DE102016122536A1

DE102016122536A1 - Vorrichtung zum Tragen eines Faserverbund-Harzsystems in einer Wärmeübertragungseinrichtung

Info

Publication number: DE102016122536A1
Application number: DE102016122536.3A
Authority: DE
Inventors: Paulin Fideu Siagam; Alexander Gillessen; Heike Lindhorst; Konstantin Schubert
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2016-11-22
Filing date: 2016-11-22
Publication date: 2018-05-24
Also published as: US20180141242A1

Abstract

Die vorliegende bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Tragen eines Faserverbund-Harzsystems in einer Wärmeübertragungseinrichtung, insbesondere einem Autoklav, zum Übertragen von Wärme zwischen dem Faserverbund-Harzsystem und einer gerichteten Gasströmung, um ein Faserverbundbauteil für ein Luftfahrtzeug herzustellen. Die Vorrichtung umfasst eine Trägerstruktur zum Tragen des Faserverbund-Harzsystems, wobei die Trägerstruktur mindestens einen Strömungspfad aufweist, der sich bei Aufnahme der Vorrichtung in der Wärmeübertragungseinrichtung von einem Eingang an einer der gerichteten Gasströmung zugewandten Seite entlang des durch die Trägerstruktur aufgenommenen Faserverbund-Harzsystems erstreckt, um so einen Wärmeaustauch zwischen der Gasströmung in dem Strömungspfad und dem Faserverbund-Harzsystem zu ermöglichen, und eine Umlenkeinrichtung zum Umlenken von zumindest einem Teil der gerichteten Gasströmung, wenn die Vorrichtung in der Wärmeübertragungseinrichtung aufgenommen ist, um diesen Teil dem Strömungspfad der Trägerstruktur zuzuführen. Ferner bezieht sich vorliegende Erfindung auf einen Autoklav mit solch einer Vorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundbauteils.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Tragen eines Faserverbund-Harzsystems in einer Wärmeübertragungseinrichtung, beispielsweise einem Autoklav. Das Faserverbund-Harzsystem kann ein nichtausgehärtetes Prepreg sein. Die Wärmeübertragungseinrichtung ist geeignet, Wärme zwischen dem Faserverbund-Harzsystem und einer Gasströmung zu übertragen. Die Vorrichtung umfasst eine Trägerstruktur zum Tragen des Faserverbund-Harzsystems mit einem Strömungspfad, der sich bei Aufnahme der Vorrichtung in der Wärmeübertragungseinrichtung von einer der Gasströmung zugewandten Seite entlang des durch die Trägerstruktur aufgenommenen Werkstücks erstreckt, um so einen Wärmeaustausch zwischen der Gasströmung in dem Strömungspfad und dem Faserverbund-Harzsystem zu ermöglichen.
Stand der Technik
Die heutige Fertigung von Faserverbundbauteilen für die Luftfahrtindustrie erfolgt meist in Autoklaven, indem nicht ausgehärtetes Prepreg auf einer an die Kontur des fertigen Produkts angepassten Oberfläche abgelegt wird. Um den Transport des Bauteils zu ermöglichen, wird unter diese Oberfläche eine versteifende Unterstruktur, häufig in Form eines Balkentragwerks oder einer aus geschnittenen Platten geschweißten Kreuzstruktur, vorgesehen.
1 zeigt eine derartige aus dem Stand der Technik bekannte Unterstruktur 50. Die Unterstruktur 50 ist rechteckig ausgebildet und umfasst eine Oberseite 51, auf der ein nicht ausgehärtetes Prepreg als Beispiel eines Faserverbund-Harzsystems ablegbar ist. Unterhalb der Oberseite 51 ist eine wabenartige Struktur 52 vorgesehen, die mit der Oberseite 51 verbunden und auf mehreren Füßen 53 gelagert ist. Die Unterstruktur 50 stellt eine Trägerstruktur zum Tragen des Faserverbund-Harzsystems dar.
Die wabenartige Struktur 52 ist aus einzelnen Kammern 54 aufgebaut, welche jeweils an allen Seitenflächen, d.h. an allen Flächen mit einer Erstreckungskomponente senkrecht zur Oberfläche 51, eine Öffnung 55 aufweisen. Damit weist auch die wabenartige Struktur 52 als Ganzes Öffnungen 55 an allen Seitenflächen auf. Genauer gesagt umfasst die wabenartige Struktur 52 Öffnungen 55 an der Stirnfläche 56, an der der Stirnfläche gegenüberliegenden Rückfläche 61, die in 2 gezeigt ist, und an den beiden gegenüberliegenden Seitenflächen 57 der wabenartigen Struktur, die zwischen Stirnfläche 56 und Rückfläche 61 angeordnet sind.
Jede der Kammern 54 der wabenartigen Struktur 52 ist damit mit jeder anderen Kammer 54 über einen Strömungspfad verbunden. Insbesondere weist die wabenartige Struktur 52 einen Strömungspfad zwischen den Öffnungen 55 der Kammern 54 an der Stirnfläche 56 und den Öffnungen 55 der Kammern 54 an den Seitenflächen 57 der wabenartigen Struktur 52 auf. Ebenfalls umfasst die wabenartige Struktur 52 einen Strömungspfad zwischen den Öffnungen 55 der Kammern 54 an der Stirnfläche 56 und den Öffnungen der Kammern an der Rückfläche 61, welche der Stirnfläche gegenüberliegt.
Zur Aushärtung des Faserverbund-Harzsystems, welches auf der Oberseite 51 der Trägerstruktur 50 vorgesehen ist, wird die gesamte Trägerstruktur 50 samt Werkstück W in einen Autoklaven 60 geschoben, wie aus Figs. 2 und 3 ersichtlich. Anschließend wird das Faserverbund-Harzsystem mit einer gerichteten Gasströmung G beaufschlagt, um dem Harzsystem über das Gas Wärme zuzuführen bzw. Wärme zu entziehen. Ein Teil der gerichteten Gasströmung G tritt dabei auch durch die Öffnungen 55 in der Stirnfläche 56 in die Kammern 54 der wabenartigen Struktur 52 ein.
Diese aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen weisen jedoch den Nachteil hoher Prozesszeiten und geringer Energieeffizienz auf.
Darstellung der Erfindung
Es ist demnach eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Tragen eines Faserverbund-Harzsystems in einer Wärmeübertragungseinrichtung zum Übertragen von Wärme zwischen dem Faserverbund-Harzsystem und einer Gasströmung bereitzustellen, die geringe Prozesszeiten und einen niedrigen Energieverbrauch der Wärmeübertragungseinrichtung ermöglicht.
Der Erfindung liegt der Gedanke zu Grunde, dass die hohen Prozesszeiten sowie der hohe Energieverbrauch der Vorrichtungen im Stand der Technik vor allem dadurch begründet sind, dass sich ein Großteil der Gasströmung im Autoklaven vom Faserverbund-Harzsystem entfernt bewegt und damit nur geringfügig am Wärmeaustausch teilnimmt. Darüber hinaus resultiert die wabenartige Ausgestaltung der Trägerstruktur mit seitlichen Öffnungen darin, dass insbesondere im hinteren Bereich der wabenartigen Struktur kein Wärmeaustauch mehr zwischen dem Gasstrom und der Struktur auftritt. Dies lässt sich im Wesentlichen dadurch begründen, dass sich die Gasströmung den Weg des geringsten Widerstands sucht und daher im vorderen Bereich der Trägerstruktur aus den Öffnungen in der Seitenfläche austritt. Im Ergebnis führt dies zu einer ungleichen Erwärmung der Trägerstruktur und damit des darauf befindenden Faserverbund-Harzsystems, was wiederum lange Prozesszeiten und einem hohen Energiebedarf zur Folge hat.
Diese Erkenntnis macht sich die vorliegende Erfindung zu Nutzen und stellt eine Vorrichtung zum Tragen eines Faserverbund-Harzsystems, insbesondere eines nicht ausgehärteten Prepregs, in einer Wärmeübertragungseinrichtung zum Übertragen von Wärme zwischen dem Faserverbund-Harzsystem und einer gerichteten Gasströmung bereit, die eine Trägerstruktur zum Tragen des Faserverbund-Harzsystems, wobei die Trägerstruktur mindestens einen Strömungspfad aufweist, der sich bei Aufnahme der Vorrichtung in der Wärmeübertragungseinrichtung von einer der gerichteten Gasströmung zugewandten Seite entlang des durch die Trägerstruktur aufgenommenen Faserverbund-Harzsystems erstreckt, um so einen Wärmeaustauch zwischen der Gasströmung in dem Strömungspfad und dem Faserverbund-Harzsystem zu ermöglichen, und eine Umlenkreinrichtung zum Umlenken zumindest eines Teils der gerichteten Gasströmung aufweist, um diesen Teil zusätzlich dem Strömungspfad der Trägerstruktur zuzuführen. Unter einer zusätzlichen Zuführung wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung verstanden, dass der umgelenkte Teil zusätzlich zu dem Teil zugeführt wird, der bereits ohne Umlenkung in die wabenartige Struktur eintritt. Unter einem Umlenken einer Strömung wird erfindungsgemäß eine makroskopische Richtungsänderung der Strömung verstanden. In andren Worten wird durch die Umlenkeinrichtung die Strömungsrichtung der Gasströmung verändert. Die Wärmeübertragungseinrichtung kann ein Autoklav und/oder ein Ofen sein, der bevorzugt einen kreis symmetrischen Querschnitt, besonders bevorzugt einen kreisförmigen Querschnitt aufweist. Auch andere Querschnittsformen, beispielsweise ein rechteckiger oder ein quadratischer Querschnitt, sind hier denkbar. Das Faserverbund-Harzsystem kann insbesondere der Fertigung eines großflächigen Faserverbundbauteils für die Luftfahrt dienen, beispielsweise einer Rumpf- oder Flügelschale, einem Leitwerksteil oder einer größeren Rippe. Auch andere Faserverbundbauteile sind in diesem Zusammenhang denkbar.
Die Vorrichtung kann bevorzugt in einem Open-mould Prozess, also einem Prozess unter Verwendung von Vakuumfolien, bei denen Wärme über das Umgebungsfluid in den Prozess eingebracht bzw. durch dieses abgeführt wird, verwendet werden.
Durch Vorsehen der Umlenkeinrichtung wird der Trägerstruktur ein größerer Anteil von der in der Wärmeübertragungseinrichtung vorhandenen Gasströmung zugeführt. In anderen Worten wird die gerichtete Gasströmung in den Strömungspfad der Trägerstruktur durch die Umlenkeinrichtung gezwungen. Im Ergebnis nimmt damit ein größerer Prozentsatz der Gasströmung aktiv am Wärmetausch mit dem Faserverbund-Harzsystem teil. Dies verringert die Prozesszeiten und den Energiebedarf, da die ausgetauschte Wärmeleistung zwischen diesen Komponenten erhöht werden kann. Darüber hinaus stellt sich die Erhöhung des Gasstroms, der durch die Trägerstruktur strömt, durch das Vorsehen der Umlenkeinrichtung dahingehend als vorteilhaft dar, dass eine Wärmeübertragung zwischen dem Gas und dem Faserverbund-Harzsystem über die dazwischenliegende Trägerstruktur aufgrund von relativ hohen Wärmeübergangskoeffizienten besonders effektiv ist. Dieser Effekt trägt damit zusätzlich zu kurzen Prozesszeiten und einer hohen Energieeffizienz bei. Schlussendlich führt die Erhöhung des Gasstroms durch die Trägerstruktur zu einer gleichmäßigeren Erwärmung/Kühlung, was wiederum in geringeren Temperaturgradienten innerhalb der Struktur resultiert und damit schnellere Temperaturwechsel möglich macht. Auch dieser Effekt ermöglicht geringere Prozesszeiten und einen geringeren Energieverbrauch der Wärmeübertragungseinrichtung.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Umlenkeinrichtung an einem Ende der Trägerstruktur vorgesehen. Dies ermöglicht es, dass so der Teil der gerichteten Gasströmung, der durch die Umlenkeinrichtung umgelenkt wird, dem Eingang des Strömungspfads der Trägerstruktur zugeführt werden kann. Insbesondere ist die Umlenkeinrichtung an dem Ende der Trägerstruktur vorgesehen, das bei Aufnahme der Vorrichtung in der Wärmeübertragungseinrichtung der gerichteten Gasströmung zugewandt ist. Die Umlenkeinrichtung kann an der Stirnfläche der Trägerstruktur vorgesehen sein. Die Umlenkeinrichtung kann lösbar vorgesehen sein oder unlösbar mit der Trägerstruktur verbunden sein. Folglich wird durch diese bevorzugte Ausgestaltung eine vollständige Durchströmung des Strömungspfads mit erhöhter Strömungsrate ermöglicht, da zusätzlich der umgelenkte Teil der gerichteten Strömung dem Eingang zugeführt wird, was zu besonders geringen Prozesszeiten und einem besonders geringen Energiebedarf der Wärmeübertragungseinrichtung führt.
Die Umlenkeinrichtung kann ein Umlenkschild aufweisen, das bei Aufnahme der Vorrichtung in der Wärmeübertragungseinrichtung bevorzugt senkrecht zur gerichteten Gasströmung vorgesehen ist. Das Umlenkschild kann aus Metall ausgebildet sein, wobei hier auch andere Materialien denkbar sind. Das Umlenkschild kann als Blech ausgebildet. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine besonders kostengünstige und dennoch effektive Umlenkeinrichtung.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Umlenkeinrichtung einen Umlenktrichter auf, der sich trichterförmig vom Eingang des Strömungspfads der Trägerstruktur aufweitet. Der Umlenktrichter erstreckt sich bevorzugt vom Eingang des Strömungspfads trichterförmig in Richtung der gerichteten Gasströmung. In anderen Worten wird die gerichtete Gasströmung der Wärmeübertragungseinrichtung durch den Umlenktrichter auf den Eingang des Strömungspfads der Trägerstruktur zugeführt beziehungsweise gebündelt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung erfordert ein Trichter keine Rotationssymmetrie, wobei der Umlenktrichter auch rotationssymmetrisch ausgebildet sein kann. Ein Umlenktrichter gemäß der vorliegenden Erfindung erfordert lediglich, dass sich dessen Querschnittsfläche in Richtung der Trichterachse vergrößert. Diese bevorzugte Ausgestaltung führt zu besonders geringen Prozesszeiten und einem besonders geringen Energieverbrauch der Wärmeübertragungseinrichtung, da durch den Umlenktrichter die Gasflussrate durch die Trägerstruktur maximiert werden kann.
Darüber hinaus kann die Umlenkeinrichtung ein flexibles Material mit einer Halteeinrichtung aufweisen. Das flexible Material kann beispielsweise ein Gummi sein. Bevorzugt ist das flexible Material ein Material, das eine Temperaturbeständigkeit von mindestens 200°C aufweist. Die Halteeinrichtung ermöglicht eine lösbare Befestigung des flexiblen Materials an der Wärmeübertragungseinrichtung und/oder der Trägerstruktur. Bevorzugt ermöglicht die Halteeinrichtung eine lösbare Befestigung des flexiblen Materials an der Trägerstruktur. Dabei kann das flexible Material fest mit der Wärmeübertragungseinrichtung, z.B. einem Autoklav, verbunden sein. Das flexible Material kann segel- bzw. sackartig ausgebildet sein. Diese Ausgestaltung ermöglich besonders hohe Flexibilität und eine einfache Handhabung der Vorrichtung. Durch das flexible Material können Abmessungs- und/oder Positionierungsschwankungen zwischen Trägerstruktur und Wärmeübertragungseinrichtung ausgeglichen werden, sodass die Effektivität der Vorrichtung über ein breites Spektrum von Bedingungen sichergestellt wird. Darüber hinaus kann die Abmessung der Vorrichtung verringert werden, da die flexible Umlenkeinrichtung auf der Trägerstruktur ablegbar ist oder fest an der Wärmeübertragungseinrichtung vorgesehen ist, was zu einer verbesserten Handhabung führt. Dies wiederum vereinfacht die Bestückung der Wärmeübertragungseinrichtung, was in noch kürzeren Prozesszeiten resultiert.
Besonders einfach gestaltet sich die Handhabung der Vorrichtung, wenn die Halteeinrichtung einen Reißverschluss umfasst. Über den Reißverschluss kann in dieser bevorzugten Ausführungsform die Trägerstruktur und/oder die Wärmeübertragungseinrichtung mit dem flexiblen Material verbunden werden. Beispielsweise ist ein Reißverschluss zum Verbinden des flexiblen Materials mit der Trägerstruktur vorgesehen. Zum Herstellen eines Bauteils muss dann lediglich die Trägerstruktur samt Faserverbund-Harzsystem in die Wärmeübertragungseinrichtung befördert werden, was sich als besonderes einfach darstellt, da die Umlenkeinrichtung in diesem Zustand von der Trägerstruktur entkoppelt ist. Anschließend wird die Trägerstruktur an das flexible Material über den Reißverschluss angekoppelt. Zur Herstellung eines weiteren Bauteils wird der Reißverschluss geöffnet und derselbe Ablauf wiederholt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich der Strömungspfad der Trägerstruktur von dem Eingang, der bei Aufnahme der Vorrichtung in der Wärmeübertragungseinrichtung der gerichteten Strömung zugewandt ist, zu einem Ausgang an der gegenüberliegenden Seite der Trägerstruktur entlang des gesamten Faserverbund-Harzsystems, wenn dieses durch die Trägerstruktur aufgenommen ist. In anderen Worten weist die Trägerstruktur einen Strömungspfad auf, der sich von der Vorder- zur Hinterseite durch die gesamte Struktur hindurch zieht. Ebenfalls weist die Trägerstruktur mindestens einen weiteren Strömungspfad zwischen dem Eingang und einer Öffnung in einer der Seitenflächen zwischen Eingang und Ausgang der Trägerstruktur auf. Handelt es sich bei der Trägerstruktur um ein quaderförmiges Gebilde, bei dem der Eingang an einer der Seitenflächen und der Ausgang an der gegenüberliegenden Seitenfläche vorgesehen ist, weist damit mindestens eine der verbleibenden parallelen Seitenfläche eine Öffnung auf. Bevorzugt weist jede der Seitenflächen zwischen Eingang und Ausgang mindestens eine Öffnung, die mit dem Eingang verbunden ist, und weiter bevorzugt weist jede mehrere mit dem Eingang verbundene Öffnungen auf. Damit umfasst die Trägerstruktur mindestens einen, bevorzugt mehrere, Strömungspfad(e) zwischen Eingang und Seitenfläche zwischen Eingang und Ausgang. Durch diese Ausgestaltung wird eine Trägerstruktur bereitgestellt, die durch eine weitreichende Durchsetzung mit Strömungspfaden einen besonders guten Wärmeaustausch mit dem durchströmenden Gas ermöglicht und dabei ein geringes Gewicht aufweist.
Die Trägerstruktur kann dabei wabenartig aus einzelnen Kammern ausgebildet sein, die unterhalb einer Oberseite angeordnet sind. Die einzelnen Kammern können jeweils quaderförmig ausgestaltet sein. Jeder der Kammern weist auf ihren Seitenflächen, d.h. ihren Flächen, die eine Erstreckungskomponente senkrecht zur Oberseite aufweisen, mindestens eine Öffnung auf. Benachbarte Kammern sind daher jeweils über eine Öffnung miteinander verbunden. Dies hat zum Ergebnis, dass jede Kammer über einen Strömungspfad mit jeder anderen Kammer der Trägerstruktur verbunden ist. Insbesondere weist die Trägerstruktur damit auch an allen Seitenflächen mehrere Öffnungen auf, die über einen Strömungspfad miteinander verbunden sind.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung ferner ein Abdichtelement zum Abdichten der mindestens einen Öffnung an der Seitenfläche zwischen Eingang und Ausgang auf. Unter einem Abdichtelement wird erfindungsgemäß eine Einrichtung verstanden, die den entsprechenden Strömungspfad blockiert. Eine vollständige hermetische Abdichtung ist hier nicht erforderlich, jedoch möglich. Dies führt zu dem Vorteil, dass Gas, welches durch den Eingang in die Trägerstruktur einströmt, nicht aus den Seitenflächen zwischen Eingang und Ausgang aus der Trägerstruktur entweichen kann. Im Ergebnis wird die Strömung dazu gebracht, durch die Trägerstruktur vom Eingang bis zum Ausgang hindurchzuströmen. Dies führt zu einer gleichmäßigeren Erwärmung von Trägerstruktur und damit dem Faserverbund-Harzsystem, was in geringeren Prozesszeiten und einem geringeren Energiebedarf der Wärmeübertragungseinrichtung resultiert.
Darüber hinaus weist die Trägerstruktur bevorzugt eine formgebende Oberfläche auf, um das Faserverbund-Harzsystem in die Form des mit der Vorrichtung herzustellenden Faserverbundbauteils zu bringen. Diese formgebende Oberfläche ist besonders bevorzugt zum Herstellen einer Rumpf -, Flügelschale, eines Leitwerkteils oder einer Rippe für ein Luftfahrzeug ausgebildet. Bei größeren Faserverbundbauteilen, wie den zuvor genannten, entfaltet die vorliegende Erfindung besondere Wirkung. Dies liegt darin begründet, dass insbesondere bei größeren Bauteilen die Aufheiz- und Abkühlzeiten wesentlich länger als die Haltezeiten zur Aushärtung sein können. Daher lassen sich bei diesen Bauteilen aufgrund der schnelleren und gleichmäßigeren Erwärmung im Rahmen der vorliegenden Erfindung besonders große Vorteile erzielen.
Bevorzugt ist die formgebende Oberfläche in Breitenrichtung der Trägerstruktur nach innen gewölbt, wobei die Vorrichtung ferner ausgestaltet ist, dem gewölbten Bereich einen Teil der gerichteten Gasströmung mit der Umlenkeinrichtung zuzuführen, sodass dieser Teil der Gasströmung durch den gewölbten Bereich am Faserverbund-Harzsystem vorbeiströmen kann. Diese Ausgestaltung ermöglicht es insbesondere Trägerstrukturen mit hohem Strömungswiderstand im Strömungskanal, das Faserverbund-Harzsystem relativ schnell zu erwärmen.
Darüber hinaus bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen Autoklav zur Herstellung eines Faserverbundbauteils für die Luftfahrt. Der Autoklav weist eine Kammer, die bevorzugt zylindrisch ausgebildet ist, eine Strömungserzeugungseinrichtung zum Erzeugen einer gerichteten Gasströmung in der Kammer, und eine Vorrichtung zum Tragen eines Faserverbund-Harzsystems gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen auf. Dabei ist der Autoklav derart ausgestaltet, dass zumindest ein Teil der gerichteten Gasströmung durch Umlenkung mit der Umlenkeinrichtung dem Eingang der Trägerstruktur zuführbar ist. Hinsichtlich der Vorteile dieses Autoklavs wird auf die zuvor beschriebenen Vorteile in Verbindung mit der Vorrichtung zum Tragen eines Faserverbund-Harzsystems verwiesen.
Besonders bevorzugt ist der Autoklav dabei derart ausgebildet, dass sich die Umlenkeinrichtung zwischen der Trägerstruktur und der Kammerinnenfläche erstreckt, um so einen Freiraum zwischen diesen Komponenten, insbesondere vollständig, zu schließen. Dies führt zu besonders kurzen Prozesszeiten und besonders geringen Energieverbrauch der Wärmeübertragungseinrichtung, da so im Wesentlichen die gesamte Gasströmung innerhalb der Autoklavkammer dem Eingang der Trägerstruktur zuführbar ist. Die gesamte Gasströmung im Autoklav nimmt damit aktiv am Wärmetauschvorgang teil.
Ferner bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundbauteils für ein Luftfahrzeug, das bevorzugt einen Autoklav gemäß einer der zuvor beschrieben Ausführungsformen verwendet. Das Verfahren umfasst das Zuführen einer gerichteten Gasströmung zu einer Trägerstruktur, die ein Faserverbund-Harzsystem trägt, wobei die Trägerstruktur einen Strömungspfad aufweist, der sich von einem Eingang, welcher der gerichteten Gasströmung zugewandt ist, entlang des Faserverbund-Harzsystems erstreckt, und das Umlenken eines Teils der gerichteten Gasströmung, um diesen Teil dem Eingang des Strömungspfads des Trägersystems zuzuführen. Hinsichtlich der Vorteile dieses Verfahrens wird auf die Vorteile in Verbindung mit den zuvor beschriebenen Ausführungsformen des Autoklavs und der Vorrichtung zum Tragen eines Faserverbund-Harzsystems verwiesen.
Figurenliste

1 zeigt eine Trägerstruktur für ein Faserverbund-Harzsystem in isometrischer Ansicht, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist.
2 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Autoklavs mit einer Trägerstruktur, die ein Faserverbund-Harzsystem trägt, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist.
3 zeigt den Autoklav samt Trägerstruktur und Faserverbund-Harzsystem, der in 2 gezeigt ist, in Vorderansicht.
4 zeigt eine Vorrichtung zum Tragen eines Faserverbund-Harzsystems gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
5 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Autoklavs mit darin vorgesehener Vorrichtung zum Tragen eines Faserverbund-Harzsystems gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung
4 zeigt eine Vorrichtung zum Tragen eines Faserverbund-Harzsystems 1 in einer Wärmeübertragungseinrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 1 weist eine Trägerstruktur 2 und eine Umlenkeinrichtung 3 auf.
Die Trägerstruktur 2 ist bevorzugt quaderförmig mit einer durchgehenden Oberseite 4 ausgebildet. Auch anderen Formen sind hier denkbar. Auf der Oberseite 4 der Trägerstruktur 2 ist eine formgebende Oberfläche vorgesehen. Die formgebende Oberfläche ist derart ausgebildet, dass ein Faserverbund-Harzsystem, welches durch diese Oberfläche aufgenommen wird, in seine endgültige Form, d.h. in die Form des fertigen Faserverbundwerkstoffs, gebracht werden kann. Insbesondere ist die formgebende Oberfläche dieser Ausführungsform zum Ausbilden großflächiger Faserverbundbauteile, wie einer Rumpf-, Flügelschale, einem Leitwerksteil oder einer größeren Rippe, ausgeformt. Im Rahmen dieser Ausführungsform sind hier jedoch auch andere Formen der formgebenden Oberfläche denkbar. In 4 ist die formgebende Oberfläche lediglich als plane Ebene dargestellt.
Auf einem Faserverbund-Harzsystem, welches auf der formgebenden Oberfläche abgelegt ist, können im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein oder mehrere Druckstücke zum Beschweren des Faserverbund-Harzsystems vorgesehen sein, um dieses in Form zu halten.
Die Trägerstruktur 2 gemäß der Ausführungsform weist unterhalb der Oberseite 4 eine wabenartige Struktur 5 auf. Diese wabenartige Struktur 5 ist als Ganzes bevorzugt ebenfalls quaderförmig ausgebildet und auf mehreren Füßen 6 gelagert. Hier sei angemerkt, dass auch andere Ausgestaltungen der wabenartigen Struktur, beispielsweise eine zylindrische Ausbildung, denkbar sind. Auch die Füße 6 sind lediglich fakultativ für diese Ausführungsform.
Die wabenartige Struktur 5 ist aus einzelnen Kammern 7 aufgebaut, welche jeweils an allen Seitenflächen, d.h. an allen Flächen mit einer Erstreckungskomponente senkrecht zur Oberseite 4, eine Öffnung 8 aufweisen. Damit weist auch die wabenartige Struktur 5 als Ganzes Öffnungen 8 an allen Seitenflächen auf. Genauer gesagt umfasst die wabenartige Struktur 5 Öffnungen 8 an der Stirnfläche 9, an der der Stirnfläche gegenüberliegenden Rückfläche 12, die in 5 gezeigt ist, und an den beiden parallelen Seitenflächen 10 der wabenartigen Struktur 5, die zwischen der Stirnfläche 9 und der Rückfläche 12 der wabenartigen Struktur 5 angeordnet sind.
Jede der Kammern 7 der wabenartigen Struktur 5 ist damit mit jeder anderen Kammer 7 über einen Strömungspfad verbunden. Insbesondere weist die wabenartige Struktur 5 einen Strömungspfad zwischen den Öffnungen 8 der Kammern 7 an der Stirnfläche 9, dem Eingang, und den Öffnungen 8 der Kammern 7 an den Rückfläche 12, dem Ausgang, auf. Genauer gesagt weist die vorliegende Ausführungsform mehrere Strömungspfade zwischen Eingang und Ausgang auf.
Darüber hinaus weist die Trägerstruktur 2 dieser Ausführungsform mehrere Abdichtelemente 11 auf. Die Abdichtelemente 11 sind an den gegenüberliegenden Seitenflächen 10 der Trägerstruktur 2 zum Abdichten aller Öffnungen 8 an diesen Seitenflächen 10 vorgesehen. Durch diese Abdichtelemente 11 werden bevorzugt jegliche Strömungspfade innerhalb der wabenartigen Struktur 5 zwischen den Öffnungen 8 der Seitenflächen 10 und dem Eingang bzw. dem Ausgang verschlossen. In anderen Worten wird durch diese Abdichtelemente sichergestellt, dass die durch den Eingang in die wabenartige Struktur 5 eingetretene Gasströmung lediglich durch den Ausgang entweichen kann. Ein Entweichen über Öffnungen 8 zwischen Eingang und Ausgang wird durch die Abdichtelemente 11 damit unterbunden. Im Rahmen der vorliegenden Ausführungsform ist ebenfalls denkbar, dass lediglich einige Öffnungen 8 an den Seitenfläche 10 zwischen Eingang und Ausgang mit einem Abdichtelement 11 verschlossen sind.
Darüber hinaus weist diese erste bevorzugte Ausführungsform eine Umlenkeinrichtung 3 auf. Die Umlenkeinrichtung 3 ist an der Stirnfläche 9 der wabenartigen Struktur 2 vorgesehen und erstreckt sich bevorzugt senkrecht zur Oberseite 4. Die Umlenkeinrichtung 3 ist in dieser ersten Ausführungsform in Form eines Umlenkschilds ausgebildet, das sich von der Oberseite 4 erstreckt und eine halbkreisförmige Form aufweisen kann, um so einen Zwischenraum zwischen der Trägerstruktur 2 und der Innenfläche eines Autoklavs mit kreisförmigen Querschnitt auszufüllen. Auch andere Formen dieses Umlenkschilds sind hier denkbar. Bevorzugt ist das Umlenkschild jedoch derart ausgestaltet, dass es einen Freiraum zwischen Trägerstruktur und Wärmeübertragungseinrichtung verschließen kann, um so einen Teil einer Gasströmung in der Wärmeübertragungseinrichtung umzulenken und dem Eingang der wabenartigen Struktur 5 zuzuführen. Die Umlenkeinrichtung 3 kann im Rahmen dieser ersten Ausführungsform auch eine andere Ausgestaltung aufweisen. Beispielsweise kann sie trichterförmig ausgebildet sein und/oder ein flexibles Material umfassen, welches insbesondere über einen Reißverschluss mit der Trägerstruktur 2 und/oder einer Wärmeübertragungseinrichtung verbindbar ist.
5 zeigt eine Vorrichtung 20 zum Tragen eines Faserverbund-Harzsystems W gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 20 umfasst eine Trägerstruktur 2, die entsprechend der Trägerstruktur 2 der ersten Ausführungsform ausgebildet ist. Die Trägerstruktur 2 wird demnach im Rahmen dieser zweiten Ausführungsform nicht erneut beschrieben.
Darüber hinaus umfasst die Vorrichtung 20 zum Tragen eines Faserverbund-Harzsystems W gemäß dieser zweiten Ausführungsform eine Umlenkeinrichtung 21, die trichterförmig ausgebildet ist. Der Umlenktrichter 21 dieser zweiten Ausführungsform ist derart ausgestaltet, dass sich dieser vom Eingang der wabenartigen Struktur 5 an der Stirnfläche 9 in Richtung der gerichteten Gasströmung G innerhalb einer Wärmeübertragungseinrichtung, beispielsweise eines Autoklavs, aufweitet. Auch andere Ausgestaltungen der Umlenkeinrichtung sind hier denkbar.
Die Vorrichtung 20 zum Tragen eines Faserverbund-Harzsystems W gemäß der zweiten Ausführungsform ist in 5 in einer Wärmeübertragungseinrichtung 22 aufgenommen. Die Wärmeübertragungseinrichtung 22 ist insbesondere ein Autoklav, kann aber beispielsweise auch ein Ofen sein. Bevorzugt ist die Wärmeübertragungseinrichtung mit einer Kammer 23 ausgebildet, die beispielsweise zylinderförmig ist. Die Wärmeübertragungseinrichtung 22 weist darüber hinaus eine nicht gezeigte Strömungserzeugungseinrichtung auf, um eine gerichtete Gasströmung G zu erzeugen. Die gerichtet Gasströmung G strömt dabei bevorzugt parallel zu einer Symmetrieachse der Wärmeübertragungseinrichtung. Ist die Wärmeübertragungseinrichtung zylinderförmig ausgebildet, strömt die gerichtete Gasströmung bevorzugt entlang der Zylinderachse.
Im Rahmen der zweiten Ausführungsform der Vorrichtung 20 zum Tragen eines Faserverbund-Harzsystems W gemäß der vorliegenden Erfindung ist die trichterförmige Umlenkeinrichtung 21 derart ausgestaltet, dass sie sich vom Eingang der Trägerstruktur 2 an der Stirnfläche 9 bis zur Innenfläche der Kammer 23 der Wärmeübertragungseinrichtung erstreckt. Hier sind auch andere Ausgestaltungen denkbar.
Zur Aushärtung eines Faserverbund-Harzsystems W, welches auf einer formgebenden Oberfläche, die auf der Oberseite 4 der Trägerstruktur 2 angeordnet ist, vorgesehen ist, wird die gesamte Trägerstruktur 2 samt Werkstück W in eine Wärmeübertragungseinrichtung 22 geschoben, wie aus 5 ersichtlich. Anschließend wird durch die Wärmeübertragungseinrichtung 22 eine gerichtete Gasströmung G erzeugt. Die gerichtete Gasströmung G wird durch die Umlenkeinrichtung 21 umgelenkt, um so den gesamten Gasstrom innerhalb der Wärmeübertragungseinrichtung 22 dem Eingang der Trägerstruktur 2 zuzuführen. Aufgrund der Abdichtelemente 11 an den Seitenflächen 10 der Trägerstruktur 2 strömt die gesamte in der Wärmeübertragungseinrichtung 22 erzeugte Gasströmung G vom Eingang zum Ausgang der Trägerstruktur und damit entlang des gesamten Faserverbund-Harzsystems W. Dies führt zu einem gleichmäßigen und hohen Wärmeübergang zwischen der Gasströmung, die sich innerhalb der Trägerstruktur 2 befindet, und der Trägerstruktur 2 und damit dem Faserverbund-Harzsystem W, was in kurzen Prozesszeiten und einer hohen Energieeffizienz resultiert.

Claims

Vorrichtung (1; 20) zum Tragen eines Faserverbund-Harzsystems (W) in einer Wärmeübertragungseinrichtung (22), insbesondere einem Autoklav, zum Übertragen von Wärme zwischen dem Faserverbund-Harzsystem (W) und einer gerichteten Gasströmung (G), um ein Faserverbundbauteil für ein Luftfahrtzeug herzustellen, aufweisend eine Trägerstruktur (2) zum Tragen des Faserverbund-Harzsystems (W), wobei die Trägerstruktur (2) mindestens einen Strömungspfad aufweist, der sich bei Aufnahme der Vorrichtung in der Wärmeübertragungseinrichtung (22) von einem Eingang an einer der gerichteten Gasströmung (G) zugewandten Seite entlang des durch die Trägerstruktur (2) aufgenommenen Faserverbund-Harzsystems (W) erstreckt, um so einen Wärmeaustauch zwischen der Gasströmung in dem Strömungspfad und dem Faserverbund-Harzsystem (W) zu ermöglichen, und eine Umlenkeinrichtung (3) zum Umlenken von zumindest einem Teil der gerichteten Gasströmung (G), wenn die Vorrichtung (1) in der Wärmeübertragungseinrichtung (22) aufgenommen ist, um diesen Teil dem Strömungspfad der Trägerstruktur (2) zuzuführen.
Vorrichtung (1; 20) nach Anspruch 1, bei der die Umlenkeinrichtung (3) an einem Ende der Trägerstruktur (2) vorgesehen ist, um so den Teil der gerichteten Gasströmung (G) dem Eingang des Strömungspfads der Trägerstruktur (2) zuzuführen.
Vorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Umlenkeinrichtung (3) ein Umlenkschild aufweist, das bei Aufnahme der Vorrichtung (1) in der Wärmeübertragungseinrichtung (22) bevorzugt senkrecht zur gerichteten Gasströmung (G) vorgesehen ist.
Vorrichtung (1; 20) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Umlenkeinrichtung (21) einen Umlenktrichter aufweist, der sich bevorzugt vom Eingang des Strömungspfads trichterförmig in Richtung der gerichteten Gasströmung (G) bei Aufnahme der Vorrichtung (20) in der Wärmeübertragungseinrichtung (22) aufweitet.
Vorrichtung (1; 20) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Umlenkeinrichtung (3; 20) ein flexibles Material, insbesondere aus Gummi, mit einer Halteeinrichtung aufweist, die eine lösbare Befestigung des flexiblen Materials an der Wärmeübertragungseinrichtung (22) und/oder der Trägerstruktur (2) ermöglicht.
Vorrichtung (1; 20) nach Anspruch 5, bei der die Halteeinrichtung einen Reißverschluss umfasst.
Vorrichtung (1; 20) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei sich der Strömungspfad der Trägerstruktur (2) vom Eingang zu einem Ausgang an der gegenüberliegenden Seite der Trägerstruktur (2) entlang des gesamten Faserverbund-Harzsystems (W) erstreckt, wenn dieses durch die Trägerstruktur (2) getragen wird, und die Vorrichtung (1; 20) ferner mindestens einen weiteren, bevorzugt mehrere weitere, Strömungspfad(e) zwischen dem Eingang und einer Öffnung(en) (8) in einer (den) Seitenfläche(n) (10) aufweist, die zwischen dem Eingang und dem Ausgang angeordnet ist (sind).
Vorrichtung (1; 20) nach Anspruch 7, bei der die Trägerstruktur (2) wabenartig aus einzelnen Kammern (7) und einer Oberseite (4) ausgebildet ist, wobei jede der Kammern (7) eine Öffnung (8) an ihren Seitenflächen, also ihren Flächen mit einer Komponente senkrecht zur Oberseite (4), aufweist, sodass benachbarte Kammern (7) jeweils über eine Öffnung (8) miteinander verbunden sind.
Vorrichtung (1; 20) nach Anspruch 7 oder 8, die ein Abdichtelement (11) zum Abdichten der mindestens einen Öffnung (8) an der Seitenfläche (10) zwischen Eingang und Ausgang aufweist, wobei die Vorrichtung (1: 20) bevorzugt derart ausgestaltet ist, dass alle Öffnungen (8) an den Seitenflächen (10) zwischen Eingang und Ausgang mit einem oder mehreren Abdichtelementen (11) abgedichtet sind.
Vorrichtung (1; 20) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Trägerstruktur (2) eine formgebende Oberfläche aufweist, um das Faserverbund-Harzsystem (W) in die Form des mit der Vorrichtung herzustellenden Faserverbundbauteils zu bringen.
Vorrichtung (1; 20) nach Anspruch 10, bei der die formgebende Oberfläche zum Herstellen einer Rumpf -, Flügelschale, eines Leitwerkteils oder einer Rippe für ein Luftfahrzeug ausgebildet ist.
Vorrichtung (1; 20) nach Anspruch 10 oder 11, bei der die formgebende Oberfläche in Breitenrichtung der Trägerstruktur (2) nach innen gewölbt ist, wobei die Vorrichtung ferner ausgestaltet ist, dem gewölbten Bereich einen Teil der gerichteten Gasströmung (G) mit der Umlenkeinrichtung (3) zuzuführen, sodass dieser Teil der Gasströmung durch den gewölbten Bereich am Faserverbund-Harzsystem (W) vorbeiströmen kann.
Autoklav (22) zur Herstellung eines Faserverbundbauteils (W) für die Luftfahrt, aufweisend eine Kammer (23), die bevorzugt zylindrisch ausgebildet ist, eine Strömungserzeugungseinrichtung zum Erzeugen einer gerichteten Gasströmung (G) in der Kammer (23), und eine Vorrichtung (1; 20) zum Tragen eines Faserverbund-Harzsystems (W) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der Autoklav (22) derart ausgestaltet ist, dass zumindest ein Teil der gerichteten Gasströmung (G) durch Umlenkung mit der Umlenkeinrichtung (3; 21) dem Eingang der Trägerstruktur (2) zuführbar ist.
Autoklav (22) nach Anspruch 13, der derart ausgebildet ist, dass sich die Umlenkeinrichtung (3; 21) von der Trägerstruktur (2) bis zur Kammerinnenfläche erstreckt, um einen Freiraum zwischen diesen Komponenten, insbesondere vollständig, zu verschließen.
Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundbauteils (W) für ein Luftfahrzeug, insbesondere unter Verwendung eines Autoklavs (22) nach Anspruch 13 oder 14, umfassend Zuführen einer gerichteten Gasströmung (G) zu einer Trägerstruktur (2), die ein Faserverbund-Harzsystem (W) trägt, wobei die Trägerstruktur (2) einen Strömungspfad aufweist, der sich von einem Eingang, welcher der gerichteten Gasströmung (G) zugewandt ist, entlang des Faserverbund-Harzsystems (W) erstreckt, und Umlenken eines Teils der gerichteten Gasströmung (G), um diesen Teil dem Eingang des Strömungspfads der Trägerstruktur (2) zuzuführen.