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Die Erfindung betrifft eine Presse zum Herstellen eines (dreidimensionalen) Bauteils aus einem Faserverbundwerkstoff durch Umformen zumindest eines (zweidimensionalen) thermoplastischen Halbzeugs, z. B. Organoblechs. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils und ein mit diesem Verfahren hergestelltes Bauteil.
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Organoblech meint im Rahmen der Erfindung ein plattenförmiges (konsolidiertes) Halbzeug, welches aus Fasern besteht, die in eine Matrix aus thermoplastischem Kunststoff eingebettet sind. Die Fasern können als Endlosfasern oder Langfasern vorliegen, zum Beispiel in Form eines Fasergewebes oder Fasergeleges. Bei den Fasern kann es sich zum Beispiel um Kohlenstofffasern, Glasfasern oder Aramidfasern handeln. Solche Organobleche werden als Faserverbundwerkstoffe für die Herstellung von Bauteilen (z. B. Leichtbau) für die Luft- und Raumfahrttechnik (z. B. den Flugzeugbau) und für die Fahrzeugtechnik (z. B. im Automobilbau) eingesetzt. Durch die thermoplastische Fasermatrix lassen sich solche Organobleche ähnlich wie Metallbleche (warm) umformen, so dass in der Praxis bei der Verarbeitung von Organoblechen bzw. bei der Herstellung von Bauteilen aus solchen Organoblechen auf Methoden der Metallblechverarbeitung zurückgegriffen wird.
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So beschreibt zum Beispiel die
DE 10 2011 115 730 A1 ein Verfahren zum Umformen von thermoplastischen Faserhalbzeugplatten mit orientierten Fasern zu dreidimensional geformten thermoplastischen Halbzeugen mit definierten Orientierungsgraden, wobei die als Organoblech ausgebildete Faserhalbzeugplatte durch eine Heizvorrichtung auf eine Temperatur unterhalb einer Erweichungstemperatur des Thermoplasten erwärmt wird, wobei die Faserhalbzeugplatte auf einem Formmodul positioniert wird, das die dreidimensionale Form abbildet. Anschließend wird ein Fluid in die Formkammer zugeführt und dadurch die erwärmte Faserhalbzeugplatte an das Formmodul angepresst und hierdurch zu dem dreidimensional geformten thermoplastischen Halbzeug umgeformt.
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Alternativ wird in der
DE 198 59 798 C1 die Herstellung von Formkörpern aus Faserverbundwerkstoffen durch das sogenannte Prepreg-Verfahren beschrieben. Dabei werden dünne Lagen von in teilausgehärtetem Harz eingebetteten Fasern laminiert, bis eine Vorform des Formkörpers entstanden ist. Anschließend wird diese Vorform unter mechanischem Druck bei gleichzeitiger Einwirkung eines Vakuums zum Abziehen von Luftblasen aus der Vorform durch Erwärmen ausgehärtet. Dies geschieht typischerweise in einem Autoklaven, in dem die Vorform auf einer Negativform aufliegt und von einer flexiblen Membran abgedeckt wird. Die flexible Membran ist gegenüber der Negativform abgedichtet. Dabei ist zwischen der Vorform der Membran noch eine Schicht aus Gewebematerial angeordnet, die zum Aufnehmen von überschüssigem Harz und zur Ausbildung einer Vakuumzone, des sogenannten Vakuumsacks dient. Der Bereich des Vakuumsacks ist an einer Vakuumquelle angeschlossen.
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Davon ausgehend wird in der
DE 198 59 798 C1 ein Verfahren zum Herstellen von Formkörpern aus Faserverbundwerkstoffen beschrieben, das auf einem RTM-Verfahren aufbaut. Auf eine steife Negativform wird eine Fasermatte aufgebracht und die Fasermatte wird mit einer flexiblen Membran abgedeckt. Die Membran wird gegenüber der Negativform um die Fasermatte umlaufend abgedichtet und der derart abgedichtete Zwischenraum zwischen der Negativform und der Membran wird evakuiert und auf der der Negativform abgekehrten Rückseite der Membran wird ein statischer Überdruck aufgebracht. Dann wird in den Zwischenraum zwischen der Negativform und der Membran eine Menge flüssigen Harzes mit einem Injektionsdruck injiziert, der größer ist als der Überdruck auf der Rückseite der Membran. Das Harz wird durch die beheizte Negativform unter Einwirkung des Überdrucks auf der Rückseite der Membran erwärmt und zumindest teilweise ausgehärtet. Der Überdruck auf der Rückseite der Membran wird dann abgelassen und der Formkörper mit der in das zumindest teilweise ausgehärtete Harz eingebetteten Fasermatte entformt. Die Negativform kann dabei kontinuierlich beheizt werden und die Membran kann auf ihrer Rückseite gekühlt werden.
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Ähnliche Verfahren, bei denen mit einer Membranpresse gearbeitet und ein Harz in den Formraum injiziert wird, werden zum Beispiel in der
EP 1 420 940 B1 oder der
DE 694 09 618 T2 beschrieben.
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Die
DE 40 40 746 A1 beschreibt ein Verfahren zum Verdichten eines Verbundmaterialkörpers mit einer Struktur aus unverdichteten Schichten verstärkenden Fasern, die in eine Matrix eingebettet sind, in einer Membranpresse.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Presse zum Herstellen von (Leicht-)Bauteilen aus oder mit Faserverbundwerkstoffen zu schaffen, die sich durch einfache und stabile Bauweise auszeichnet und bevorzugt für die Herstellung großer Bauteile geeignet ist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe lehrt die Erfindung eine Presse zum Herstellen eines Bauteils aus einem Faserverbundwerkstoff, welche als Membranpresse ausgebildet ist, mit
- – einem Pressengestell,
- – einem Pressenunterteil, an/auf dem eine Form angeordnet wird,
- – einem Pressenoberteil, welches einen gegen das Pressenunterteil abdichtbaren Druckkoffer aufweist,
- – einem oder mehreren Presszylindern, die auf das Pressenoberteil und/oder das Pressenunterteil wirken,
- – einer Membran, welche über oder gegen die Form spannbar ist,
- – einer Vakuumpumpe, mit der auf der einen Seite der Membran, z. B. auf der Unterseite, ein Unterdruck erzeugbar ist.
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Diese Presse ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass das Pressengestell als O-Gestell mit oberem Horizontalschenkel und unterem Horizontalschenkel und zumindest zwei den Pressenraum seitlich begrenzenden und die Horizontalschenkel verbindenden Vertikalschenkeln ausgebildet ist.
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Eine solche Membranpresse mit O-Gestell zeichnet sich durch einen besonders stabilen Aufbau aus, da die hohen Presskräfte einwandfrei von dem geschlossenen Pressengestell aufgenommen werden. Die Presse eignet sich in besonderer Weise für die Herstellung großer Teile und insbesondere für die Herstellung flacher oder geformter Teile. Besonders bevorzugt lässt sich mit der erfindungsgemäßen Presse ein Druckschott für einen Flugzeugrumpf herstellen.
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Bevorzugt ist das Pressengestell als O-Gestell in Säulenbauweise ausgebildet. Das Pressengestell weist dazu zumindest zwei Pressensäulen als Vertikalschenkel auf, wobei der obere Horizontalschenkel und der untere Horizontalschenkel unter Zwischenschaltung der Pressensäulen vorzugsweise mittels Zugankern gegeneinander verspannt sind. Die beiden Pressensäulen einerseits und die beiden Horizontalschenkel andererseits bilden eine geschlossene O-Form, innerhalb derer der Pressenraum gebildet ist. Dabei können bevorzugt mehrere obere Horizontalschenkel einerseits und mehrere untere Horizontalschenkel andererseits und dementsprechend auch mehrere Pressensäulen vorgesehen sein, so dass gleichsam mehrere hintereinander angeordnete Rahmen, die jeweils von zwei Pressensäulen und den Horizontalschenkeln gebildet sind, hintereinander angeordnet sind. Es kann auch ein oberer Horizontalschenkel und ein unterer Horizontalschenkel mit seitlich jeweils mehreren Pressensäulen verbunden sein.
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Alternativ liegt es im Rahmen der Erfindung, dass das Pressengestell in rahmenbauweise mehrere geschlossene Pressenrahmen mit jeweils Vertikalschenkeln und Horizontalschenkeln aufweist. Solche Pressenrahmen können z. B. aus Stahlblechzuschnitten hergestellt sein, wobei die einzelnen Pressenrahmen dann ggf. mittels Spannelementen miteinander zu einem Pressenrahmen verspannt sind.
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Bevorzugt betrifft die Erfindung eine Membranpresse in der Ausführungsform als Oberkolbenpresse. Diese ist dadurch gekennzeichnet, dass die Presszylinder an dem oberen Horizontalschenkel bzw. an den oberen Horizontalschenkeln abgestützt sind und auf das bewegliche Pressenoberteil arbeiten, welches folglich einen Laufholm bildet. Das Pressenunterteil ist als Pressentisch ortsfest auf dem unteren Horizontalschenkel bzw. auf den unteren Horizontalschenkeln angeordnet und darauf abgestützt. Sofern mehrere einzelne Rahmen bzw. mehrere hintereinander angeordnete obere Horizontalschenkel vorgesehen sind, liegt es im Rahmen der Erfindung, dass an jedem Horizontalschenkel jeweils ein oder mehrere Presszylinder befestigt und abgestützt sind. Es kann folglich eine Matrix aus mehreren Presszylindern und folglich mit mehreren Reihen und Spalten von Presszylindern vorgesehen sein.
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Alternativ zu einer Ausführungsform einer Oberkolbenpresse umfasst die Erfindung aber auch Pressen in der Ausführungsform als Unterkolbenpresse.
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Es ist vorgesehen, dass die Presse eine Vakuumpumpe aufweist, mit der auf der einen Seite der Membran, z. B. auf der Unterseite, ein Unterdruck erzeugt wird. Optional kann (zusätzlich) eine Überdruckpumpe vorgesehen sein, mit der auf der anderen Seite der Membran ein Überdruck erzeugbar ist.
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Bevorzugt ist das Pressenunterteil, z. B. der Pressentisch, beheizbar. An das Pressenunterteil ist folglich eine Heizvorrichtung angeschlossen oder das Pressenunterteil ist mit einer integrierten Heizvorrichtung ausgebildet. So können z. B. in das Pressenunterteil, das z. B. als Heizplatte ausgebildet sein kann, Heizkanäle integriert sein, die von einem Heizmedium durchströmt werden.
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In weiterer Ausgestaltung besteht die Möglichkeit, dass das Pressenoberteil beheizbar ist. Dabei kann es sich um einen beheizbaren Laufholm handeln. Auch an diesem Laufholm kann folglich eine Heizvorrichtung angeschlossen sein oder es ist eine Heizvorrichtung integriert. Der Laufholm kann ebenfalls als (obere) Heizplatte ausgebildet sein. In den Laufholm können Heizkanäle integriert sein, die von einem Heizmedium durchströmt werden.
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An dem Laufholm kann der Druckkoffer befestigt sein. Dieser Druckkoffer kann selbstständig ebenfalls beheizbar sein. Es besteht auch die Möglichkeit, den Druckkoffer über den beheizbaren Laufholm zu beheizen.
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Auch das Werkzeug bzw. die Form selbst kann beheizbar sein. Dabei kann die Form von einer beheizbaren Grundplatte gebildet werden. Optional kann aber auf dem Pressentisch auch eine beheizbare Grundplatte angeordnet sein, auf der dann ein (separates) Werkzeug bzw. eine separate Form angeordnet wird.
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Die Membran ist bevorzugt als Silikonmembran bzw. Silikonfolie ausgebildet.
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Bevorzugt ist die Membran an dem Pressenoberteil befestigt und besonders bevorzugt an dem Druckkoffer befestigt, z. B. elastisch in den Druckkoffer eingespannt bzw. elastisch vorgespannt. Es liegt jedoch auch grundsätzlich im Rahmen der Erfindung, dass die Membran an dem Pressenunterteil befestigt und über die Form spannbar ist.
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Mit einer solchen Presse lassen sich Bauteile aus einem Faserverbundwerkstoff herstellen, indem zumindest ein Halbzeug, z. B. Organoblech, als Werkstück an oder in oder auf die Form gelegt wird,
wobei eine elastisch dehnbare Membran unter Zwischenschaltung des Halbzeugs/Organoblechs über die Form gedehnt vorgespannt wird und
wobei das Halbzeugs/Organoblech unter Bildung des Bauteils umgeformt wird, indem die Membran auf der der Form zugewandten Seite mit einem Unterdruck und optional auf der der Form abgewandten Seite mit einem Überdruck beaufschlagt wird, so dass sich das Halbzeug/Organoblech an die Form anformt.
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Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, dass sich dreidimensionale Faserverbundbauteile mit hoher Stabilität und hoher Genauigkeit wirtschaftlich aus z. B. Organoblechen in einer Membranpresse herstellen lassen, wobei solche Organobleche als (zweidimensionale) plattenförmige konsolidierte Halbzeuge zur Verfügung stehen und sich in der Membranpresse hervorragend unter Anwendung von Druck und Wärme zu dreidimensionalen Strukturen umformen lassen, die zum Beispiel im Flugzeugbau, Fahrzeugbau oder dergleichen einsetzbar sind. Dabei wird – im Gegensatz zu herkömmlichen Prepreg-Verfahren – bevorzugt nicht mit lediglich teilausgehärteten Matten, sondern mit konsolidierten Halbzeugen in Form von Organoblechen gearbeitet, so dass auch kein Injizieren flüssiger Harze oder dergleichen in die Presse erfolgt. Besonders bevorzugt wird dabei ein Organoblech als vorgefertigtes Halbzeug verwendet, das aus mehreren Organoblechlagen besteht, die vor dem Einlegen in die Presse zusammengelegt und gegebenenfalls miteinander verbunden werden. Auf diese Weise lassen sich sehr stabile Bauteile herstellen, die auch eine gewisse Dicke bzw. Wandstärke aufweisen können. Dennoch gelingt im Rahmen der Erfindung in der Membranpresse eine einwandfreie Umformung, da in die Presse eine (hoch-)elastisch dehnbare Membran eingespannt ist, welche unter Zwischenschaltung des Organoblechs elastisch gedehnt und über die Form gespannt wird. Durch das Anlegen von Unterdruck einerseits und Überdruck andererseits erfolgt dann eine einwandfreie Umformung, wobei sich die hochelastische Membran stark dehnt und einwandfrei an die gewünschte Kontur bzw. unter Zwischenschaltung des Organoblechs an die Kontur der Form anlegt. Durch das Anlegen von Unterdruck einerseits und (sehr hohem) Überdruck andererseits gelingt die Umformung konsolidierter Organobleche zu Bauteilen mit komplexer Struktur und kleinen Radien, so dass sich zum Beispiel auch U-förmige Profile mit und ohne Hinterschneidung einwandfrei herstellen lassen. Über hohe Drücke in der Membranpresse wird eine einwandfreie Entlüftung des Werkstücks gewährleistet, so dass Porenbildungen vermieden bzw. Poren entfernt werden können. Insgesamt zeichnen sich die hergestellten Bauteile durch sehr hohe Oberflächenqualität und hohe Stabilität aus. Die Erfindung umfasst aber auch die Umformung anderer thermoplastischer Halbzeuge. So können insbesondere auch mehrere (nicht konsolidierte) thermoplastische Einzellagen (aus Faserverbundwerkstoff) als Halbzeug in die Presse eingelegt und verarbeitet werden.
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Insgesamt können zum Beispiel hochstabile, leichte Bauteile für den Flugzeugbau, zum Beispiel für Tragflächen bzw. Tragflächenteile hergestellt werden. Beispielsweise können Profile hergestellt werden, die als Bestandteil von Landeklappen zum Einsatz kommen können. Bevorzugt lässt ich z. B. ein Druckschott für ein Flugzeug herstellen.
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Bevorzugt werden Halbzeuge oder Organobleche eingesetzt, deren Fasern als Carbonfasern, Glasfasern und/oder Aramidfasern ausgebildet sind. Als thermoplastischer Kunststoff kommen besonders bevorzugt hochtemperaturbeständige thermoplastische Kunststoffe, zum Beispiel Polyetheretherketon (PEEK) oder Polyphenylensulfid (PPS) zum Einsatz. Alternativ können jedoch auch Polypropylen (PP), Polyamid (PA) oder Polyurethan (TPU) verwendet werden, je nach Anforderungen und Einsatzgebiet. Die verwendeten Materialien können bei (konsolidierten) Organoblechen oder Organoblechlagen oder alternativ auch bei (nicht konsolidierten) Faserhalbzeugen oder deren Lagen zum Einsatz kommen.
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Grundsätzlich liegt es im Rahmen der Erfindung, dass ein einziges thermoplastisches Halbzeug (aus ggf. mehreren Lagen) mit Hilfe einer solchen Membranpresse zu einem Werkstück umgeformt wird, indem es z. B. über eine entsprechende Form gespannt wird.
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Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung mit selbständiger Bedeutung lassen sich jedoch auch Bauteile herstellen, die aus mehreren Decklagen bzw. Schalen und einem dazwischen angeordneten Kern, z. B. Schaumkern bestehen. So lässt sich z.B. bevorzugt ein Druckschott für den Flugzeugbau bzw. für einen Flugzeugrumpf herstellen, wobei das erfindungsgemäße Druckschott aus einer ersten Schale und einer zweiten Schale und einem dazwischen angeordneten Kern besteht.
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Zur Herstellung derartiger Bauteile schlägt die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils aus einem Faserverbundwerkstoff durch Umformen thermoplastischer Halbzeuge in einer Membranpresse vor, wobei bevorzugt eine Membranpresse der beschriebenen Art verwendet werden kann. Dabei ist in der Membranpresse eine Form angeordnet, wobei als Werkstück auf oder in die Form ein erstes Halbzeug und ein zweites Halbzeug und zwischen den Halbzeugen ein formstabiler Kern angeordnet werden, wobei eine elastisch dehnbare Membran unter Zwischenschaltung des Werkstücks über die Form gespannt, z. B. gedehnt vorgespannt wird und wobei die Halbzeuge unter Zwischenschaltung des Kerns und unter Bildung des Bauteils umgeformt werden, indem die Membran auf der der Form zugewandten Seite mit einem Unterdruck beaufschlagt wird. Optional liegt es auch im Rahmen der Erfindung, dass zusätzlich auf der der Form abgewandten Seite ein Überdruck erzeugt wird, um den Umformvorgang zu unterstützen. Das erste Halbzeug und das zweite Halbzeug können in der bereits beschriebenen Weise als Organobleche oder Organoblechlagen oder auch als andere (nicht konsolidierte) Faserhalbzeuge ausgebildet sein. Alternativ kann bei dieser Variante sogar auf die Herstellung im Wege eines RTM-Verfahrens zurückgegriffen werden, so dass als Halbzeuge Prepregs eingelegt werden und in die Presse zusätzlich ein Harz eingebracht, z.B. injiziert wird. Jedenfalls lassen sich in der beschriebenen Weise bevorzugt Bauteile mit Außenschalen und einem inneren Kern herstellen, wobei der Kern im Zuge der Herstellung als formstabiler Strukturkern ausgebildet ist und die Halbzeuge gleichsam um den formstabilen Kern herum geformt werden, indem in der beschriebenen Weise mit einer Membranpresse gearbeitet wird.
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Mit dem beschriebenen Verfahren lassen sich Bauteile für den Flugzeug bau, z.B. ein Druckschott, in besonders kompakter bzw. flacher Bauweise bei gleichzeitig sehr hoher Stabilität herstellen. So kann z.B. ein Druckschott mit einem konkav (flachen) linsenförmigen Querschnitt hergestellt werden, das sich durch flache Bauweise bei gleichzeitig hoher Stabilität auszeichnet. Besonders bevorzugt ist die Tatsache, dass sich die Herstellungzeiten in einer Membranpresse in der beschriebenen Art gegenüber bekannten Herstellungsverfahren sehr deutlich verkürzen lassen. So liegt es im Rahmen der Erfindung, dass die Umformzeit (innerhalb der Membranpresse) weniger als zehn Minuten, vorzugsweise weniger als fünf Minuten, besonders bevorzugt weniger als eine Minute beträgt.
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Optional ist im Übrigen vorgesehen, dass in der Membranpresse eine Form verwendet wird, die zumindest bereichsweise luftdurchlässig ausgebildet ist. Dieses lässt sich z.B. dadurch realisieren, dass eine Form aus einem porösen Werkstoff verwendet wird. Bevorzugt wird eine Form aus einem porösen Leichtmetall, besonders bevorzugt aus porösem Aluminium oder einer porösen Aluminiumlegierung verwendet. Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, dass sich durch Einsatz einer derartigen Form der Herstellungsprozess optimieren lässt, denn es wird die Möglichkeit geschaffen, ein vollflächiges Vakuum über die gesamte Umformfläche aufzubringen. Bei dem porösen Werkstoff handelt es sich bevorzugt um einen offenporigen porösen Werkstoff, z.B. offenporiges poröses Aluminium bzw. eine offenporige poröse Aluminiumlegierung. Dabei wird bevorzugt eine Werkstoff verwendet, der eine Filterfeinheit von 5 µm bis 250 µm, z.B. 30 µm bis 120 µm und/oder eine Porengröße von 0,1 mm bis 3 mm, z.B. 0,2 mm bis 1,5 mm aufweist. Porengröße meint dabei den (maximalen) Durchmesser der Poren. Filterfeinheit meint dabei die (minimale) Weite der (Durchgangs)Öffnungen zwischen den Poren der offenporigen Struktur.
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Im Zuge der Herstellung ist es zweckmäßig, das Halbzeug/Organoblech vor und/oder nach dem Einlegen in die Presse zu erwärmen, um den Umformvorgang zu optimieren. Dabei ist es zweckmäßig, das jeweilige Halbzeug/Organoblech auf eine Temperatur oberhalb der Glasübergangstemperatur zu erwärmen. Je nach Material bzw. Organoblech bzw. je nach thermoplastischem Kunststoff kann es zweckmäßig sein, das Organoblech auf eine Temperatur von mehr als 200 °C zu erwärmen.
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Alternativ oder ergänzend ist es zweckmäßig, die Form oder zumindest deren dem Organoblech zugewandte Oberfläche vor und/oder während der Umformung zu erwärmen. Hier kann es ebenfalls zweckmäßig sein, die Form bzw. deren Oberfläche auf eine Temperatur oberhalb der Glasübergangstemperatur des thermoplastischen Kunststoffs zu erwärmen, zum Beispiel auf eine Temperatur von mehr als 200 °C.
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Außerdem ist es alternativ oder ergänzend besonders vorteilhaft, wenn auch das Druckmedium, mit dem die Membran beaufschlagt wird, zum Beispiel ein Druckgas, erwärmt wird, um den Wärmeeintrag zu optimieren und die Warmumformung zu verbessern.
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Bevorzugt wird nicht nur ein Unterdruck auf der der Form zugewandten Seite der Membran angelegt, sondern die abgewandte Seite der Membran wird außerdem mit einem Überdruck beaufschlagt, wobei besonders bevorzugt ein Überdruck von zumindest 20 bar, zum Beispiel zumindest 30 bar erzeugt werden kann. Erfindungsgemäß wird folglich mit hohen Drücken gearbeitet, um der Tatsache Rechnung zu tragen, dass z.B. konsolidierte Organobleche verarbeitet bzw. umgeformt werden.
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Dazu wird bevorzugt nicht – wie bei Membranpressen für die Verarbeitung von Prepregs oder für die Injektion von Harz üblich – mit einem Vakuumsack gearbeitet, sondern die hochelastische Membran wird über die Form gespannt. So kann sie zum Beispiel am Pressenunterteil befestigt und über die Form gespannt werden. Bevorzugt ist die Membran jedoch an dem Pressenoberteil elastisch vorgespannt befestigt und sie kann dann im Zuge des Schließens der Presse über bzw. gegen die Form gespannt werden.
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Grundsätzlich können Membranen aus Kautschuk zum Einsatz kommen. Unter Berücksichtigung der Tatsache, dass bevorzugt mit hochtemperaturbeständigen Kunststoffen gearbeitet wird, empfiehlt die Erfindung den Einsatz einer Membran aus einem hochelastischen und zugleich temperaturbeständigen Material, zum Beispiel aus Silikon bzw. auf Silikonbasis. Dabei kann auf vorhandene Silikon-Membrane zurückgegriffen werden, die eine Bruchdehnung von zumindest 500 %, vorzugsweise zumindest 600 % aufweisen. Die Membran weist bevorzugt eine Dicke von zumindest 1 mm, besonders bevorzugt zumindest 2 mm auf.
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Wie bereits beschrieben, wird als Organoblech besonders bevorzugt ein vorgefertigtes Halbzeug aus mehreren Organoblechlagen bzw. einer Vielzahl von Organoblechlagen verwendet, die vor dem Einlegen in die Presse zusammengelegt und gegebenenfalls miteinander verbunden werden. Dabei liegt es im Rahmen der Erfindung, die Organoblechlagen einzeln zusammenzulegen und gemeinsam zu verpressen. Bevorzugt werden die Organoblechlagen jedoch zuvor miteinander (in einer gewünschten Anordnung) verbunden, zum Beispiel durch Schweißen und/oder Kleben, wobei dann eine innige Verbindung anschließend im Zuge der Umformung in der Membranpresse erfolgt. Alternativ liegt es im Rahmen der Erfindung, die einzelnen Organoblechlagen in einer Vorpresse zu einem einheitlichen Organoblech zu verbinden.
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Dabei können eine Vielzahl von Lagen verwendet werden, zum Beispiel zumindest fünf Lagen, bevorzugt zumindest zehn Lagen. Für hochstabile Bauteile (zum Beispiel für den Flugzeugbau) können auch mehr als zwanzig Lagen zu einem Organoblech zusammengefügt werden. Außerdem können alternativ eine Vielzahl (nicht konsolidierter) Lagen (lose) in die Presse eingelegt werden, z.B. zumindest fünf Lagen, bevorzugt zumindest zehn Lagen. Die Verarbeitung einzelner Lagen hat den Vorteil, dass diese im Zuge der Umformung frei gegeneinander abgleiten können, so dass insbesondere auch komplizierte Strukturen mit gegebenenfalls mehreren Hinterschnitten einwandfrei gefertigt werden können. Sofern ein Werkstoff vor einem oberen Faserhalbzeug und einem unteren Faserhalbzeug und einem dazwischen angeordneten Kern gebildet wird, können diese Faserhalbzeuge jeweils als konsolidierte Organobleche oder auch als nicht konsolidierte Faserhalbzeuge ausgebildet sein. Auch dabei besteht die Möglichkeit, dass jedes dieser Faserhalbzeuge wiederum aus mehreren Lagen in der beschriebenen Weise besteht.
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Es liegt dabei im Rahmen der Erfindung, einzelne Lagen mit unterschiedlicher Faserausrichtung zu verwenden bzw. die einzelnen Lagen so zu stapeln, dass ihre Fasern nicht parallel verlaufen, sondern unter einem vorgegebenen Winkel. Auf diese Weise können besonders stabile Organobleche und entsprechende Bauteile hergestellt werden. Über die Auswahl und Anordnung der einzelnen Lagen lassen sich Eigenschaften und Geometrie des Bauteils hervorragend beeinflussen. So besteht zum Beispiel die Möglichkeit, einzelne Lagen in unterschiedlichen Größen unter Bildung eines Halbzeugs, z. B. Organoblechs mit über die Fläche variierender Dicke vorzusehen. So entstehen zum Beispiel in Bereichen, in denen mehr Lagen vorhanden sind, als in anderen Bereichen, Werkstücke mit größerer Dicke bzw. Wandstärke. In ähnlicher Weise besteht die Möglichkeit, die einzelnen Lagen so anzuordnen, dass im Zuge der Umformung bei einer Verschiebung der einzelnen Lagen zueinander eine gewünschte Kantengeometrie des Bauteils entsteht. Sind die einzelnen Lagen zum Beispiel im nicht umgeformten Zustand bündig angeordnet, so kann durch die Umformung eine schräge Kantengeometrie erzeugt werden und umgekehrt kann durch eine schräge Anordnung der einzelnen Lagen im Randbereich durch die Umformung eine gerade Kantengeometrie erzielt werden. So kann es zum Beispiel gewünscht sein, Bauteile mit abgeschrägten Kanten zu erzeugen, um verbesserte Fügeflächen für die Weiterverarbeitung zur Verfügung zu stellen.
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Gegenstand der Erfindung ist im Übrigen auch ein Bauteil, z. B. ein Druckschott, hergestellt nach einem Verfahren der beschriebenen Art.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
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1 eine Membranpresse in einer vereinfachten Darstellung,
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2 den Gegenstand nach 1 in einer anderen Funktionsstellung,
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3 eine abgewandelte Ausführungsform der Presse nach 1,
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4 die Presse nach 3 in einer anderen Funktionsstellung,
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5 einen Umformvorgang eines mehrlagigen Organoblechs in einer ersten Ausführungsform und
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6 einen Umformvorgang eines mehrlagigen Organoblechs in einer zweiten Ausführungsform,
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7 eine erfindungsgemäße Membranpresse mit O-Gestell in einer vereinfachten perspektivischen Darstellung,
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8 die Presse nach 7 in einer Stirnansicht,
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9 die Presse nach 7 in einer Seitenansicht und
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10 einen Ausschnitt aus dem Gegenstand nach 9 bei geschlossener Presse.
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In den Figuren ist eine Membranpresse 1 für die Herstellung eines Bauteils aus einem Faserverbundwerkstoff dargestellt. In einer solchen Membranpresse wird ein Bauteil aus einem Faserverbundwerkstoff durch Umformen eines thermoplastischen Halbzeugs, z. B. Organoblechs 2 hergestellt. Die Membranpresse 1 weist im Ausführungsbeispiel ein Pressenunterteil 3 auf, das als Pressentisch ausgebildet ist, auf dem eine Form 4 als Negativform des herzustellenden Bauteils angeordnet ist. Außerdem weist die Presse 1 ein Pressenoberteil 5 auf, welches einen gegen das Pressenunterteil 3 abdichtbaren haubenartigen Druckkoffer 6 aufweist. Dazu ist die untere, auf dem Pressentisch absetzbare umlaufende Stirnfläche 7 des Druckkoffers 6 mit einer umlaufenden Dichtung 8 versehen. Auf das Pressenoberteil 5 wirkt ein Presszylinder 9, wobei im Ausführungsbeispiel der Kolben 10 des Presszylinders 9 an den Druckkoffer 6 angeschlossen ist, so dass der Druckkoffer 6 mit dem Zylinder 9 bzw. dessen Kolben 10 gegen das Pressenunterteil 3 gedrückt wird. Außerdem ist die Membranpresse 1 mit einer elastisch dehnbaren Membran 11 ausgerüstet, welche über die Form 4 spannbar ist. Ferner ist eine Vakuumpumpe 12 vorgesehen, welche im Ausführungsbeispiel an das Pressenunterteil 3 angeschlossen ist. Außerdem kann eine Überdruckpumpe 13 vorgesehen sein, die im Ausführungsbeispiel z. B. an das Pressenoberteil 5 bzw. an den Druckkoffer 6 angeschlossen ist.
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Zum Umformen eines Organoblechs 2 wird dieses Organoblech auf die Form 4 gelegt und die Membran 11 wird unter Zwischenschaltung des Oranoblechs 2 über die Form 4 gedehnt und vorgespannt.
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Das Organoblech wird unter Bildung des Bauteils umgeformt, indem die Membran 11 auf der der Form 4 zugewandten Seite über die Vakuumpumpe 12 mit einem Unterdruck beaufschlagt wird und ggf. auf der der Form 4 abgewandten Seite mit der Überdruckpumpe 13 mit einem Überdruck beaufschlagt wird, so dass sich das Organoblech 2 unter Bildung des Bauteils an die Form 4 anformt.
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Dabei ist vorgesehen, dass das Organoblech 2 vor dem Einlegen in die Presse 1 erwärmt wird. Außerdem ist bevorzugt vorgesehen, dass die Form 4 oder zumindest deren dem Organoblech 2 zugewandte Oberfläche vor und/oder während der Umformung erwärmt wird. Schließlich ist es zweckmäßig, wenn auf das Druckmedium, mit welchem die Membran mit Überdruck beaufschlagt wird, erwärmt wird. Dazu ist in den Figuren eine Heizvorrichtung 14 angedeutet. Die Heizvorrichtungen zum Erwärmen des Organoblechs und zum Erwärmen der Form sind nicht dargestellt.
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1 zeigt eine erste Ausführungsform einer solchen Membranpresse, bei welcher die Membran 11 an dem Pressenunterteil 3 befestigt und über die Form 4 gespannt wird. 1 zeigt die Presse, nachdem das Organoblech 2 auf die Form 4 aufgelegt und die Membran 11 über die Form 4 unter Zwischenschaltung des Organoblechs 2 gespannt wurde. Außerdem wurde das Pressenoberteil 5 nach dem Einlegen des Organoblechs 2 und nach dem Spannen der Membran 11 auf das Pressenunterteil 3 abgesenkt und abgedichtet. Der Unterdruck kann mit der Vakuumpumpe 12 vor und/oder nach dem Absenken des Pressenoberteils erzeugt werden. Nachdem das Pressenoberteil 5 gegen das Pressenunterteil 3 abgesenkt und abgedichtet wurde, wird der Innenraum des Druckkoffers 6 ggf. mit dem Überdruck beaufschlagt. Dabei kann vorgesehen sein, dass der mit dem Zylinder 9 erzeugte Pressdruck, mit welchem die Membranpresse bei sich aufbauendem Innendruck zugehalten wird, sukzessive mit dem Aufbau des Innendrucks erhöht und folglich angepasst wird. 2 zeigt die Presse nach erfolgtem Aufbau des Überdrucks und des Unterdrucks mit umgeformtem Organoblech 2.
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Die 3 und 4 zeigen eine abgewandelte Ausführungsform einer solchen Membranpresse, bei der die Membran nicht am Pressenunterteil 3, sondern am Pressenoberteil 5, nämlich an dessen Druckkoffer 6 befestigt und elastisch vorgespannt ist (3). Nach dem Auflegen des Organoblechs 2 auf die Form 4 wird der Druckkoffer 6 abgesenkt und dabei die Membran unter Zwischenschaltung des Organoblechs 2 über die Form gespannt (4). Nachdem die Presse geschlossen wurde, werden der Unterdruck und ggf. der Überdruck aufgebaut und damit das Organoblech 2 umgeformt und das Bauteil erzeugt.
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Das Organoblech 2 kann aus mehreren einzelnen Organoblechlagen 2a bestehen, die unter Bildung des Organoblechs 2 zusammengelegt und in der Presse umgeformt werden. Dabei können die Lagen 2a in ihrer Geometrie so aufeinander abgestimmt werden, dass sich die einzelnen Lagen 2a im Zuge der Umformung unter Veränderung der Kantengeometrie des Bauteils gegeneinander verschieben. Diese Option ist in den 5 und 6 dargestellt. Gemäß 5 werden die einzelnen Lagen 2a zu einem Organoblech 2 mit geraden Kanten zusammengelegt. Im Zuge der Umformung kommt es zu einer Verschiebung der einzelnen Lagen zueinander, so dass ein Bauteil mit abgeschrägten Kanten entsteht.
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Im Gegensatz dazu zeigt 6 eine Ausführungsform, bei welcher die einzelnen Lagen 2a des Organoblechs 2 nicht bündig übereinander liegen, sondern schräge Kanten bilden, so dass dann im Zuge der Umformung ein Bauteil mit geraden Kanten ohne Schrägen entsteht.
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Die Erfindung soll im besonderen Maße anhand der 7 bis 10 erläutert werden. Diese Figuren zeigen, dass das Pressengestell 15 als O-Gestell ausgebildet ist und mehrere obere Horizontalschenkel 16 und mehrere untere Horizontalschenkel 17 sowie vertikal angeordnete Vertikalschenkel 18 aufweist, die die Horizontalschenkel 15, 16 miteinander verbinden und die den Pressenraum seitlich begrenzen. Es handelt sich folglich um ein Pressengestell 15 in geschlossener Bauweise, d. h. der Pressenraum wird sowohl oberseitig und unterseitig als auch seitlich von den jeweiligen Komponenten den Pressengestells begrenzt. Dabei zeigen die 7 bis 10 eine Ausführungsform des Pressengestells in Säulenbauweise, wobei die Vertikalschenkel 18 von Pressensäulen gebildet werden. Dabei sind die Horizontalschenkel 16, 17 unter Zwischenschaltung der Pressensäulen 18 mittels Zugankern 19 gegeneinander verspannt, wobei die Zuganker 19 die Pressensäulen 18 durchgreifen.
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Die 7 bis 10 zeigen eine Ausführungsform einer solchen Membranpresse in Säulenbauweise als Oberkolbenpresse. Das Pressenoberteil 5 ist folglich als Laufholm ausgebildet, an welchem der Druckkoffer 6 befestigt ist. Das Pressenunterteil 3 ist als Pressentisch ausgebildet, so dass dieser Pressentisch 3 die unteren Horizontalschenkel 17 überspannt. Es sind eine Vielzahl von Presszylindern 9 vorgesehen, die an den oberen Horizontalschenkeln 16 befestigt und abgestützt sind und die auf den beweglichen Laufholm 5 arbeiten, in dem z. B. die Kolben 10 der Presszylinder 9 an das Pressenoberteil und folglich den Laufholm angeschlossen sind.
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In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind an jedem oberen Horizontalschenkel jeweils mehrere Presszylinder 9, z. B. zwei Presszylinder 9 vorgesehen, so dass die Presszylinder insgesamt in einer Matrix bzw. in einem Raster aus mehreren Reihen angeordnet sind, wobei im Ausführungsbeispiel zwei Reihen und zwei Spalten vorgesehen sind.
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Die Presszylinder 9 können als doppelt wirkende Zylinder ausgebildet sein und nicht nur zum Aufbringen der Presskraft, sondern auch zum Schließen sowie Öffnen der Presse ausgebildet sein. Es liegt jedoch alternativ auch im Rahmen der Erfindung, dass die Presszylinder als einfach wirkende Zylinder ausgebildet sind. In diesem Fall können optional Rückzugszylinder vorgesehen sein, die in den Figuren nicht dargestellt sind.
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In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Membran 11 in den Druckkoffer 6 eingespannt. Der Laufholm 5 ist beheizbar. Im Ausführungsbeispiel ist der Laufholm 5 als Heizplatte ausgebildet, in welche eine Vielzahl von Heizkanälen 20 integriert sind, die von einem Heizmedium durchströmt werden. Ebenso ist der Pressentisch 3 beheizbar. Auch der Pressentisch 3 ist im Ausführungsbeispiel als Heizplatte ausgebildet, in die eine Vielzahl von Heizkanälen 20 integriert sind, die ebenfalls von einem Heizmedium durchströmt werden. Der Druckkoffer 6 kann beheizbar sein, und zwar entweder selbst durch eine entsprechende Heizvorrichtung oder auch passiv über die Heizplatte.
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Dabei ist in dem Ausführungsbeispiel erkennbar, dass die Form 4 von einer beheizbaren Grundplatte gebildet wird, die auf dem Pressentisch angeordnet wird. Dabei zeigt 9 eine Funktionsstellung, bei der diese Grundplatte als Form 4 in den Pressenraum eingebracht wird. Zu diesem Zweck ist eine Zuführvorrichtung 21 vorgesehen, die z. B. eine oder mehrere Schienen aufweist, über welche die Form 4 bzw. Grundplatte in den Pressenraum eingebracht werden kann.
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Die dargestellte Presse ist z. B. für die Herstellung eines Druckschotts für einen Flugzeugrumpf geeignet und ausgebildet. Das bzw. die umzuformenden Halbzeuge ist/sind in den 7 bis 9 nicht dargestellt. In 10, welche Pressenoberteil 5 und Pressenunterteil 3 im geschlossenen Zustand zeigt, ist das umgeformte Druckschott D jedoch erkennbar. Dieses Druckschott ist gleichsam linsenförmig ausgebildet.
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Dabei erfolgt mit einem Werkzeug der in den 7 bis 10 dargestellten Art bevorzugt eine Umformung eines Werkstücks, welches von einem ersten Faserhalbzeug, einem zweiten Faserhalbzeug und einem zwischen den Faserhalbzeugen angeordneten formstabilen Kern gebildet wird. Hintergrund ist die Überlegung, dass ein Bauteil hergestellt werden soll, das eine erste Schale und eine zweite Schale und dazwischen einen Kern aufweist, so dass der Kern gleichsam von den beiden Schalen umschlossen ist. Es kann sich dabei um einen Druckschott für ein Flugzeug handeln. Ein solches Verbundbauteil lässt sich erfindungsgemäß in einer Membranpresse herstellen, bevorzugt in einer Membranpresse der beschriebenen Art. Die Form 4 ist dabei an die untere Kontur des Bauteils angepasst. Die obere Kontur wird im Zuge der Umformung mit Hilfe der Membran erzeugt, die sich unter Zwischenschaltung des oberen Halbzeuges gegen den formstabilen Strukturkern anlegt. Dabei liegt es im Rahmen der Erfindung, dass die Absaugung zumindest bereichsweise durch die Form 4 hindurch erfolgt, so dass zumindest bereichsweise eine luftdurchlässige Form verwendet werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011115730 A1 [0003]
- DE 102013105080 A1 [0004]
- DE 102011111233 A1 [0004]
- DE 102011111232 A1 [0004]
- DE 19859798 C1 [0005, 0006]
- EP 1420940 B1 [0007]
- DE 69409618 T2 [0007]
- DE 4040746 A1 [0008]
