DE102016125958A1

DE102016125958A1 - Werkzeug zum Formen eines T-förmigen Halbzeugs

Info

Publication number: DE102016125958A1
Application number: DE102016125958.6A
Authority: DE
Inventors: Alexander Gillessen; Jorve Kohls
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2016-12-30
Filing date: 2016-12-30
Publication date: 2018-07-05
Also published as: CN108262991A

Abstract

Werkzeug zum Herstellen eines T-förmigen Halbzeugs aus einem mehrlagigen Stapel von Verbundmaterial, umfassend ein Stegformwerkzeug und ein Umformwerkzeug wobei das Stegformwerkzeug eine benachbarte Hilfsplattform aufweist, das Umformwerkzeug mehrere Rollen aufweist und die Rollen in einem U-förmigen Halterahmen beweglich gelagert sind.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Werkzeug zum Formen eines T-förmigen Halbzeugs sowie ein Verfahren zur Herstellung von T-förmigen Halbzeugen unter Verwendung des Werkzeugs sowie T-förmige Halbzeuge nach einem erfindungsgemäßen Verfahren mit einem erfindungsgemäßen Werkzeug.
Hintergrund der Erfindung
Bei der Konstruktion von Flugzeugen ist der Leichtbau mit Faserverbundwerkstoffen eine entscheidende Komponente in Bezug auf Wirtschaftlichkeit und Einsparung von CO₂ im Betrieb eines Flugzeuges. Deshalb fließen Verbundwerkstoffe und deren Verarbeitungsverfahren vermehrt in die Produktion der Flugzeughersteller mit ein. Eine zentrale Methode ist das Pre-Formen, also das Umformen von flach abgelegten, also gestapelten Faserlagen in die gewünschte Halbzeuggeometrie. Das Pre-Forming von Halbzeugen aus Verbundmaterial unterteilt sich generell in diskontinuierliche und kontinuierliche Produktionsverfahren.
Die EP 1481790 A2 offenbart hierbei ein Verfahren und ein Werkzeug zum Formen von Trägern aus Kompositwerkstoffen.
In der US 006701990 B1 wird eine Maschine mit Walzen zum Formen von imprägniertem Gewebe.
Beschreibung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zur Herstellung von T-förmigen Halbzeugen mit komplexen Geometrien aus mehrlagigem Verbundmaterial vorzuschlagen.
Es wird ein Werkzeug angegeben zum Herstellen eines T-förmigen Halbzeugs aus einem mehrlagigen Stapel von Verbundmaterial, umfassend ein Stegformwerkzeug und ein Umformwerkzeug, wobei das Stegformwerkzeug eine benachbarte Hilfsplattform aufweist und wobei das Umformwerkzeug mehrere Rollen aufweist und wobei die Rollen in einem U-förmigen Halterahmen beweglich gelagert sind. Ein T-förmiges Halbzeug beschreibt einen Vorformling mit einem T-förmigen Querschnitt. Unter Verbundmaterial versteht sich ein Verbundwerkstoff aus Faserwerkstoff der z.B. aus mehreren Kohlenstofffasergewebelagen besteht. Diese Gewebelagen können deckungsgleich gestapelt sein und sind beispielsweise mit einem Binder, der durch Wärme aktiviert wird, versehen. Zum Aktivieren des Binders kann das Werkzeug so gestaltet werden, das es zugleich die Übertragung von Wärme in den Stapel aus Verbundmaterial erlaubt. Die Wärme kann durch Induktion oder Infrarot-Strahlung übertragen werden.
Bevorzugt ist die Hilfsplattform zum Halten eines freien Teils des Stapels ausgestaltet. Der freie Teil des Stapels liegt außerhalb des Stegformwerkzeugs und wird von der Hilfsplattform gehalten, wohingegen der geklemmte Teil des Stapels innerhalb des Stegformwerkzeugs vom oberen und unteren Teil des Stegformwerkzeugs wird.
Weiterhin bevorzugt ist es, wenn die Hilfsplattform in ihrer Lage in positiver und negativer z-Richtung veränderbar ist. Die angegebene z-Richtung ist ausgehend von einem Koordinatensystem, dessen z-Achse senkrecht zur Erdoberfläche ausgerichtet ist.
Weiterhin bevorzugt ist es, wenn die Ausdehnung der Hilfsplattform in positiver und negativer y-Richtung hinsichtlich der Ausdehnung des Stegformwerkzeugs in positiver und negativer y-Richtung im Wesentlichen gleich ist. Somit ist die Breite der Hilfsplattform entsprechend angepasst an die Breite des Stegformwerkzeugs.
Weiterhin bevorzugt ist es, wenn das Material der Rollen elastisch verformbare Kunststoffe, beispielsweise Hartgummi oder Schäume umfasst. Die Verformbarkeit und Elastizität der Kunststoffe ist für eine Anpassung der Rollen während eines Umformverfahrens an die gewählte Geometrie des Halbzeugs vorteilhaft. Einem Wechsel von Werkzeugen ist damit teilweise entgegengewirkt.
Weiterhin bevorzugt ist es, wenn eine Bewegung der Rollen in mindestens eine Raumrichtung über eine Federung möglich ist. Die Federung unterstützt die Auslenkung und das Zurückstellen der Rollen während des Umformens.
Weiterhin bevorzugt ist es, wenn die Federung in den äußeren Abschnitten des Halterahmens vorgesehen ist. Vorteilhafterweise dort, wo die Achsen der Rollen in den Rahmen übergehen.
Die Erfindung umfasst auch ein Verfahren zum Herstellen eines T-förmigen Halbzeugs unter Verwendung eines oben beschriebenen Werkzeugs, umfassend einen ersten Verfahrensschritt, das Einspannen des Stapels in das Werkzeug, einen zweiten Verfahrensschritt, das Einleiten von Wärme, einen dritten Verfahrensschritt, das Umformen des freien Teils des Stapels und einen vierten Verfahrensschritt, das Entnehmen des T-förmigen Halbzeugs aus dem Werkzeug.
Dabei kann sowohl mit nicht ausgehärtetem, aushärtbarem Matrixmaterial vorimprägniertes Verbundmaterial (Prepreg), als auch nicht mit nicht ausgehärtetem, aushärtbarem Matrixmaterial vorimprägniertes Vebundmaterial (Trockenfaser) verwendet werden. Es ist es bevorzugt, wenn nicht vorimprägniertes Verbundmaterial vorgesehen ist. Dabei kann vorimprägniertes Verbundmaterial beispielsweise eine Gewebematte aus Kohlefaser sein, die nicht mit reaktionsfähigem Harz getränkt ist, aber Klebemittel enthält, das ein aneinander Haften der einzelnen Lagen ermöglicht.
Die Erfindung umfasst auch ein T-förmiges Halbzeug erhalten durch ein erfindungsgemäßes Verfahren.
Weiterhin umfasst die Erfindung auch ein ist ein Verfahren, wobei ein fünfter Verfahrensschritt: Aushärten eines Bauteils, umfasst ist.
Figurenliste

1 zeigt eine schematische Darstellung des Stegumformwerkzeugs mit einem Stapel Verbundmaterial und der Hilfsplattform in einer ersten Ansicht.
2 zeigt eine schematische Darstellung des Stegumformwerkzeugs mit einem Stapel Verbundmaterial und der Hilfsplattform in einer zweiten Ansicht.
3 zeigt eine beispielhafte Ausführung des Umformwerkzeuges mit Halterahmen und Rollen.
4 zeigt das Stegformwerkzeug mit einem Stapel aus Verbundmaterial und teilweise das Umformwerkzeug in einer Ansicht von oben.

Alle Figuren sind schematische Darstellungen erfindungsgemäßer Vorrichtungen bzw. ihrer Bestandteil und dessen Verwendung in einem Verfahren. Insbesondere Abstände und Größenrelationen sind in den Figuren nicht maßstabsgetreu wiedergegeben. In den verschiedenen Figuren sind gleiche oder identische Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt eine schematische Darstellung des Stegumformwerkzeugs 2 mit einem Stapel aus Verbundmaterial 4 und der Hilfsplattform in einer ersten Ansicht. Ein oberer und ein unterer Teil des Stegformwerkzeugs 21, 22 sind derart angeordnet, sodass sie sich beabstandet und parallel gegenüberliegen. Vorteilhafterweise in einem Abstand, der im Wesentlichen der Höhe eines eingelegten Stapels aus Verbundmaterial 2 entspricht, um die Verfahrzeiten der beiden Teile des Stegformwerkzeugs 2 zu minimieren. Die Hilfsplattform 7 ist benachbart zum unteren Teil des Stegformwerkzeugs 22 angeordnet und hält während der ersten beiden Arbeitsschritte den freien Teil des Stapels 5 an seiner Position parallel zur Auflagefläche des unteren Teils des Stegformwerkzeugs 22 und der Hilfsplattform 7, wohingegen der geklemmte Teil des Stapels 6 zwischen dem oberen und unteren Teil des Stegformwerkzeugs 21, 22 gelagert ist.
2 zeigt eine schematische Darstellung des Stegumformwerkzeugs 2 mit einem Stapel aus Verbundmaterial 4 und der Hilfsplattform 7 in einer zweiten Ansicht. Hierbei ist die vorteilhafte Ausdehnung der Hilfsplattform 7 in y-Richtung gezeigt, die im Wesentlichen gleich zur Ausdehnung des Stegformwerkzeugs 2 y-Richtung ist. Die Anpassung der Geometrie der Hilfsplattform 7 an die Geometrie des Stegformwerkzeugs 2 soll eine unterstützende Haltefunktion des freien Teils des Stapels 5 über die gesamte Breite (y-Richtung) des Stegformwerkzeugs 2 gewährleisten.
3 zeigt eine beispielhafte Ausführung des Umformwerkzeuges 3 mit Halterahmen 9 und Rollen 8. Der Halterahmen 9 ist im Wesentlichen U-förmig und weist in dieser Ausführung zehn Rollen 8 unterschiedlicher Querschnitte auf. Ihre Anordnung erfolgt im Wesentlichen auf Grund der Ausdehnung der Querschnittsfläche. Beispielhaft von links nach rechts mit immer größeren Flächen bis die letzten drei Rollen 8 die gleiche Querschnittsfläche aufweisen. Die Rollen 8 sind derartig ausgeformt um den freien Teil des Stapels im dritten Verfahrensschritt umzuformen (s. 4). Hierbei sind die ersten drei Rollen 8 in ihrem Querschnitt im Wesentlichen rautenförmig, um zu Beginn des dritten Verfahrensschritts den freien Teil des Stapels aus Verbundmaterial präzise in zwei gleiche Teile zu teilen um den Fuß eines T-förmigen Halbzeugs zu formen. Diese Rollen 8 sind diskusartig ausgestaltet. Die darauffolgenden Rollen 8 sind im Wesentlichen elliptisch in ihrem Querschnitt und bilden den Übergang einer präzisen Teilung in eine abgerundetere, flachere Teilung. Schließlich bilden die darauf folgenden zwei, im Wesentlichen walzenförmigen Rollen 8 eine weiterführende, flache Ausformung des Fußes des T-förmigen Halbzeugs. Die letzten drei Rollen 8 in dieser Anordnung bilden die Endform des Fußes des T-förmigen Halbzeugs aus und gewährleisten eine gleichmäßige Oberfläche des Halbzeugs.
4 zeigt das Stegformwerkzeug 2 mit einem Stapel aus Verbundmaterial 4 und teilweise das Umformwerkzeug 3 in einer Ansicht von oben. Das Stegformwerkzeug 2 mit dem oberen und unteren Teil des Stegformwerkzeugs 21, 22 klemmt den Stapel aus Verbundmaterial 4 derartig, sodass kein freier Bereich zwischen dem oberen und unteren Teil des Stegformwerkzeugs 21, 22 und dem Stapel aus Verbundmaterial 4 vorhanden ist. Das teilweise dargestellte Umformwerkzeug 9 befindet sich in unmittelbarer Nähe zum Stapel aus Verbundmaterial 4. Dargestellt ist der dritte Verfahrensschritt unmittelbar bevor die Umformung des freien Teils des Stapels 5 eintritt. Der freie Teil des Stapels 5 wird, während das Umformwerkzeug parallel zur Symetrielinie 11 über den freien Teil des Stapels 5 verfährt, mit Hilfe der Rollen 8 entlang der Symetrielinie 11 in zwei gleiche Abschnitte aufgeteilt. Der obere Abschnitt 23 faltet sich in positiver z-Richtung nach oben und der untere Abschnitt 24 faltet sich in negativer z-Richtung nach unten weg. Im Verlauf des Verfahrens falten und drücken die nacheinander angeordneten Rollen 8 den oberen und den unteren Abschnitt 23, 24 so weit in positiver und negativer z-Richtung, bis die Oberfläche des Fußes senkrecht zum geklemmten Teil des Stapels 6 im Stegformwerkzeug 2 ausgeformt ist.
Bezugszeichenliste

1.: Werkzeug
2.: Stegformwerkzeug
3.: Umformwerkzeug
4.: Stapel aus Verbundmaterial
5.: freier Teil des Stapels
6.: geklemmter Teil des Stapels
7.: Hilfsplattform
8.: Rollen
9.: Halterahmen
10.: Federung
11.: Symetrielinie
21.: oberer Teil des Stegformwerkzeugs
22.: unterer Teil des Stegformwerkzeugs
23.: oberer Abschnitt
24.: unterer Abschnitt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1481790 A2 [0003]
US 006701990 B1 [0004]

Claims

Werkzeug (1) zum Herstellen eines T-förmigen Halbzeugs aus einem mehrlagigen Stapel (4) von Verbundmaterial, umfassend: - ein Stegformwerkzeug (2) - ein Umformwerkzeug (3) dadurch gekennzeichnet, dass - das Stegformwerkzeug (2) eine benachbarte Hilfsplattform (7) aufweist, - das Umformwerkzeug (3) mehrere Rollen (8) aufweist, - das die Rollen (8) in einem U-förmigen Halterahmen (9) beweglich gelagert sind.
Werkzeug (1) nach Anspruch 1, wobei die Hilfsplattform (7) zum Halten eines freien Teils des Stapels (5) ausgebildet ist.
Werkzeug (1) einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Hilfsplattform (7) in ihrer Lage in positiver und negativer z-Richtung veränderbar ist.
Werkzeug (1) einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ausdehnung der Hilfsplattform (7) in positiver und negativer y-Richtung hinsichtlich der Ausdehnung des Stegformwerkzeugs (2) in positiver und negativer y-Richtung im Wesentlichen gleich ist.
Werkezeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Material der Rollen (8) elastisch verformbare Polymere, beispielsweise Hartgummi oder Schäume, umfasst.
Werkzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Bewegung der Rollen (8) in mindestens eine Raumrichtung über eine Federung (10) möglich ist.
Werkzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Federung (10) in den äußeren Abschnitten des Halterahmens (9) vorgesehen ist.
Verfahren zum Herstellen eines T-förmigen Halbzeugs unter Verwendung eines Werkzeugs nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend: - einen ersten Verfahrensschritt: Einspannen eines Stapels von Faserlagen (Verbundmaterial) in ein Werkzeug, - einen zweiten Verfahrensschritt: Einleitung von Wärme in den Stapel von Faserlagen, - einen dritten Verfahrensschritt: Umformung des freien, nicht eingespannten Teils des Stapels von Faserlagen, - einen vierten Verfahrensschritt: Entnahme des T-förmigen Halbzeugs.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass nicht vorimprägniertes Verbundmaterial vorgesehen ist.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass es die zusätzlichen Verfahrensschritte Tränken des Verbundmaterials mit Harz (aushärtbares Matrixmaterial) und Aushärten des Bauteils, aufweist.
T-förmiges Halbzeug erhältlich durch ein Verfahren nach einem Verfahren nach den Ansprüchen 8 oder 9.
Bauteil erhältlich durch ein Verfahren nach Anspruch 11.