden Ansprüche praktisch umzusetzen. Der gesamte in der obigen Beschreibung enthaltene oder in den beiliegenden Zeichnungen gezeigte Sachverhalt ist als rein illustrativ und nicht als einschränkend auszulegen.

Claims (10)

  1. Konstruktionsplatte, umfassend: einen geschlossenzelligen Schaumkern, der aus einem metallischen Material gebildet ist; eine erste Kohlefaserplatte, die mit einer ersten Seite des geschlossenzelligen Schaumkerns verbunden ist; und eine zweite Kohlefaserplatte, die mit einer zweiten Seite des geschlossenzelligen Schaumkerns verbunden ist, sodass der Schaumkern zwischen der ersten Kohlefaserplatte und der zweiten Kohlefaserplatte angeordnet ist.
  2. Konstruktionsplatte nach Anspruch 1, wobei der Schaumkern eine Umfangsstruktur und eine Versteifungsrippe umfasst; und wobei der Schaumkern eine Vielzahl von gewichtsreduzierenden Leerräumen zwischen der Umfangsstruktur und der Versteifungsrippe definiert.
  3. Konstruktionsplatte nach Anspruch 2, wobei die erste Kohlefaserplatte und die zweite Kohlefaserplatte durch Vakuumtiefziehen in jeden der Vielzahl von Leerräumen gezogen sind.
  4. Konstruktionsplatte nach Anspruch 2, wobei die Umfangsstruktur des Schaumkerns mit dem Umfang einer jeden von der ersten Kohlefaserplatte und der zweiten Kohlefaserplatte ausgerichtet ist und innerhalb davon liegt.
  5. Konstruktionsplatte nach Anspruch 1, wobei der geschlossenzellige Schaumkern eine poröse, zellenartige Struktur umfasst; und wobei die durchschnittliche Größe jeder Pore der porösen, zellenartigen Struktur zwischen ungefähr 1 mm und ungefähr 8 mm liegt.
  6. Verfahren zum Bilden einer Verbundwerkstoff-Konstruktionsplatte, umfassend, dass: ein geschlossenzelliger Schaumkern zwischen einer ersten Kohlefaserplatte und einer zweiten Kohlefaserplatte positioniert wird, wobei der geschlossenzellige Schaumkern aus einem metallischen Material gebildet ist; jede von der jeweiligen ersten Kohlefaserplatte und zweiten Kohlefaserplatte mit dem geschlossenzelligen Schaumkern verbunden wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, ferner umfassend, dass eine Vielzahl von Leerräumen maschinell in den geschlossenzelligen Schaumkern gearbeitet wird; wobei der maschinell gearbeitete Schaumkern eine Umfangsstruktur und eine Versteifungsrippe umfasst; und wobei die Vielzahl von Leerräumen zwischen der Umfangsstruktur und der Versteifungsrippe definiert ist.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Positionieren eines geschlossenzelligen Schaumkerns zwischen einer ersten Kohlefaserplatte und einer zweiten Kohlefaserplatte derart erfolgt, dass die Umfangsstruktur des Schaumkerns mit dem Umfang einer jeden von der ersten Kohlefaserplatte und der zweiten Kohlefaserplatte ausgerichtet ist und innerhalb davon liegt.
  9. Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Verbinden einer jeden von der jeweiligen ersten Kohlefaserplatte und zweiten Kohlefaserplatte mit dem geschlossenzelligen Schaumkern umfasst, dass: jede von der jeweiligen ersten Kohlefaserplatte und zweiten Kohlefaserplatte erwärmt wird; und ein Druck auf jede von der jeweiligen ersten und zweiten Kohlefaserplatte angewendet wird, sodass jede von der jeweiligen ersten und zweiten Kohlefaserplatte in jeden der Vielzahl von maschinell gearbeiteten Leerräume hinein verformt wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei jede von der jeweiligen ersten und zweiten Kohlefaserplatte eine vorimprägnierte Platte ist, die ein um eine Faserbahn herum angeordnetes teilweise ausgehärtetes Harz umfasst; und wobei das Erwärmen einer jeden von der jeweiligen ersten und zweiten Kohlefaserplatte dazu dient, das teilweise ausgehärtete Harz vollständig auszuhärten.
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