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Die Erfindung betrifft die Herstellung von Faserverbundbauteilen. Bei Leichtbaukonstruktionen werden häufig tragende Schalenbauteile eingesetzt. Solche Schalenbauteile spielen beispielsweise im Flugzeugbau eine wichtige Rolle. Weiterhin finden tragende Schalenbauteile aus Faserverbundwerkstoffen auch bei Rotorblättern für Windkraftanlagen, bei Raketen, bei Bootsrümpfen oder bei Fahrzeugkarosserien Verwendung.
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Ein typisches Problem bei der Konstruktion solcher Schalenbauteile ist die Gewährleistung einer ausreichenden Beulsteifigkeit. Aluminium-Schalenbauteile werden traditionell mit so genannten Stringern versteift. Bei Faserverbund-Schalenbauteilen werden oft Sandwichkonstruktionen mit einem leichten, druckstabilen Kern verwendet. Bei Flugzeugen der kommerziellen Luftfahrt und bei Militärflugzeugen findet man sowohl Stringerversteifungen als auch Sandwichkonstruktionen.
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Häufig, beispielsweise im Kleinflugzeugbau, erfolgt die Herstellung solcher Schalenbauteile auch heute noch im arbeitsintensiven Handlaminierverfahren. Der hohe Anteil an Handarbeit bei diesem Verfahren erschwert eine Automatisierung und hat gleichzeitig lange Zykluszeiten zur Folge. Darüber hinaus genügt es oft nicht mehr den modernen Anforderungen an Prozesssicherheit und Reproduzierbarkeit. Es wird somit hauptsächlich für Prototypen und Kleinserien eingesetzt.
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Im Großflugzeugbau erfolgt die Herstellung von Schalenbauteilen meist unter Verwendung von Prepregs in Kombination mit Autoklav-Verfahren. Hierbei sind die Handhabung und Lagerung der Faser-Halbzeuge sowie die Anschaffungskosten der benötigten Werkzeuge und Autoklaven ausschlaggebend. Damit ist dieses Verfahren meist nur in Großserien anzutreffen.
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Einen Kompromiss zwischen der arbeitsintensiven Hand-/Nasslaminiertechnik und der ausrüstungsintensiven Prepregtechnik bieten die seit einigen Jahren erforschten Harzinfusionsverfahren. Bei diesen Verfahren wird das flüssige Kunstharz in einen fertigen, trockenen und vakuumierten Lagenaufbau aus Verstärkungsfasern und Hilfsstoffen infusioniert. Als Hilfsmittel werden hierbei Lagen aus Abreißgewebe, Fließhilfe und Absaugfolie eingesetzt und nach dem Entformen des Bauteils entsorgt. Derzeit gibt es, insbesondere bei einem trockenen Lagenaufbau, Optimierungspotenzial für die Harzinfusion.
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Wenn zur Herstellung von Schalenbauteilen Negativformen eingesetzt werden, die eine konkave Wölbung und/oder steile und senkrechte Flächen oder eine sonstige komplexe Geometrie aufweisen, bereitet das präzise Einlegen der einzelnen Faserhalbzeuglagen regelmäßig Probleme. Beispielsweise können die Faserhalbzeuglagen oder die Kernverstärkungen verrutschen, oder sie fallen von steilen Flächen nach innen in tiefer liegende Bereiche der Negativform. Besonders ausgeprägt sind diese Probleme bei der Verwendung trockener Faserhalbzeuglagen. Oft wird versucht, diesen Problemen durch den Einsatz chemischer oder mechanischer Fixierhilfen zu begegnen.
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Mechanisch oder mit chemischen Bindern fixierte Vorformlinge, die eine oder mehr Faserlagen aufweisen, werden auch als textile Preforms bezeichnet. Dabei handelt es sich um Faserhalbzeuge, die miteinander vernäht, verflochten oder auf ein Trägermaterial aufgestickt sein können. Die im Bauteil verbleibenden Näh- und Stickfäden können allerdings die Faser- und Bauteilqualität beeinträchtigen. Außerdem ist die Fertigung solcher Preforms mit zusätzlichen Arbeitsschritten und einem hohen Zeitaufwand verbunden, der nur bei größeren Serien zu rechtfertigen ist.
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Bei den chemischen Fixierhilfen kann es sich beispielsweise um Klebstoffe oder Dickharzansammlungen handeln, die während des Legeprozesses in mehr oder weniger genau definierten Mengen in das Bauteil eingebracht werden und dort verbleiben. Diese Form der Fixierhilfe wird meist bei Prototypen und Kleinserien verwendet.
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Der Einfluss dieser chemischen Fixierhilfen auf die Bauteilqualität ist abschließend nicht vollständig geklärt bzw. muss gesondert nachgewiesen werden, was insbesondere bei zulassungsrelevanten Anwendungen wie beispielsweise im Flugzeugbau zu bedenken ist.
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Die genannten Fixierhilfen werden neben der Befestigung von Faserlagen aneinander auch für Fixierung von Sandwichkernen an den Faserlagen verwendet. So können Sandwichkerne in Faserlagen eingenäht werden, von Faserlagen umflochten werden, oder mittels eines Sprühklebers auf Verstärkungslagen aufgeklebt werden. Auch hierbei können die bereits erläuterten Probleme auftreten.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einfach handhabbare Verfahren zur präzisen Positionierung von Faserhalbzeugen und optional auch von Sandwichkernen sowie zur Herstellung eines Faserverbundbauteils bereitzustellen. Diese Aufgaben werden durch Verfahren gemäß den Patentansprüchen 1 bzw. 12 erfüllt. Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Ein erster Aspekt betrifft ein Verfahren, bei dem eine Hilfsschichtfolge, die zumindest eine Absaugfolie aufweist, auf eine Auflagefläche einer Legehilfe aufgelegt wird. Auf die aufgelegte Hilfsschichtfolge wird zumindest eine Faserhalbzeuglage aufgelegt. Auf die zumindest eine aufgelegte Faserhalbzeuglage wird eine Negativform aufgelegt, so dass die zumindest eine aufgelegte Faserhalbzeuglage zwischen der Absaugfolie und der Negativform angeordnet ist. Durch Evakuieren eines Bereichs zwischen der Absaugfolie und der Negativform wird ein evakuierter Zustand erzeugt, so dass die zumindest eine Faserhalbzeuglage durch die Absaugfolie gegen die Negativform gepresst wird.
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Ein zweiter Aspekt betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundbauteils. Hierzu wird ein Verfahren gemäß dem ersten Aspekt durchgeführt, und die zumindest eine Faserhalbzeuglage wird mittels eines Harzinfusionsverfahrens in ein Harz eingebettet. Nachfolgend wird das Harz ausgehärtet.
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Die Erfindung bedient sich einer Legehilfe, um das Ablegen insbesondere von trockenen aber auch von nicht-trockenen Faserhalbzeuglagen sowie weiterer Bestandteile eines zu fertigenden Faserverbundbauteils zu erleichtern und relativ zueinander zu fixieren. Durch die Verwendung der Legehilfe wird das Verrutschen der trockenen Faserlagen oder Sandwichkerne vermieden. Diese Legehilfe erlaubt sowohl das Ablegen einzelner Faserhalbzeuglagen, als auch die präzise Positionierung von Sandwichkernen als Kernverstärkungen in Sandwichstrukturen. Bei Einsatz der Fertigungsmethode kann auf Verwendung von mechanischen oder chemischen Fixierhilfen verzichtet werden. Die Fixierung kann unter anderem erfolgen, um die Faserhalbzeuglage(n) und soweit vorgesehen die Sandwichkerne in ein Harz einzubetten und das Harz danach auszuhärten. Hierzu eignet sich insbesondere das an sich bekannte Verfahren der Harzinfusion.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale.
- 1 veranschaulicht einen Teil eines Verfahrens zur Positionierung zumindest einer Faserhalbzeuglage auf einer Legehilfe;
- 2 veranschaulicht einen Teil eines Verfahrens zur Positionierung von zumindest zwei Faserhalbzeuglagen und zumindest eines Sandwichkerns zwischen den Faserhalbzeuglagen; und
- 3 zeigt einen Vertikalschnitt durch einen Lagenstapel, der auf eine einen konvexen Abschnitt aufweisende Auflagefläche einer Legehilfe aufgelegt ist.
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1 zeigt unten eine Legehilfe 1 mit einer Auflagefläche 1t, die die Kontur der Innenseite eines herzustellenden Schalenbauteils, beispielsweise eine Tragflügelschale eines Luftfahrzeugs, abbildet. Auf die Auflagefläche 1t werden nacheinander einzelne Lagen einer Hilfsschichtfolge 2 und nachfolgend eine oder mehr Faserhalbzeuglagen 3, 4 aufgelegt. Die einzelnen Lagen der Hilfsschichtfolge 2 erlaubt eine spätere Harzinfusionierung. Die Lagen der Hilfsschichtfolge 2, die beispielsweise eine Lage einer Absaugfolie 21, eine optionale Lage einer Fließhilfe 22, eine optionale Lage einer Lochfolie 23 und eine ebenfalls optionale Lage eines Abreißgewebes 24 umfassen können, werden in der genannten Reihenfolge auf die Legehilfe 1 aufgelegt. Auf die Hilfsschichtfolge 2 werden danach eine oder mehr Faserhalbzeuglagen 3, 4 aufgelegt. Eventuelle weitere Komponenten für das Harzinfusionsverfahren (z.B. Anguss, Schläuche, eventuelle Sensoren) werden an entsprechenden Stellen positioniert. Sind die Faserhalbzeuglagen 3, 4 vollständig auf die Hilfsschichtfolge 2 aufgelegt und die weiteren Komponenten positioniert, wird eine mit dem herzustellenden Schalenbauteil 5 korrespondierende Negativform 5 auf den Stapel gelegt, der die Legehilfe 1, die auf die Legehilfe 1 aufgelegte Hilfsschichtfolge 2 und die auf die Hilfsschichtfolge 2 aufgelegte(n) Faserhalbzeuglage(n) 3, 4 aufweist, so dass sich die auf die Auflagefläche 1t aufgelegten Elemente, insbesondere die Faserhalbzeuglage(n) 3, 4, zwischen der Auflagefläche 1t und der Negativform 5 befinden. Danach wird die Absaugfolie, die die der Legehilfe 1 nächstgelegene Schicht der Hilfsschichtfolge 2 bildet, an der Negativform 5 luftdicht abgedichtet.
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Falls das herzustellende Schalenbauteil eine Sandwichstruktur mit einem oder mehr Sandwichkernen 6 (zum Beispiel Schaumkerne) aufweisen soll, werden, wie in 2 veranschaulicht, der Sandwichkern 6 oder die Sandwichkerne 6 zwischen zwei Faserhalbzeuglagen 3 und 4 eingelegt. Das heißt, es werden zunächst eine oder mehr Faserhalbzeuglagen 3 auf die auf der Legehilfe 1 befindliche Hilfsschichtfolge 2 aufgelegt. Hierauf werden der oder die Sandwichkerne 6 aufgelegt, und über den oder die aufgelegten Sandwichkerne 6 werden eine oder mehr Faserhalbzeuglagen 4 aufgelegt. Bei den Faserhalbzeuglagen 3, 4 kann es sich beispielsweise um trockene Faserhalbzeuglagen handeln.
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Damit der oder die aufgelegten Sandwichkerne 6 an den gewünschten Positionen auf der Legehilfe 1 verbleiben und nicht verrutschen, kann die Legehilfe 1 optionale Aussparungen 10 aufweisen, in die der oder die Sandwichkerne 6 eingesteckt werden. Die Hilfsschichtfolge 2 und die eine oder mehreren Faserhalbzeuglage(n) 3 befinden sich dabei zwischen dem oder den Sandwichkernen 6 und den Aussparungen 10.
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3 zeigt für das Beispiel gemäß 2 einen Vertikalschnitt durch die Anordnung mit den einzelnen aufeinanderfolgend auf der Auflagefläche 1t aufliegenden Lagen der Hilfsschichtfolge 2, der Faserhalbzeuglagen 3 und 4, der zwischen den Faserhalbzeuglagen 3 und 4 befindlichen Sandwichkerne 6, sowie der Negativform 5.
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Durch das luftdichte Abdichten der Absaugfolie 21 gegenüber der Negativform 5 kann der Bereich zwischen der Absaugfolie 21 und der Negativform 5, beispielweise über einen oder mehr eingelegte Schläuche, evakuiert werden. Hierdurch drückt der Umgebungsdruck die Absaugfolie 21 gegen die Negativform 5. Dies bewirkt, dass die verbleibenden Lagen der Hilfsschichtfolge 2 (d.h. die Lagen 22, 23, 24 - soweit vorhanden - mit Ausnahme der Absaugfolie 21), die Faserhalbzeuglage(n) 3, 4, der oder die Sandwichkerne 6 (soweit vorhanden) und die weiteren Komponenten (soweit vorhanden) durch die Absaugfolie 21 gegen die Negativform 5 gepresst und dabei an der Negativform 5 fixiert werden und nicht mehr verrutschen können.
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In diesem evakuierten Zustand kann die Negativform 5 zusammen mit der Absaugfolie 21 und den verbleibenden Lagen der Hilfsschichtfolge 2 (d.h. deren Lagen 22, 23, 24 - soweit vorhanden - mit Ausnahme der Absaugfolie 21), den Faserhalbzeuglage(n) 3, 4, dem oder den Sandwichkernen 6 (soweit vorhanden) und den weiteren Komponenten (soweit vorhanden) von der Legehilfe 1 abgehoben und bei Bedarf in eine beliebige Position gedreht werden. Das Abheben ist gleichbedeutend damit, dass die Legehilfe 1 von der Absaugfolie 21 entfernt wird. Anschließend kann in den Bereich zwischen der Absaugfolie 21 und der Negativform 5 ein Harz infusioniert werden, oder die Anordnung kann im evakuierten Zustand eingelagert und zu einem späteren Zeitpunkt mit einem Harz infusioniert werden. Das Infusionieren erfolgt so, dass die Faserhalbzeuglage(n) 3, 4 und, soweit vorhanden, der oder die Sandwichkerne 6 in das Harz eingebettet werden und nach dem nachfolgenden Aushärten des Harzes zusammen mit diesem das herzustellende Schalenbauteil und damit ein Faserverbundbauteil ergeben. Nach dem Aushärten kann der Evakuierungszustand aufgehoben, die Absaugfolie 21 von der Negativform 5 entfernt und das Schalenbauteil der Negativform 5 entnommen werden.
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Durch die Verwendung der Legehilfe 1 kann eine präzise Positionierung der Faserhalbzeuglage(n) 3, 4, des Sandwichkerns 6 oder der Sandwichkerne 6 (soweit vorhanden) und den weiteren Komponenten (soweit vorhanden) erreicht werden. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Auflagefläche 1t der Legehilfe 1 einen konvexen Abschnitt 1k aufweist und die Legehilfe 1 während des Auflegens der genannten Teile und bis zum Erreichen des Evakuierungszustands so ausgerichtet ist, dass sich der konvexe Abschnitt 1k entgegen der Richtung der Schwerkraft G an der Oberseite der Legehilfe 1 befindet.
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Die Legehilfe 1 muss aufgrund ihrer Funktion rein als Positionierhilfe für die (z.B. trockenen) Faserhalbzeuge 3, 4 keine besondere Temperatur- oder Medienbeständigkeit aufweisen.
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Da durch die Verwendung des Fertigungsverfahrens auf die Verwendung von mechanischen und chemischen Fixierhilfen verzichtet werden kann, werden nachteilige Auswirkungen auf die Bauteilqualität vermieden. So müssen keine Näh- oder Stickfäden oder Fremdstoffe, wie z.B. bei Sprühkleber, in den Faserverbund eingebracht werden. Optional können solche Fixierhilfen allerdings dennoch eingesetzt werden.
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Darüber hinaus kann auf zusätzliche Arbeitsschritte, wie z.B. die separate Fertigung von Preforms, oder zusätzliches Material, wie z.B. Sprühkleber, verzichtet werden.
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Im evakuierten Zustand kann das Bauteil transportiert oder theoretisch beliebig lange gelagert und dann zum benötigten Zeitpunkt infusioniert werden.
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Das Verfahren eignet sich insbesondere zur automatisierten Fertigung von Faserverbundbauteilen in Verbindung mit einem Schneidplotter, der einzelne oder sämtliche Lagen 21, 22, 23, 24, 3, 4 vor dem Auflegen auf die Legehilfe 1 zuschneidet und / oder einem Legeroboter, der einzelne oder sämtliche Lagen 21, 22, 23, 24, 3, 4 auf die Legehilfe 1 auflegt.
