DE102014114012A1

DE102014114012A1 - Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils

Info

Publication number: DE102014114012A1
Application number: DE102014114012.5A
Authority: DE
Inventors: Olaf Steffen; Christian Ückert
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2014-09-26
Filing date: 2014-09-26
Publication date: 2016-03-31
Anticipated expiration: 2034-09-27
Also published as: FR3026979B1; DE102014114012B4; FR3026979A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils, das aus einem mit einem Matrixmaterial infundierten Fasermaterial gebildet wird. Hierbei wird Fasermaterial in einen zwischen Formwerkzeugen gebildeten Spalt eingebracht, wobei das Fasermaterial einen ersten Teil Fasermaterial aufweist und einen zweiten Teil Fasermaterial, wobei der erste Teil Fasermaterial einen höheren Kompaktierungsgrad aufweist als der zweite Teil Fasermaterial.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils, das aus einem mit einem Matrixmaterial infundierten Fasermaterial gebildet wird.
Bauteile aus einem Faserverbundwerkstoff, sogenannte Faserverbundbauteile, sind aus der Luft- und Raumfahrt heute nicht mehr wegzudenken, aber auch im Automobilbereich findet die Verwendung derartiger Werkstoffe immer mehr Zuspruch. Insbesondere kritische Strukturelemente werden aufgrund der hohen gewichtsspezifischen Festigkeit und Steifigkeit bei minimalem Gewicht aus faserverstärkten Kunststoffen gefertigt. Durch die aus der Faserorientierung resultierenden anisotropen Eigenschaften der Faserverbundwerkstoffe können die Bauteile an lokale Belastungen angepasst werden und ermöglichen so eine optimale Materialausnutzung im Sinne des Leichtbaus.
Gegenwärtige Bestrebungen zur Entwicklung von Tragflügeln von Verkehrsflugzeugen aus Faserverbundwerkstoffen mit gegenüber dem Stand der Technik höheren Integrationsgrad erfordern neue und innovative Fertigungsverfahren. So ist beispielsweise aus der DE 10 2010 109 231 A1 ein Verfahren zur Herstellung integral verstärkter Flügelschalen bekannt, bei dem zur Verdichtung und Ausformung der auf der flächigen Flügelhaut stehenden Verstärkungselementen die Wärmeausdehnung der Werkzeugkerne ausgenutzt wird, um bei Temperierung des Formwerkzeuges und somit des mit Matrixmaterial infundierten Fasermaterials die für die Verstärkungselemente notwendige Kompaktierung zu erreichen.
Der Schließweg, den die Werkzeugkerne im Fertigungsprozess zur notwendigen Kompaktierung der Versteifungen bei Temperaturerhöhung aufgrund der Wärmeausdehnung erreichen können, ist jedoch durch Entwurfsfestlegungen und physikalische Konstanten begrenzt. Da ein auszuformendes Verstärkungselement jedoch vor Beginn des eigentlichen Prozesses weniger verdichtet und damit dicker als im Endzustand vorliegt, muss der Schließweg des Kerns mindestens so groß sein, dass das Versteifungselement im Preformprozess zwischen zwei benachbarten Werkzeugkernen Raum findet. Ab einer gewissen Anzahl von Lagen bzw. einer gewissen Solldicke des Versteifungselementes wird der Preform zu dick, so dass diese Bedingung nicht mehr erfüllt werden kann. Es gibt daher für ein bestimmtes Werkzeugkernmaterial und ein bestimmtes Faserverbund-Halbzeug eine maximal mögliche Dicke von integral ausgebildeten Versteifungselementen, die mit dem jeweiligen Fertigungsverfahren herstellbar ist.
Aus der DE 10 2005 026 010 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von verstärkten Schalen zur Bildung von Teilkomponenten für Luftfahrzeuge bekannt, bei dem die Verstärkungselemente aus bereits ausgehärteten Faserverbundbauteilen bestehen, die dann mit noch nicht ausgehärteten Verbindungselementen an der Schalenhaut fixiert werden. Anschließend werden die Verbindungselemente und die Schale gemeinsam ausgehärtet. Ziel des Verfahrens ist dabei das Umgehen von massiven Formwerkzeugteilen zum Ausformen und Stützen der Stringer im Autoklavverfahren.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils anzugeben, bei dem unter Ausnutzung der Wärmeausdehnung insbesondere Verstärkungselemente während des Aushärtens kompaktiert werden sollen, um so hochintegrale Bauteile herstellen zu können.
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Gemäß Anspruch 1 wird zunächst ein Formwerkzeug bereitgestellt, das eine Mehrzahl von Formkernen aufweist, die in dem Formwerkzeug unter Bildung eines vorgegebenen Spaltes zwischen benachbarten Formkernen derart anordbar sind, dass sich bei Temperierung des Formwerkzeuges wenigstens ein Formkern in Richtung zumindest eines Spaltes thermisch ausdehnt. Ein solches Formwerkzeug kann beispielsweise ein Formwerkzeug sein, wie es aus der DE 10 2012 109 231 A1 bekannt ist.
Formkerne im Sinne der vorliegenden Erfindung sind dabei jene formgebenden Elemente des Formwerkzeuges, mit denen zumindest teilweise die Geometrie des späteren Faserverbundbauteils geformt werden kann und die zur Bildung eines Spaltes geeignet sind. Ein Formkern kann dabei ein Elemente sein, das lösbar mit dem Formwerkzeug verbindbar ist. Denkbar ist aber auch, dass ein Formkern ein fester Bestandteil des Formwerkzeuges ist, beispielsweise eine feste Umrandung.
In dieses Formwerkzeug wird nun Fasermaterial eingebracht und die Formkerne angeordnet, sofern sie noch nicht mit dem Formwerkzeug verbunden sind. Dabei wird ebenfalls Fasermaterial in wenigstens einen durch die Formkerne gebildeten Spalt angeordnet, wobei das Fasermaterial in dem Spalt aufgrund der thermischen Ausdehnung der Formkerne während des Aushärtens des in das Fasermaterial infundierten Matrixmaterials durch Temperierung kompaktiert wird.
Unter einer Temperierung im Sinne der vorliegenden Erfindung wird dabei insbesondere eine Temperierung verstanden, die geeignet ist, das Matrixmaterial, das in das Fasermaterial infundiert ist, auszuhärten, so dass sich ein Faserverbundbauteil herstellen lässt. In der Regel ist eine Temperierung dabei die Erhöhung der Temperatur gegenüber der Raumtemperatur auf die notwendige Prozesstemperatur, beispielsweise auf 180 °C.
Das in das Formwerkzeug eingebrachte Fasermaterial kann dabei trockenes oder bereits vorimprägniertes Fasermaterial (Prepregs) sein. Bei vorimprägnietem Fasermaterial ist das Fasermaterial bereits mit dem Matrixmaterial infiltriert.
Erfindungsgemäß wird nun vorgeschlagen, dass in dem wenigstens einen durch die Formkerne gebildeten Spalt mindestens zwei Teile Fasermaterial eingebracht und angeordnet werden, wobei der erste Teil Fasermaterial als Preform einen höheren Kompaktierungsgrad aufweist als der mindestens zweite Teil Fasermaterial.
Der als Preform ausgebildete erste Teil Fasermaterial wurde erfindungsgemäß vor dem Einbringen in den Spalt vorkompaktiert und ggf. umgeformt, sodass der erste Teil Fasermaterial gegenüber dem zweiten Teil Fasermaterial einen höheren Kompaktierungsgrad aufweist. Denkbar ist auch, dass der zweite Teil Fasermaterial vorkompaktiert ist, jedoch mit einem geringeren Kompaktierungsgrad als der erste Teil Fasermaterial.
Durch das Einbringen von zwei verschiedenen Teilen Fasermaterial, bei dem ein Teil Fasermaterial einen höheren Kompaktierungsgrad aufweist als der andere Teil Fasermaterial, kann die natürliche Grenze der maximalen Dicke bzw. Stärke eines Verstärkungselementes, das durch das in dem Spalt befindlichen Fasermaterial gebildet werden kann, vergrößert werden, ohne dass die grundsätzliche Bauteilgeometrie verändert werden muss.
Vielmehr haben die Erfinder erkannt, dass durch ein zumindest teilweise stärker kompaktiertes Fasermaterial, das zumindest teilweise den Spalt zwischen den Formkernen besetzt, die maximal herstellbare Solldicke der Verstärkungselemente ohne Änderung von Bauteilparametern oder auszunutzenden physikalischen Eigenschaften des Formwerkzeuges erhöht werden kann.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung ist der Kompaktierungsgrad ein Maß für die Kompaktierung das Fasermaterials. Ein solches Maß kann beispielsweise der Faservolumenanteil bzw. Faservolumengehalt sein. Das Faservolumengehalt gibt dabei das Verhältnis des Volumens der Fasern zum Gesamtvolumen der Preform oder des späteren Bauteils an. Je höher der Faservolumengehalt, desto höher auch der Kompaktierungsgrad des Fasermaterials.
Je kleiner dabei die Dicke des Fasermaterials bei konstanter Anzahl zusammengepresster Faserlagen ist, desto höher ist das Maß der Kompaktierung bzw. der Kompaktierungsgrad.
Letztendlich ist für das Maß der Kompaktierung bzw. den Kompaktierungsgrad jedes Verhältnis denkbar, welches direkt oder indirekt das Volumen der Fasern zum Gesamtvolumen der Preform angibt. Dabei ist die Preform diejenige Form der Fasermaterialien, die in dem Spalt durch Einbringen von Fasermaterial gebildet wird.
Je höher der Kompaktierungsgrad der Fasermaterialien, desto höher ist somit auch der Anteil der Fasern am Gesamtvolumen der Preform, die beispielsweise durch den ersten Teil Fasermaterialien in dem Spalt gebildet wird.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform werden die mindestens zwei Teile Fasermaterial in den wenigstens einen Spalt so eingebracht und angeordnet, dass der erste Teil Fasermaterial von dem mindestens zweiten Teil Fasermaterial in dem durch die Formkerne gebildeten Spalt teilweise oder vollständig eingeschlossen ist. Hierdurch wird der Teil Fasermaterial, der einen gegenüber dem anderen Teil Fasermaterial höheren Kompaktierungsgrad aufweist, zwischen den Fasermaterialien mit niedrigem Kompaktierungsgrad angeordnet und in dem Spalt eingeschlossen. Der zweite Teil Fasermaterial kann dabei in diesem Bereich L-förmig an dem ersten Teil Fasermaterial sowie an eine Grundstruktur, an der der erste Teil Fasermaterial angeformt ist, angeordnet sein.
Diese Anordnung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn der erste Teil Fasermaterial mit dem hohen Kompaktierungsgrad aus bereits ausgehärteten bzw. konsolidierten Fasermaterial in Form einer Preform bzw. Faserverbund-Preform besteht, so dass im gesamten Herstellungsprozess der Preform mit dem hohen Kompaktierungsgrad zwischen noch nicht ausgehärtetem Fasermaterial eingebettet und somit integral mit der Gesamtstruktur verbunden wird.
Der zwischen dem zweiten Teil Fasermaterial angeordnete erste Teil Fasermaterial kann dabei teilweise oder vollständig von dem zweiten Teil Fasermaterial eingeschlossen sein. So ist es denkbar, dass der eingeschlossene erste Teil Fasermaterial in seiner senkrechten Ausdehnung größer ist als der zweite Teil Fasermaterial oder andersherum.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist es allerdings auch denkbar, dass die mindestens zwei Teile Fasermaterial in den wenigstens einen Spalt so eingebracht und angeordnet werden, dass der erste Teile Fasermaterial an einem der den Spalt bildenden Formkerne anliegt, während der zweite Teil Fasermaterial an dem gegenüberliegenden spaltbildenden Formkern anliegt.
Es ist selbstverständlich, dass eine derartige Anordnung der Fasermaterialien für jeden Spalt, der durch das Einbringen der Formkerne in dem Formwerkzeug gebildet wird, vorgesehen ist. So werden bei einer Vielzahl von Formkernen dementsprechend auch zwischen den einzelnen benachbarten Formkernen eine Vielzahl von Spalten gebildet, zwischen denen dann entsprechend der vorliegenden Erfindung Fasermaterial eingebracht ist, bei dem ein Teil Fasermaterial einen höheren Kompaktierungsgrad aufweist als der andere Teil Fasermaterial.
Wie bereits erwähnt, ist es vorteilhaft, wenn der erste Teil Fasermaterial als Preform ein teilweise oder vollständig ausgehärtetes Faserbund-Preform ist. Der erste Teil Fasermaterial ist somit ein Fasermaterial, das mit einem Matrixmaterial infundiert und das Matrixmaterial dann anschließend ausgehärtet wurde, so dass ein aus Matrixmaterial und Fasermaterial bestehendes Faserverbundbauteil entsteht. Dieses Faserverbundbauteil weist demnach Abmessungen auf, die es erlauben, dass Faserverbundbauteil als für den ersten Teil Fasermaterial in einen der Spalte einzubringen, und zwar derart dass eben auch noch weitere Teile Fasermaterial in den Spalt hinzufügbar sind.
Der erste Teil Fasermaterial wird dabei in Art einer Preform vor dem Einbringen in den betreffenden Spalt vorkompaktiert, was bei der Herstellung der Preform erfolgt.
Es ist diesbezüglich ganz besonders vorteilhaft, wenn das erste Teil Fasermaterial, enthaltend ein teilweise oder vollständig ausgehärtetes Faserbundbauteil, zuvor hergestellt wird, indem ein in ein Fasermaterial infundiertes Matrixmaterial durch Temperierung teilweise oder vollständig ausgehärtet wird, bevor das erste Teil Fasermaterial in den oder die Spalte des Formwerkzeuges eingebracht und angeordnet wird.
So lassen sich beispielsweise Verstärkungselemente industriell und in Serie herstellen, wodurch derartige Verstärkungselemente insbesondere in strukturkritischen Bauelementen mit gleichbleibender Qualität bereitgestellt werden können. Bei Herstellung der Gesamtstruktur können dann diese bereitgestellten und vorhergestellten Verstärkungselemente verwendet werden.
Es hat sich des Weiteren als vorteilhaft herausgestellt, wenn der erste Teil Fasermaterial mindestens 10 %, vorzugsweise mindestens 30 %, besonders vorzugsweise mindestens 50 % der Breite oder des Volumens des zu fertigenden Bauteils in dem Spalt besetzt. Die prozentuale Angabe bezieht sich dabei nur auf den Teil des Bauteils, der in dem Spalt angeordnet ist.
Das vorliegende Verfahren ist besonders vorteilhaft für die Herstellung von Flügelschalen, bei denen die durch die Spalten gebildeten Verstärkungselemente die notwendigen Stringer darstellen. Denkbar ist allerdings auch die Herstellung von anderen Flächentragwerken, wie Seiten- und Höhenleitwerke.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Figuren beispielhaft erläutert. Es zeigen:
1a, 1b – Aus dem Stand der Technik bekanntes Herstellungsverfahren mittels Werkzeugkerne;
2 – Schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung;
3 – Schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform.
1a und 1b zeigen die Herstellung eines Faserverbundbauteils mittels Werkzeugkernen, wie es beispielsweise aus der DE 10 2012 109 231 A1 bekannt ist. 1a zeigt dabei den Zustand, bei dem das Formwerkzeug und die Formkerne nicht temperiert sind, während 1b den temperierten Zustand zeigt.
In den 1a und 1b sind zwei Formkerne 1a, 1b eines nicht dargestellten Formwerkzeuges gezeigt. Zwischen den beiden Formkernen 1a, 1b wird ein Spalt 2 gebildet, in dem Teile von Fasermaterial 3 eines herzustellenden Faserverbundbauteils 4 eingebracht und angeordnet sind. Im nicht temperierten Zustand, wie es 1a zeigt, weist der Spalt 2 ein Spaltmaß S auf, das größer ist als die unkompaktierte Dicke t₁ des in dem Spalt 2 eingebrachten Fasermaterials.
Im Beispiel der 1a und 1b sind die beiden Formkerne 1a, 1b über Festlager 5a, 5b mit dem Formwerkzeug verbunden, wodurch sich ein Festlagerabstand L zwischen den beiden Kernen 1a, 1b ergibt.
Ausgehend von dem Festlagerabstand L der beiden Kerne 1a, 1b wird nun das Spaltmaß S des Spaltes 2 im Fertigungsprozess bei Erwärmung der Kerne 1a, 1b von Raumtemperatur auf die maximale Prozesstemperatur um die Temperaturdifferenz ΔT durch den Wärmeausdehnungskoeffizienten α verkleinert, so dass sich die Soll-Dicke t₂ des in dem Spalt 2 befindlichen Fasermaterials 3 einstellt. Dies ist in 1b schematisch dargestellt. Die wirksame sich dehnende Länge der Kerne 1a, 1b die zum Schließen des Spaltes S beiträgt, ist der Festlagerabstand L der beiden Kerne 1a, 1b.
Das Spaltmaß S zwischen den beiden Kernen 1a, 1b ist dabei kein frei einstellbarer Parameter, sondern folgt direkt aus dem Abstand der Verstärkungselemente, die durch das Fasermaterial 3 in dem Spalt 2 über die gesamte Bauteillänge hinweg gebildet werden sollen, sowie aus der Wärmeausdehnung des Kernmaterials und der vorgegebenen Soll-Dicke t₂.
Die unkompaktierte Dicke t₁ der Fasermaterialien 3 weicht dabei um einen Kompaktierungsfaktor X von der angestrebten Soll-Dicke t₂ ab, so dass sich Folgendes ergibt: t₁ = t₂·x.
Bei kleinen Dicken ist im untemperierten Zustand das Fasermaterial 3 zwischen den benachbarten Kernen 1a, 1b dünner als das Spaltmaß S und die Absätze auf den benachbarten Kernen. Werden die Dicken konstruktionsbedingt größer, wie es beispielsweise bei Flügen von Verkehrsflugzeugen aufgrund der großen Flügellängen und der damit steigenden Last im Innenflügelbereich zwingend der Fall ist, stößt die Wärmeausdehnung der Werkzeugkerne an eine natürliche Grenze. Der Grenzfall ist erreicht, wenn der durch die Wärmeausdehnung im Prozess zu kompaktierende Dickenunterschied den Wert der absoluten Wärmeausdehnung der Werkzeugkerne erreicht, also t₁ = S wird. Das Werkzeug lässt sich in diesem Fall gerade noch schließen bzw. Fasermaterial 3 in den Spalt einstecken.
Für die maximal erzielbare Soll-Dicke im ausgehärteten Zustand kann daher folgende Gleichung herangezogen werden: t_2max = LαΔT / x – 1 + xαΔT wobei L der Festlagerabstand der beiden Kerne 1a, 1b ist, der den maximalen Weg der Wärmeausdehnung bestimmt, α der Wärmeausdehnungskoeffizient des verwendeten Materials und ΔT die Temperaturdifferenz zwischen Umgebungstemperatur bzw. Preformingtemperatur und Prozesstemperatur ist. Der Parameter x ist dabei der Kompaktierungsfaktor, wie oben dargestellt.
Bis auf den Kompaktierungsfaktor unterliegen alle Parameter der Gleichung äußeren Zwangsbedingungen. Die Temperaturdifferenz ΔT wird durch die Härtetemperatur des Matrixsystems des Faserverbundhalbzeuges bestimmt und ist im gesamten Bauteil konstant. Für übliche Epoxid-Matrixsysteme von Faserverbundstrukturen beträgt die Härtetemperatur 180 °C, so dass sich ein ΔT von 160 °C ergibt, wenn das Fasermaterial bei Raumtemperatur in das Formwerkzeug eingebracht und angeordnet wird. Der Festlageabstand L ist durch den Entwurf des zu fertigen Bauteils festgelegt und entspricht in der Regel dem Abstand der einzelnen Verstärkungselemente, die durch den Spalt 2 gebildet werden sollen.
Bei einem Versuchsaufbau mit einem Festlageabstand L = 210 mm, einer Temperaturdifferenz von ΔT = 160 °C sowie einem Aluminiumwerkzeug mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten α = 2,38 E^–5 mm/K·mm und einem Kompaktierungsfaktor x = 1,13 folgt eine maximale Soll-Dicke von t₂ = 5,954 mm. In diesem Fall ist das unkompaktierte Fasermaterial 3 in dem Spalt 2 um 13 % dicker als die angestrebte Soll-Dicke t₂ des ausgehärteten Faserverbundbauteils im Spalt 2. Bei einer stärkeren Vorkompaktierung des Laminates während des Preforming-Prozesses auf einem nur noch um 5 % größeren Dicke läge die maximal mögliche Soll-Dicke bei einem Wert von t₂ = 14,809 mm. Elemente, die durch den Spalt 2 der Kerne 1a, 1b hergestellt werden sollen, und die eine größere Dicke aufweisen sollen, können bei gleicher Vorkompaktierung nicht mehr hergestellt werden, da sich das Werkzeug nicht mehr schließen bzw. das Fasermaterial 3 sich nicht mehr in den zur Verfügung stehenden Werkzeugspalt 2 einfügen ließe.
Bei Vorgabe der für den Prozess notwendigen Parameter weist somit die maximal erzielbare Soll-Dicke eine natürliche Grenze auf.
Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, dass in den Werkzeugspalt 2 zwei Teile Fasermaterial 6a, 6b eingebracht werden sollen, wobei der erste Teil Fasermaterial 6a einen gegenüber den zweiten Teil Fasermaterial 6b höheren Kompaktierungsgrad aufweist. Schematisch ist dies in 2 gezeigt.
Hierdurch kann das in den Spalt 2 eingebrachte Fasermaterial teilweise aus stärker vorkompaktierten, oder vollständig ausgehärteten Fasermaterialanteilen bestehen, so dass die natürliche Begrenzung für die maximale Soll-Dicke hin zu größeren Dicken verschoben werden kann.
Die Gesamt-Soll-Dicke T wird dabei formal in zwei Teile aufgeteilt:
t·p₁ und t·p₂, wobei p₁ + p₂ gleich 1 ist und 0 < p₁, p₂ < 1 ist. Beide Teile Fasermaterial 6a, 6b weisen dabei unterschiedliche Kompaktierungsfaktoren x₁ und x₂ auf, womit sich die oben beschriebene Gleichung ergänzen lässt zu:
Der Parameter x₁ bezeichnet dabei den Kompaktierungsfaktor des Teilfasermaterials 6a mit dem höheren Kompaktierungsgrad, während der Parameter x₂ den zweiten Teil Fasermaterial 6b mit schwächer kompaktiertem oder unkomprimiertem Fasermaterial bezeichnet. Der Parameter p₁ bezeichnet dabei den Dickenanteil des ersten Teilfasermaterials 6a mit dem höheren Kompaktierungsgrad, während p₂ den Dickenanteil des zweiten Teil Fasermaterials 6b mit den schwächer kompaktiertem oder unkomprimiertem Fasermaterial meint.
Durch die Verwendung von zum Teil vorkomprimierten, teilweise oder vollständig ausgehärteten Fasermaterialien 6a kann die Gesamtdicke des durch den Werkzeugspalt 2 zu bildenden Faserverbundbauteilelementes erhöht werden, ohne dass konzeptionelle Veränderungen an dem Werkzeug oder Veränderungen der Verstärkungselementposition auf dem Bauteil vorgenommen werden müssten.
Bei Beibehaltung der Parameterwerte L, α und ΔT wie oben beschrieben sowie der Festlegung von x₁ = 1 und x₂ = 1,13 ergibt sich für einen Dickenanteil von 50 % des ersten Teil Fasermaterials 6a, d.h. p₁ = 0,5, eine maximale erreichbare Soll-Dicke von t₂, max. = 11,580 mm. Dies entspricht fast einer Verdoppelung gegenüber dem herkömmlichen Verfahren.
Der verwendete erste Teil Fasermaterial kann beispielsweise eine separat hergestellte Preform sein, die in den Spalt 2 der Werkzeugkerne 1a, 1b eingebracht wird. Der erste Teil Fasermaterial ist dabei in der Regel flächig ausgebildet und bietet sich für die beschriebene höhere Vorkompaktierung beispielsweise eines Stringers an.
3 zeigt schematisch eine bevorzugte Anordnung, bei dem der erste Teil Fasermaterial 6a mit dem höheren Kompaktierungsgrad zwischen dem zweiten Teil Fasermaterial 6b angeordnet ist, so dass in Bezug auf die den Spalt bildenden Formkerne 1a, 1b der erste Teil Fasermaterial nicht mit den Formkernflanken der Formkerne in Berührung kommt. Hierdurch lässt sich insbesondere erreichen, dass bereits separat hergestellte Preformen als ersten Teil Fasermaterial 6a fest mit der Gesamtstruktur des Bauteils verbunden werden können, die dann durch in diesem Bereich L-förmige Verbindungselemente aus dem zweiten Teil Fasermaterial 6b gebildet werden.
Der erste Teil Fasermaterial 6a kann beispielsweise auf den Fügelflächen mit einem Klebefilm versehen werden, sodass die Teile Fasermaterial 6a und 6b gegeneinander fixiert werden können.
Die Verarbeitung der Verstärkungslagen als ersten Teil Fasermaterials mit höherem Kompaktierungsgrad erfolgt im Anschluss in der Fertigung in einem teilweise geschlossenen Werkzeug unter einer Vakuumfolie in einem Autoklaven, in der Fertigung in einem geschlossenen Werkzeug in einem Autoklaven oder einer Presse jeweils in einem reinen Prepreg-Prozess, einem SQRTM-Prozess oder einem LCM-Prozess.
Bezugszeichenliste

1a, 1b: Formkerne
2: Spalt
3: Fasermaterial im Spalt
4: Faserverbundbauteil
5a, 5b: Festlager
6a: erster Teil Fasermaterial
6b: zweiter Teil Fasermaterial
l: Festlagerabstand
ΔT: Temperaturdifferenz
α: Wärmeausdehnungskoeffizient
t₁: unkompaktierte Dicke t₁ des Fasermaterials
t₂: Soll-Dicke
S: Spaltmaß
p₁: Dickenanteil des ersten Teil Fasermaterials
p₂: Dickenanteil des zweiten Teil Fasermaterials
x: Kompaktierungsfaktor
x₁: Kompaktierungsfaktor des ersten Teil Fasermaterials
x₂: Kompaktierungsfaktor des zweiten Teil Fasermaterials

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010109231 A1 [0003]
DE 102005026010 A1 [0005]
DE 102012109231 A1 [0008, 0036]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils, das aus einem mit einem Matrixmaterial infundierten Fasermaterial gebildet wird, mit den Schritten: a. Bereitstellen eines Formwerkzeuges, das eine Mehrzahl von Formkernen aufweist, die in dem Formwerkzeug unter Bildung eines vorgegebenen Spaltes zwischen benachbarten Formkernen derart anordbar sind, dass sich bei Temperierung des Formwerkzeuges wenigstens ein Formkern in Richtung zumindest eines Spaltes thermisch ausdehnt, b. Einbringen von Fasermaterial und der Formkerne in das Formwerkzeug, wobei Fasermaterial in wenigstens einem durch die Formkerne gebildeten Spalt angeordnet wird, und c. Aushärten des in das Fasermaterial infundierten Matrixmaterials durch Temperierung des Formwerkzeuges zur Herstellung des Faserverbundbauteils, gekennzeichnet durch d. Einbringen und Anordnen von mindestens zwei Teilen Fasermaterial in den wenigstens einen durch die Formkerne gebildeten Spalt, wobei der erste Teil Fasermaterial als Preform einen höheren Kompaktierungsgrad aufweist als der mindestens zweite Teil Fasermaterial.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Teile Fasermaterial in dem wenigstens einen Spalt so eingebracht und angeordnet werden, dass der erste Teil Fasermaterial von dem mindestens zweiten Teil Fasermaterial in dem durch die Formkerne gebildeten Spalt teilweise oder vollständig eingeschlossen ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Teile Fasermaterial in dem wenigstens einen Spalt so eingebracht und angeordnet werden, dass der erste Teil Fasermaterial an Einem der den Spalt bildenden Formkerne anliegt und der zweite Teil Fasermaterial an dem Anderen der den Spalt bildenden Formkerne anliegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teil Fasermaterial ein teilweise oder vollständig ausgehärtetes Faserverbund-Preform ist.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teil Fasermaterial als Faserverbund-Preform hergestellt wird, indem ein in ein kompaktiertes Fasermaterial infundiertes Matrixmaterial durch Temperierung teilweise oder vollständig ausgehärtet wird, bevor der erste Teil Fasermaterial in den oder die Spalte des Formwerkzeuges eingebracht und angeordnet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teil Fasermaterial und/oder zweite Teil Fasermaterial vor dem Einbringen in den Spalt mit einem Klebstoff versehen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teil Fasermaterial mindestens 10%, vorzugsweise mindestens 30%, besonders vorzugsweise mindestens 50% der Breites oder des Volumens des zu fertigenden Bauteils in dem Spalt besetzt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das herzustellende Faserverbundbauteil ein oder mehrere Verstärkungselemente aufweist, die durch das Fasermaterial in den Spalten gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das herzustellende Faserverbundbauteil eine Flügelschale ist, die ein oder mehrere Stringer als Verstärkungselemente aufweist.