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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Fertigung eines Bauteils, insbesondere eines Flugzeugbauteils, aus einem faserverstärkten Verbundmaterial.
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Im Flugzeugbau gibt es Bestrebungen, zunehmend Bauteile einzusetzen, die vollständig oder teilweise aus faserverstärkten Verbundmaterialien, beispielsweise glasfaser- oder kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen bestehen. Beispielsweise beschreibt die
DE 10 2007 062 111 A1 eine aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff bestehende Querträgerstruktur, die der Abstützung der einzelnen Paneele eines Flugzeugfußbodensystems zur Trennung einer Passagierkabine von einem unterhalb der Passagierkabine angeordneten Frachtraum dient. Ferner ist es beispielsweise aus der
DE 10 2004 001 078 A1 bzw. der
CN 100418850 bekannt, Flugzeugrumpfsegmente mit einer Haut sowie Verstärkungselementen (z. B. Spante, Stringer) aus faserverstärkten Verbundmaterialien zu versehen.
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Bei der Herstellung von Flugzeugstrukturbauteilen aus faserverstärkten Verbundmaterialien kann zunächst aus Faser-Prepregs ein mehrschichtiges Laminat aufgebaut werden. Die Faser-Prepregs können ein Gewebe oder Gelege aus Verstärkungsfasern umfassen, die mit einer Oberflächenschicht aus einem aushärtbaren Kunststoffmaterial versehen sind. Der Laminataufbau kann manuell oder automatisiert erfolgen. Anschließend können die Faser-Prepregs in eine gewünschte Form eines eine Flugzeugaußenhaut bildenden Flächenabschnitts oder eines einen Spant oder Stringer bildenden Verstärkungsabschnitts gebracht werden. Schließlich wird das auf die Oberflächen der Fasern aufgebrachte Kunststoffmaterial in einem Autoklavzyklus unter Druck und/oder erhöhter Temperatur ausgehärtet, so dass ein Verbundmaterial mit einer Matrix aus einem ausgehärteten Kunststoff und in die Matrix eingelagerten Verstärkungsfasern entsteht. Ein Autoklavprozess eignet sich besonders gut zur Einzelfertigung auch komplex geformter Bauteile.
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Im Gegensatz dazu beschreibt die
EP 1 819 503 B1 ein Verfahren zur kontinuierlichen Fertigung von zum Einsatz als Flugzeugstrukturbauteile geeigneten Strukturprofilen. Bei diesem Verfahren wird zunächst ein mehrschichtiger Faserlagenaufbau erzeugt. Hierzu werden trockene Faserlagen von entsprechenden Rollen abgewickelt und einem Vorformwerkzeug zugeführt, das die Faserlagen unter Druck in eine gewünschte Vorform bringt. Der in dem Vorformwerkzeug erzeugte vorgeformte Faserlagenstapel wird mit einem Gemisch aus einem Epoxidharz und einem Härtungsmittel imprägniert, das durch die Zufuhr von Wärme zu einer Teilreaktion gebracht wird, die eine Erhöhung der Viskosität des Harzes bewirkt. Anschließend wird der harzimprägnierte Faserlagenstapel in einer Taktpresse weiter erwärmt und mit Druck beaufschlagt, so dass das Harz geliert und die Vernetzung bis zur Formstabilität voranschreitet. In einem Tunnelofen erfolgt schließlich das vollständige Aushärten des Harzes.
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Während des gesamten Prozesses werden die Faserlagen, der Faserlagenstapel bzw. der harzimprägnierte Faserlagenstapel mittels entsprechender Abziehvorrichtungen kontinuierlich zu den und durch die einzelnen Stationen des Prozesses gefördert. Die Taktpresse ist beweglich gelagert, so dass sie über eine bestimmte Strecke gemeinsam mit dem zu pressenden harzimprägnierten Faserlagenstapel bewegt werden kann. Sobald die Behandlung eines Abschnitts des harzimprägnierten Faserlagenstapels in der Taktpresse abschlossen ist, wird die Taktpresse geöffnet und entgegen der Bewegungsrichtung des harzimprägnierten Faserlagenstapels bewegt, bis sie eine entsprechende Position erreicht hat, in der Taktpresse zur Behandlung eines weiteren Abschnitts des harzimprägnierten Faserlagenstapels wieder geschlossen werden kann. Das in der
EP 1 819 503 B1 beschriebene kontinuierliche Verfahren eignet sich zur Herstellung von Strukturprofilen mit einem konstanten Querschnitt in großen Stückzahlen.
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Die Erfindung ist auf die Aufgabe gerichtet, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, die eine effiziente Serienfertigung von Bauteilen, insbesondere Flugzeugbauteilen, aus einem faserverstärkten Verbundmaterial ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst.
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Bei einem Verfahren zur Fertigung eines Bauteils aus einem faserverstärkten Verbundmaterial wird ein erster Abschnitt eines Verstärkungsfasern enthaltenden Halbzeugs mittels einander gegenüberliegender erster Klemmflächen eines ersten Klemmwerkzeugs mit einer senkrecht zu einer Oberfläche des ersten Abschnitts des Halbzeugs gerichteten Klemmkraft beaufschlagt. Die in dem Halbzeug enthaltenen Verstärkungsfasern können in Form von Einzelfasern oder in Form eines Fasergeleges oder Fasergewebes vorliegen und beispielsweise in Form von Kohlenstofffasern ausgeführt sein. Vorzugsweise enthält das Halbzeug neben Verstärkungsfasern ein Kunststoffmaterial, das in dem fertigen Bauteil eine Matrix bildet, in der die Verstärkungsfasern eingebettet sind. Bei dem Kunststoffmaterial kann es sich beispielsweise um ein thermoplastisches Kunststoffmaterial oder ein aushärtbares Kunststoffmaterial handeln. Beispielsweise kann das Halbzeug ein aushärtbares Harzmaterial, insbesondere ein Expoxidharz enthalten. In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist das Halbzeug in Form eines Faser-Prepregs ausgebildet, das ein Gewebe oder Gelege aus Verstärkungsfasern umfasst, die mit einer Oberflächenschicht aus einem aushärtbaren Kunststoffmaterial versehen sind.
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Das erste Klemmwerkzeug kann einen ersten Abschnitt sowie einen dem ersten Abschnitt gegenüberliegenden zweiten Abschnitt umfassen. Die ersten Klemmflächen des ersten Klemmwerkzeugs werden dann vorzugsweise durch zwei einander gegenüberliegende Oberflächen des ersten und des zweiten Abschnitts des ersten Klemmwerkzeugs gebildet. In einem Ruhezustand des ersten Klemmwerkzeugs sind der erste und der zweite Abschnitt des ersten Klemmwerkzeugs vorzugsweise in einem ersten Abstand voneinander angeordnet, der es ermöglicht, den ersten Abschnitt des Halbzeugs zwischen den an dem ersten und dem zweiten Abschnitt des ersten Klemmwerkzeugs ausgebildeten ersten Klemmflächen zu positionieren. In einem Klemmzustand des ersten Klemmwerkzeugs sind der erste und der zweite Abschnitt des ersten Klemmwerkzeugs dagegen vorzugsweise in einem zweiten Abstand voneinander angeordnet, der geringer ist als der erste Abstand, so dass der erste Abschnitt des Halbzeugs zwischen den ersten Klemmflächen des ersten Klemmwerkzeugs festgeklemmt wird. Grundsätzlich kann ein Abschnitt des ersten Klemmwerkzeugs starr fixiert und der andere Abschnitt des ersten Klemmwerkzeugs relativ zu dem starr fixierten Abschnitt bewegbar sein. Alternativ dazu ist es jedoch auch denkbar, das erste Klemmwerkzeug mit zwei relativ zueinander bewegbaren Abschnitten auszubilden, die sich in entgegengesetzte Richtungen aufeinander zu bewegen können, um den ersten Abschnitt des Halbzeugs zwischen den an den beiden Abschnitten des ersten Klemmwerkzeugs ausgebildeten ersten Klemmflächen festzuklemmen.
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Ein zweiter Abschnitt des Verstärkungsfasern enthaltenden Halbzeugs wird mittels einander gegenüberliegender erster Klemmflächen eines zweiten Klemmwerkzeugs mit einer senkrecht zu einer Oberfläche des zweiten Abschnitts des Halbzeugs gerichteten Klemmkraft beaufschlagt. Das zweite Klemmwerkzeug ist in einer Richtung parallel zu den Oberflächen des ersten und des zweiten Abschnitts des Halbzeugs in einem ersten Abstand von dem ersten Klemmwerkzeug angeordnet. Durch die von dem ersten und dem zweiten Klemmwerkzeug aufgebrachte Klemmkraft wird das Halbzeug in einer gewünschten Position gehalten.
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Ähnlich wie das erste Klemmwerkzeug kann auch das zweite Klemmwerkzeug einen ersten Abschnitt sowie einen dem ersten Abschnitt gegenüberliegenden zweiten Abschnitt umfassen. Die ersten Klemmflächen des zweiten Klemmwerkzeugs werden dann vorzugsweise durch zwei einander gegenüberliegende Oberflächen des ersten und des zweiten Abschnitts des zweiten Klemmwerkzeugs gebildet. In einem Ruhezustand des zweiten Klemmwerkzeugs sind der erste und der zweite Abschnitt des zweiten Klemmwerkzeugs vorzugsweise in einem ersten Abstand voneinander angeordnet, der es ermöglicht, den zweiten Abschnitt des Halbzeugs zwischen den an dem ersten und dem zweiten Abschnitt des zweiten Klemmwerkzeugs ausgebildeten ersten Klemmflächen zu positionieren. In einem Klemmzustand des zweiten Klemmwerkzeugs sind der erste und der zweite Abschnitt des zweiten Klemmwerkzeugs dagegen vorzugsweise in einem zweiten Abstand voneinander angeordnet, der geringer ist als der erste Abstand, so dass der zweite Abschnitt des Halbzeugs zwischen den ersten Klemmflächen des zweiten Klemmwerkzeugs festgeklemmt wird. Grundsätzlich kann ein Abschnitt des zweiten Klemmwerkzeugs starr fixiert und der andere Abschnitt des zweiten Klemmwerkzeugs relativ zu dem starr fixierten Abschnitt bewegbar sein. Alternativ dazu ist es jedoch auch denkbar, das zweite Klemmwerkzeug mit zwei relativ zueinander bewegbaren Abschnitten auszubilden, die sich in entgegengesetzte Richtungen aufeinander zu bewegen können, um den zweiten Abschnitt des Halbzeugs zwischen den an den beiden Abschnitten des zweiten Klemmwerkzeugs ausgebildeten ersten Klemmflächen festzuklemmen.
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Ein zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt liegender dritter Abschnitt des Halbzeugs wird mittels einer zwischen dem ersten und dem zweiten Klemmwerkzeugs angeordneten Formgebungseinrichtung derart verformt, dass im Bereich des dritten Abschnitts des Halbzeugs ein erster Teilabschnitt sowie ein dem ersten Teilabschnitt gegenüberliegender zweiter Teilabschnitt gebildet wird. Mit anderen Worten, die Verformungseinrichtung biegt bzw. faltet den dritten Abschnitt des Halbzeugs derart, dass im Bereich des dritten Abschnitts des Halbzeugs zwei einander gegenüberliegende und sich vorzugsweise im Wesentlichen parallel zueinander erstreckende verformte Teilabschnitte des Halbzeugs entstehen. In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird die Formgebungseinrichtung zum Verformen des dritten Abschnitts des Halbzeugs in eine Richtung senkrecht zu den Oberflächen des ersten und des zweiten Abschnitts des Halbzeugs bewegt, wodurch der dritte Abschnitt des Halbzeugs beispielsweise in eine U-Form gebracht werden kann.
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Während dieses Verformungsvorgangs wird der erste Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Klemmwerkzeug auf einen zweiten Abstand verringert, d. h. die beiden Klemmwerkzeuge werden einander angenähert. Insbesondere wird der Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Klemmwerkzeug derart verringert, dass es ermöglicht wird, das Halbzeug im Bereich seines dritten Abschnitts zu verformen, ohne die Dicke des Halbzeugs, d. h. die Abmessung des Halbzeugs in einer Richtung senkrecht zu seiner Oberfläche signifikant zu verringern. Dadurch wird gewährleistet, dass die mechanischen Eigenschaften des Halbzeugs bzw. eines schließlich aus dem Halbzeug gefertigten Bauteils durch den Verformungsprozess nicht über Gebühr beeinträchtigt werden. Die Verringerung des Abstands zwischen den beiden Klemmwerkzeugs kann bewerkstelligt werden, indem mindestens eines der Klemmwerkzeuge in die Richtung parallel zu den Oberflächen des ersten und des zweiten Abschnitts des Halbzeugs auf das andere Klemmwerkzeugs zu bewegt wird.
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Schließlich werden der erste und der zweite Teilabschnitt des Halbzeugs, die durch Verformen des dritten Abschnitts des Halbzeugs gebildet werden, mittels einer zweiten Klemmfläche des ersten Klemmwerkzeugs und einer der zweiten Klemmfläche des ersten Klemmwerkzeugs gegenüberliegenden zweiten Klemmfläche des zweiten Klemmwerkzeugs mit einer senkrecht Oberflächen des ersten und zweiten Teilabschnitts des Halbzeugs gerichteten Klemmkraft beaufschlagt. Durch die über die zweiten Klemmflächen der beiden Klemmwerkzeuge aufgebrachte Klemmkraft können die beiden Teilabschnitte des Halbzeugs gegeneinander gedrückt werden, so dass ein doppellagiger Halbzeugbereich entsteht.
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Wenn die Formgebungseinrichtung zum Verformen des dritten Abschnitts des Halbzeugs in eine Richtung senkrecht zu den Oberflächen des ersten und des zweiten Abschnitts des Halbzeugs bewegt wird, werden durch das Zusammenwirken der zweiten Klemmflächen der beiden Klemmwerkzeugs die beiden Schenkel des in eine U-Form gebrachten dritten Abschnitts des Halbzeugs gegeneinandergedrückt, so dass ein sich im Wesentlichen senkrecht zu den Oberflächen des ersten und des zweiten Abschnitts des Halbzeugs erstreckender doppellagiger Halbzeugbereich entsteht. Die zweite Klemmfläche des ersten Klemmwerkzeugs erstreckt sich dann vorzugsweise senkrecht zu der ersten Klemmfläche des ersten Klemmwerkzeugs. In ähnlicher Weise erstreckt sich die zweite Klemmfläche des zweiten Klemmwerkzeugs dann vorzugsweise senkrecht zu der ersten Klemmfläche des zweiten Klemmwerkzeugs.
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Das oben beschriebene Verfahren ermöglicht eine voll automatisierte Fertigung von Bauteilen gleichbleibend hoher Qualität aus faserverstärkten Verbundmaterialien. Ferner ermöglicht es das Verfahren, die Anzahl der zur Herstellung der Bauteile erforderlichen Herstellungsschritte zu verringern. Dadurch können der Zeitaufwand und folglich die Kosten für die Herstellung der Bauteile reduziert werden. Das Verfahren ist daher besonders gut zur Herstellung von Flugzeugstrukturbauteilen geeignet. Insbesondere kann das Verfahren in vorteilhafter Weise verwendet werden, um Spante, Stringer oder andere Strukturprofile einer Flugzeugprimärstruktur herzustellen.
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Grundsätzlich können bei dem Verfahren zur Fertigung eines Bauteils aus einem faserverstärkten Verbundmaterial lediglich zwei Klemmwerkzeuge und eine Formgebungseinrichtung zum Einsatz kommen. Vorzugsweise wird das Verfahren jedoch unter Verwendung einer Mehrzahl von Klemmwerkzeuge und einer Mehrzahl von Formgebungseinrichtungen durchgeführt. Mittels des Verfahrens können dann aus einem einzigen entsprechend dimensionierten und damit kostengünstiger als mehrere kleiner dimensionierte Halbzeuge herstellbaren Halbzeug gleichzeitig mehrere Bauteile voll automatisiert und mit gleichbleibend hoher Qualität gefertigt werden. Das Verfahren zeichnet sich dann durch eine besonders hohe Effizienz aus.
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Das Halbzeug kann beispielsweise plattenförmig ausgebildet sein. Ein in Form eines Faser-Prepregs ausgebildetes Halbzeug kann dann beispielsweise mit entsprechenden Abmessungen auf effiziente Weise in einer Bandlaminierungsmaschine gefertigt werden. Vor seiner Verformung ist das Halbzeug vorzugsweise auf einem Halbzeugbett beweglich gelagert, wobei das Halbzeug auf dem Halbzeugbett, je nach Bedarf, beispielsweise rollend oder gleitend gelagert sein kann. Das Halbzeug kann dann auf dem Halbzeugbett auf einfache Weise in eine gewünschte Position gebracht werden, bevor es durch das Zusammenwirken der ersten Klemmflächen der ersten und zweiten Klemmwerkzeuge in seiner Position fixiert wird.
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Die ersten Klemmflächen des ersten und des zweiten Klemmwerkzeugs können sich im Wesentlichen parallel zu einer Längsachse eines aus dem Halbzeug zu fertigenden Bauteils erstrecken. Zusätzlich oder alternativ dazu kann sich auch die Formgebungseinrichtung im Wesentlichen parallel zu einer Längsachse eines aus dem Halbzeug zu fertigenden Bauteils erstrecken. Aus dem Halbzeug können dann besonders gut langgestreckte Strukturprofile, beispielweise als Primärstrukturbauteil in einem Flugzeug einsetzbaren Spante, Stringer oder dergleichen gefertigt werden.
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Die Formgebungseinrichtung ist vorzugsweise in Form eines Stabs ausgebildet. Ferner kann die Formgebungseinrichtung im Bereich ihrer entlang einer Längsachse der Formgebungseinrichtung entgegengesetzten Enden beweglich gelagert sein. Insbesondere kann die Formgebungseinrichtung im Bereich ihrer Enden derart gelagert sein, dass die Formgebungseinrichtung eine geführte Bewegung in eine Richtung senkrecht zu einer Oberfläche des dritten Abschnitts des Halbzeugs ausführen kann. Der dritte Abschnitt des Halbzeugs kann dann durch eine geführte Bewegung der Formgebungseinrichtung in eine Richtung senkrecht zur Oberfläche des dritten Abschnitts des Halbzeugs verformt werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens zur Fertigung v eines Bauteils aus einem faserverstärkten Verbundmaterial wird die Formgebungseinrichtung bei der Verringerung des ersten Abstands zwischen dem ersten und dem zweiten Klemmwerkzeug auf den geringeren zweiten Abstand durch Bewegen mindestens eines Klemmwerkzeugs in die Richtung parallel zu den Oberflächen des ersten und des zweiten Abschnitts des Halbzeugs in die Richtung parallel zu den Oberflächen des ersten und des zweiten Abschnitts des Halbzeugs mitbewegt. Die Formgebungseinrichtung führt dann in die Richtung parallel zu den Oberflächen des ersten und des zweiten Abschnitts des Halbzeugs keine geführte Bewegung aus. Vielmehr ist die Formgebungseinrichtung in dieser Richtung vorzugsweise lediglich frei beweglich gelagert, so dass die Formgebungseinrichtung bei der Bewegung des mindestens einen Klemmwerkzeugs in die Richtung parallel zu den Oberflächen des ersten und des zweiten Abschnitts des Halbzeugs synchron mitgeführt werden kann.
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Das Halbzeug kann vor und/oder während der Verformung des dritten Abschnitts des Halbzeugs mittels einer Heizeinrichtung zumindest im Bereich seines dritten Abschnitts beheizt werden. Die Heizeinrichtung wird vorzugsweise so gesteuert, dass keine Aushärtung des in dem Halbzeug enthaltenen Kunststoffmaterials stattfindet, sondern vielmehr die Viskosität des in dem Halbzeug enthaltenen Kunststoffmaterials erniedrigt wird. Dadurch kann das Halbzeug leichter verformt werden. Die Heizeinrichtung kann beispielsweise eine als Heizstrahler, insbesondere Infrarotstrahler ausgebildete Wärmequelle oder eine andere geeignete Wärmequelle umfassen. Alternativ oder zusätzlich dazu kann die Heizeinrichtung einen Heizkanal umfassen, der in der Formgebungseinrichtung ausgebildet ist und von einem erwärmten Fluid durchströmbar ist.
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Bei der Verformung des dritten Abschnitts des Halbzeugs wird vorzugsweise ein zwischen dem ersten und dem zweiten Teilabschnitt liegender und mit der Formgebungseinrichtung in Kontakt stehender Zwischenabschnitt gebildet. Wenn der Zwischenabschnitt des Halbzeugs durch eine beispielsweise in Form eines Stabs ausgebildete Formgebungseinrichtung in eine U-Form gebracht wird, wird der Zwischenabschnitt vorzugsweise durch einen zwischen den Schenkeln der U-Form liegenden, gebogenen und auf der Formgebungseinrichtung aufliegenden Bereich des dritten Abschnitts des Halbzeugs gebildet. Nach dem Beaufschlagen des ersten und des zweiten Teilabschnitts des Halbzeugs mit einer senkrecht zu den Oberflächen des ersten und des zweiten Teilabschnitts des Halbzeugs gerichteten Klemmkraft mittels der zweiten Klemmfläche des ersten Klemmwerkzeugs und der der zweiten Klemmfläche des ersten Klemmwerkzeugs gegenüberliegenden zweiten Klemmfläche des zweiten Klemmwerkzeugs wird der Zwischenabschnitt vorzugsweise mittels einer Schneidvorrichtung von dem ersten und dem zweiten Teilabschnitt getrennt. Der Zwischenabschnitt kann dann von der Formgebungseinrichtung gelöst und entsorgt oder anderweitig verwendet werden. Bei der Schneidvorrichtung kann es sich beispielsweise um eine Ultraschall-Schneidvorrichtung handeln.
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Schließlich kann das Halbzeug nach dem Beaufschlagen des ersten und des zweiten Teilabschnitts des Halbzeugs mit einer senkrecht zu den Oberflächen des ersten und des zweiten Teilabschnitts des Halbzeugs gerichteten Klemmkraft mittels der zweiten Klemmfläche des ersten Klemmwerkzeugs und der der zweiten Klemmfläche des ersten Klemmwerkzeugs gegenüberliegenden zweiten Klemmfläche des zweiten Klemmwerkzeugs mittels einer Schneidvorrichtung im Wesentlichen parallel zu einer Längsachse eines aus dem Halbzeug zu fertigenden Bauteils in eine gewünschte Form geschnitten werden. Es kann lediglich eine Schneidvorrichtung zum Trennen des Zwischenabschnitts von dem ersten und dem zweiten Teilabschnitt und zum Schneiden des Halbzeugs im Wesentlichen parallel zu einer Längsachse des zu fertigenden Bauteils verwendet werden. Falls gewünscht, können für diese Zwecke jedoch auch verschiedene Schneidvorrichtungen zum Einsatz kommen.
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Eine Vorrichtung zur Fertigung eines Bauteils aus einem faserverstärkten Verbundmaterial umfasst ein erstes Klemmwerkzeug, das dazu eingerichtet ist, mittels einander gegenüberliegender erster Klemmflächen einen ersten Abschnitt eines Verstärkungsfasern enthaltenden Halbzeugs mit einer senkrecht zu einer Oberfläche des ersten Abschnitts des Halbzeugs gerichteten Klemmkraft zu beaufschlagen. Ferner umfasst die Vorrichtung ein zweites Klemmwerkzeugs, das dazu eingerichtet ist, mittels einander gegenüberliegender erster Klemmflächen einen zweiten Abschnitt des Verstärkungsfasern enthaltenden Halbzeugs mittels einer senkrecht zu einer Oberfläche des zweiten Abschnitts des Halbzeugs gerichteten Klemmkraft zu beaufschlagen. Das zweite Klemmwerkzeug ist in einer Richtung parallel zu den Oberflächen des ersten und des zweiten Abschnitts des Halbzeugs in einem ersten Abstand von dem ersten Klemmwerkzeug angeordnet.
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Eine zwischen dem ersten und dem zweiten Klemmwerkzeug angeordnete Formgebungseinrichtung der Vorrichtung ist dazu eingerichtet, einen zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt liegenden dritten Abschnitt des Halbzeugs zur Bildung eines ersten Teilabschnitts und eines dem ersten Teilabschnitt gegenüberliegenden zweiten Teilabschnitts zu verformen. Schließlich umfasst die Vorrichtung eine Steuereinrichtung, die dazu eingerichtet ist, den Betrieb des ersten und des zweiten Klemmwerkzeugs derart zu steuern, dass durch Bewegen mindestens eines Klemmwerkzeugs in die Richtung parallel zu den Oberflächen des ersten und des zweiten Abschnitts des Halbzeugs der erste Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Klemmwerkzeug auf einen zweiten Abstand verringert wird und der erste und der zweite Teilabschnitt des Halbzeugs mittels einer zweiten Klemmfläche des ersten Klemmwerkzeugs und einer der zweiten Klemmfläche des ersten Klemmwerkzeugs gegenüberliegenden zweiten Klemmfläche des zweiten Klemmwerkzeugs mit einer senkrecht zu Oberflächen des ersten und des zweiten Teilabschnitts des Halbzeugs gerichteten Klemmkraft beaufschlagt werden.
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Die Vorrichtung umfasst vorzugsweise ferner ein Halbzeugbett, das dazu eingerichtet ist, das vor seiner Verformung insbesondere plattenförmig ausgebildete Halbzeug beweglich zu lagern. Die ersten Klemmflächen des ersten und des zweiten Klemmwerkzeugs und/oder die Formgebungseinrichtung können sich im Wesentlichen parallel zu einer Längsachse eines aus dem Halbzeug zu fertigenden Bauteils erstrecken.
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Die Formgebungseinrichtung kann in Form eines Stabs ausgebildet sein. Ferner kann die Formgebungseinrichtung im Bereich ihrer Enden beweglich gelagert sein. Schließlich kann die Formgebungseinrichtung dazu eingerichtet sein, den dritten Abschnitt des Halbzeugs durch eine geführte Bewegung in eine Richtung senkrecht zu einer Oberfläche des dritten Abschnitts des Halbzeugs zu verformen.
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Die Formgebungseinrichtung der Vorrichtung kann ferner dazu eingerichtet sein, bei der Verringerung des ersten Abstands zwischen dem ersten und dem zweiten Klemmwerkzeug auf den zweiten Abstand durch Bewegen mindestens eines Klemmwerkzeugs in die Richtung parallel zu den Oberflächen des ersten und des zweiten Abschnitts des Halbzeugs in die Richtung parallel zu den Oberflächen des ersten und des zweiten Abschnitts des Halbzeugs mitbewegt zu werden.
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Die Vorrichtung kann ferner eine Heizeinrichtung umfassen, die dazu eingerichtet sein kann, das Halbzeug vor und/oder während der Verformung des dritten Abschnitts des Halbzeugs zumindest im Bereich seines dritten Abschnitts zu beheizen. Die Heizeinrichtung kann einen Heizstrahler umfassen. Zusätzlich oder alternativ dazu kann die Heizeinrichtung einen in der Formgebungseinrichtung ausgebildeten Heizkanal umfassen, der von einem erwärmten Fluid durchströmbar ist.
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Die Vorrichtung ist vorzugsweise mit einer Schneidvorrichtung ausgestattet, die dazu eingerichtet ist, nach dem Beaufschlagen des ersten und des zweiten Teilabschnitts des Halbzeugs mit einer senkrecht zu Oberflächen des ersten und des zweiten Teilabschnitts des Halbzeugs gerichteten Klemmkraft einen zwischen dem ersten und dem zweiten Teilabschnitt liegenden und mit der Formgebungseinrichtung in Kontakt stehenden Zwischenabschnitt, der bei der Verformung des dritten Abschnitts des Halbzeugs gebildet wird, von dem ersten und dem zweiten Teilabschnitt zu trennen.
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Schließlich kann die Vorrichtung eine Schneidvorrichtung umfassen, die dazu eingerichtet ist, das Halbzeug nach dem Beaufschlagen des ersten und des zweiten Teilabschnitts des Halbzeugs mit einer senkrecht zu Oberflächen des ersten und des zweiten Teilabschnitts des Halbzeugs gerichteten Klemmkraft im Wesentlichen parallel zu einer Längsachse eines aus dem Halbzeug zu fertigenden Bauteils in eine gewünschte Form zu schneiden.
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Das oben beschriebene Verfahren und/oder die oben beschriebene Vorrichtung kann/können zur Herstellung eines Flugzeugstrukturbauteils, insbesondere eines Stringers verwendet werden.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nun mit Bezugnahme auf die beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert, von denen
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1a bis f eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Fertigung eines Bauteils aus einem faserverstärkten Verbundmaterial in einem ersten Betriebszustand veranschaulichen.
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In den 1a bis f ist eine Vorrichtung 10 zur Fertigung eines Bauteils aus einem faserverstärkten Verbundmaterial veranschaulicht. Die Vorrichtung 10 umfasst ein Halbzeugbett 12, das es ermöglicht, ein Halbzeug 14, das in dem in den Figuren veranschaulichten Ausführungsbeispiel plattenförmig ausgebildet ist, in eine Richtung parallel zu einer Oberfläche des Halbzeugs 14 gleitend beweglich zu lagern. Bei dem in den Figuren gezeigten beispielhaften Halbzeug 14 handelt es sich um ein Faser-Prepreg, das ein Gewebe oder Gelege aus Verstärkungsfasern, insbesondere Kohlenstofffasern, umfasst, die mit einer Oberflächenschicht aus einem aushärtbaren Kunststoffmaterial, insbesondere einem Epoxidharz versehen sind.
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Die Vorrichtung 10 umfasst ferner ein erstes Klemmwerkzeug 16 mit einem ersten Abschnitt 16a und einem zweitem Abschnitt 16b. An dem ersten und dem zweiten Abschnitt 16a, 16b des ersten Klemmwerkzeugs 16 ist jeweils eine erste Klemmfläche 18a, 18b ausgebildet. Die ersten Klemmflächen 18a, 18b des ersten Klemmwerkzeugs 16 liegen einander gegenüber und erstrecken sich im Wesentlichen parallel zu einer Oberfläche eines ersten Abschnitts 14a des Halbzeugs 14. Ferner ist ein zweites Klemmwerkzeug 20 vorgesehen, das ebenfalls einen ersten Abschnitt 20a und einen zweiten Abschnitt 20b aufweist. An dem ersten und dem zweiten Abschnitt 20a, 20b des zweiten Klemmwerkzeugs Ziffer 20 ist jeweils eine erste Klemmfläche 22a, 22b ausgebildet. Die ersten Klemmflächen 22a, 22b des zweiten Klemmwerkzeugs 20 liegen einander gegenüber und erstrecken sich im Wesentlichen parallel zu einer Oberfläche eines zweiten Abschnitts 14b des Halbzeugs 14. In dem in 1a gezeigten Betriebszustand der Vorrichtung 10 ist das zweite Klemmwerkzeug 20 in einem ersten Abstand A von dem ersten Klemmwerkzeug 16 angeordnet. Ein dritter Abschnitt 14c des Halbzeugs 14 erstreckt sich daher freiliegend zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt 14a, 14b des Halbzeugs 14.
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Schließlich umfasst die Vorrichtung 10 in dem in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiel ein drittes Klemmwerkzeug 24. Auch das dritte Klemmwerkzeug 24 umfasst einen ersten und einen zweiten Abschnitt 24a, 24b, an denen jeweils eine erste Klemmfläche 26a, 26b ausgebildet ist. Die ersten Klemmflächen 26a, 26b des dritten Klemmwerkzeugs 24 liegen einander gegenüber und erstrecken sich im Wesentlichen parallel zu einer Oberfläche eines vierten Abschnitts 14d des Halbzeugs 14. Ähnlich wie das zweite Klemmwerkzeug 20, ist auch das dritte Klemmwerkzeug 24 in dem in 1a gezeigten Betriebszustand der Vorrichtung 10 in einem ersten Abstand A von dem ersten Klemmwerkzeug 16 angeordnet. Ein fünfter Abschnitt 14e des Halbzeugs 14 erstreckt sich daher freiliegend zwischen dem ersten und dem vierten Abschnitt 14a, 14c des Halbzeugs 14.
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Die ersten und zweiten Abschnitte 16a, 16b, 20a, 20b, 24a, 24b der Klemmwerkzeuge 16, 20, 24 sind jeweils relativ zueinander in entgegengesetzte Richtungen im Wesentlichen senkrecht zu den Oberflächen des ersten, des zweiten und des vierten Abschnitts 14a, 14b, 14b des Halbzeugs 14 beweglich. In einem Ruhezustand des ersten, des zweiten und des dritten Klemmwerkzeugs 16, 20, 24 sind die jeweiligen ersten und zweiten Abschnitte 16a, 16b, 20a, 20b, 24a, 24b der Klemmwerkzeuge 16, 20, 24 in einem ersten Abstand voneinander angeordnet, der es ermöglicht, die entsprechenden Abschnitte 14a, 14b, 14d des Halbzeugs 14 zwischen den ersten Klemmflächen 18a, 18b, 22a, 22b, 26a, 26b der Klemmwerkzeuge 16, 20, 24 zu positionieren. In einem in 1a veranschaulichten Klemmzustand der Klemmwerkzeuge 16, 20, 24 sind die jeweiligen ersten und zweiten Abschnitte 16a, 16b, 20a, 20b, 24a, 24b der Klemmwerkzeuge 16, 20, 24 dagegen in einem zweiten Abstand voneinander angeordnet, der geringer ist als der erste Abstand, so dass die ersten Klemmflächen 18a, 18b, 22a, 22b, 26a, 26b der Klemmwerkzeuge 16, 20, 24 die Abschnitte 14a, 14b, 14d des Halbzeugs 14 jeweils mit einer senkrecht zu den Oberflächen der Abschnitte 14a, 14b, 14d des Halbzeugs 14 gerichteten Klemmkraft FK1, FK2, FK3 beaufschlagen. Dadurch wird das Halbzeug 14 in einer gewünschten Position auf dem Halbzeugbett 12 gehalten.
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Die Vorrichtung 10 umfasst ferner eine erste Formgebungseinrichtung 28, die zwischen dem ersten und dem zweiten Klemmwerkzeug 16, 20 angeordnet ist. Eine zweite Formgebungseinrichtung 30 ist zwischen dem ersten und dem dritten Klemmwerkzeug 16, 24 positioniert. Die erste und die zweite Formgebungseinrichtung 28, 30 sind in Form eines Hohlstabs ausgebildet, der sich, ähnlich wie die ersten Klemmflächen 18a, 18b, 22a, 22b, 26a, 26b der Klemmwerkzeuge 16, 20, 24, im Wesentlichen parallel zu einer Längsachse eines aus dem Halbzeug 14 zu fertigenden Bauteils erstreckt. Ferner sind die erste und die zweite Formgebungseinrichtung 28, 30 im Bereich ihrer Enden beweglich gelagert.
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Schließlich umfasst die Vorrichtung 10 eine Heizeinrichtung 32, die es ermöglicht, das Halbzeug 14 im Bereich seines dritten und seines fünften Abschnitts 14c, 14e zu beheizen. Die Heizeinrichtung 32 umfasst eine Mehrzahl von als Infrarotstrahler ausgebildete Heizstrahler 34, die, wie in 1b veranschaulicht, Strahlungswärme an den dritten und fünften Abschnitt 14c, 14e des Halbzeugs 14 abgeben. Ferner umfasst die Heizeinrichtung 32 in der ersten und der zweiten Formgebungseinrichtung 28, 30 ausgebildete Heizkanäle 36, 38, die jeweils von einem erwärmten Fluid durchströmt werden. Der Betrieb Heizeinrichtung 32 wird so gesteuert, dass keine Aushärtung des in dem Halbzeug 14 enthaltenen Kunststoffmaterials stattfindet, sondern vielmehr die Viskosität des in dem Halbzeug 14 enthaltenen Kunststoffmaterials erniedrigt wird. Dadurch kann das Halbzeug 14, wie im Folgenden erläutert, leichter verformt werden.
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Wie aus den 1c und 1d ersichtlich wird, wird im Betrieb der Vorrichtung 10, der mittels einer Steuereinrichtung 39 gesteuert wird, der dritte Abschnitt 14c des Halbzeugs 14 mittels der ersten Formgebungseinrichtung 28 verformt, um einen ersten Teilabschnitt 14ca und einen dem ersten Teilabschnitt 14ca gegenüberliegenden zweiten Teilabschnitt 14cb zu bilden. Hierzu führt die erste Formgebungseinrichtung 28 eine geführte Bewegung in eine Richtung senkrecht zu einer Oberfläche des dritten Abschnitts 14c des Halbzeugs 14 aus. In dem in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiel wird die erste Formgebungseinrichtung 28 in vertikaler Richtung nach oben bewegt. Entsprechend wird der fünfte Abschnitt 14e des Halbzeugs 14 mittels der zweiten Formgebungseinrichtung 30 verformt, um einen dritten Teilabschnitt 14ea und einen dem dritten Teilabschnitt 14ea gegenüberliegenden vierten Teilabschnitt 14eb zu bilden. Hierzu führt die zweite Formgebungseinrichtung 30 eine geführte Bewegung in eine Richtung senkrecht zu einer Oberfläche des fünften Abschnitts 14e des Halbzeugs 14 aus, d. h. die zweite Formgebungseinrichtung 30 wird, ebenso wie die erste Formgebungseinrichtung 28, in dem in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiel in vertikaler Richtung nach oben bewegt.
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Synchron mit der Bewegung der ersten Formgebungseinrichtung 28 zur Verformung des dritten Abschnitts 14c des Halbzeugs 14 wird der erste Abstand A zwischen dem ersten und dem zweiten Klemmwerkzeug 16, 20 durch Bewegen des zweiten Klemmwerkzeugs 20 in die Richtung parallel zu den Oberflächen des ersten und des zweiten Abschnitts 14a, 14b des Halbzeugs 14 auf das erste Klemmwerkzeug 16 zu auf einen zweiten Abstand a verringert, siehe 1d und 1e. In ähnlicher Weise wird synchron mit der Bewegung der zweiten Formgebungseinrichtung 30 zur Verformung des fünften Abschnitts 14e des Halbzeugs 14 der erste Abstand A zwischen dem ersten und dem dritten Klemmwerkzeug 16, 24 durch Bewegen des ersten Klemmwerkzeugs 16 in die Richtung parallel zu den Oberflächen des ersten und des vierten Abschnitts 14a, 14d des Halbzeugs 14 auf das in der Richtung parallel zu den Oberflächen des ersten und des vierten Abschnitts 14a, 14d des Halbzeugs 14 starr gelagerte dritte Klemmwerkzeug 24 zu auf einen zweiten Abstand a verringert. Dadurch wird sichergestellt, dass die Dicke des Halbzeugs 14 im Bereich seines dritten und fünften Abschnitts 14c, 14e trotz der Verformung mittels der ersten und der zweiten Formgebungseinrichtung 28, 30 im Wesentlichen konstant bleibt.
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Die erste Formgebungseinrichtung 28 wird bei der Verringerung des ersten Abstands A zwischen dem ersten und dem zweiten Klemmwerkzeug 16, 20 auf den zweiten Abstand a aufgrund ihrer in die Richtung parallel zu den Oberflächen des ersten und des zweiten Abschnitts 14a, 14b des Halbzeugs 14 frei beweglichen Lagerung mit der Bewegung des zweiten Klemmwerkzeugs 20 auf das erste Klemmwerkzeug 16 zu mitbewegt. In ähnlicher Weise wird die zweite Formgebungseinrichtung 30 bei der Verringerung des ersten Abstands A zwischen dem ersten und dem dritten Klemmwerkzeug 16, 24 auf den zweiten Abstand a aufgrund ihrer in die Richtung parallel zu den Oberflächen des ersten und des zweiten Abschnitts 14a, 14b des Halbzeugs 14 frei beweglichen Lagerung mit der Bewegung des ersten Klemmwerkzeugs 16 auf das dritte Klemmwerkzeug 24 zu mitbewegt.
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Sobald der Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Klemmwerkzeug 16, 20 auf den zweiten Abstand a reduziert worden ist, werden der erste und der zweite Teilabschnitt 14ca, 14cb des Halbzeugs 14 mittels einer zweiten Klemmfläche 40 des ersten Klemmwerkzeugs 16 und einer der zweiten Klemmfläche 40 des ersten Klemmwerkzeugs 16 gegenüberliegenden zweiten Klemmfläche 42 des zweiten Klemmwerkzeugs 20 mit einer senkrecht zu den Oberflächen des ersten und des zweiten Teilabschnitts 14ca, 14cb des Halbzeugs 14 gerichteten Klemmkraft FKT beaufschlagt. Dadurch werden der erste und der zweite Teilabschnitt 14ca, 14cb des Halbzeugs 14 gegeneinandergedrückt, so dass im Bereich des dritten Abschnitts 14c des Halbzeugs 14 ein sich im Wesentlichen senkrecht zu dem ersten und dem zweiten Abschnitt 14a, 14b des Halbzeugs 14 erstreckender doppellagiger Halbzeugbereich entsteht.
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In ähnlicher Weise werden der dritte und der vierte Teilabschnitt 14ea, 14eb des Halbzeugs 14 mittels einer dritten Klemmfläche 44 des ersten Klemmwerkzeugs 16 und einer der dritten Klemmfläche 44 des ersten Klemmwerkzeugs 16 gegenüberliegenden zweiten Klemmfläche 46 des dritten Klemmwerkzeugs 24 mit einer senkrecht zu den Oberflächen des dritten und des vierten Teilabschnitts 14ea, 14eb des Halbzeugs 14 gerichteten Klemmkraft FKT beaufschlagt, um im Bereich des fünften Abschnitts 14e des Halbzeugs 14 einen sich im Wesentlichen senkrecht zu dem ersten und dem vierten Abschnitt 14a, 14d des Halbzeugs erstreckenden doppellagigen Halbzeugbereich zu bilden.
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Durch die in den Figuren gezeigte beispielhafte Vorrichtung 10 wird der dritte Abschnitt 14c des Halbzeugs 14 U-förmig verformt, wobei der erste und der zweite Teilabschnitt 14ca, 14cb des Halbzeugs 14 die Schenkel der U-Form definieren. Ferner entsteht ein zwischen dem ersten und dem zweiten Teilabschnitt 14ca, 14cb liegender und mit der ersten Formgebungseinrichtung 28 in Kontakt stehender Zwischenabschnitt 14cc. In ähnlicher Weise wird der fünfte Abschnitt 14e des Halbzeugs 14 U-förmig verformt, wobei der dritte und der vierte Teilabschnitt 14ea, 14eb des Halbzeugs 14 die Schenkel der U-Form definieren und ein weiterer Zwischenabschnitt 14ec entsteht, der zwischen dem dritten und dem vierten Teilabschnitt 14ea, 14eb angeordnet ist und mit der zweiten Formgebungseinrichtung 30 in Kontakt steht.
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Nach dem Beaufschlagen des ersten und des zweiten Teilabschnitts 14ca, 14cb des Halbzeugs 14 mit einer senkrecht zu den Oberflächen des ersten und des zweiten Teilabschnitts 14cb, 14cb gerichteten Klemmkraft wird der Zwischenabschnitt 14cc vorzugsweise mittels einer in Form einer Ultraschall-Schneidvorrichtung ausgebildeten Schneidvorrichtung 48 von dem ersten und dem zweiten Teilabschnitt 14cb, 14cb getrennt, siehe 1f. In ähnlicher Weise wird nach dem Beaufschlagen des dritten und des vierten Teilabschnitts 14ea, 14eb des Halbzeugs 14 mit einer senkrecht zu den Oberflächen des dritten und des vierten Teilabschnitts 14ea, 14eb gerichteten Klemmkraft der weitere zwischen Abschnitt 14ec mittels der Schneidvorrichtung 48 von dem dritten und dem vierten Teilabschnitt 14ea, 14eb getrennt. Der Zwischenabschnitt 14cc und der weitere Zwischenabschnitt 14ec können dann von der ersten bzw. zweiten Formgebungseinrichtung 28, 30 gelöst und entsorgt oder anderweitig verwendet werden.
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Schließlich wird das Halbzeug 14 noch mittels der Schneidvorrichtung 48 im Wesentlichen parallel zu einer Längsachse eines aus dem Halbzeug 14 zu fertigenden Bauteils in eine gewünschte Form geschnitten. In der in den Figuren gezeigten Anordnung werden diese Schnitte nach dem Lösen der von den Klemmwerkzeugen 16, 20, 24 aufgebrachte Klemmkräfte im Bereich des ersten, zweiten und vierten Abschnitts 14a, 14b, 14d des Halbzeugs 14 ausgeführt, um das Halbzeug 14 in entsprechende Teilhalbzeuge zu unterteilen, die dann schließlich durch Aushärten des in Teilhalbzeugen enthaltenden Kunststoffmaterials zu Flugzeugstrukturbauteilen, insbesondere Stringern weiterverarbeitet werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007062111 A1 [0002]
- DE 102004001078 A1 [0002]
- CN 100418850 [0002]
- EP 1819503 B1 [0004, 0005]
