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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundmaterial-Laminats, das zur Weiterverarbeitung zu einem Bauteil, insbesondere einem Flugzeugstrukturbauteil, aus einem faserverstärkten Verbundmaterial geeignet ist.
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Im Flugzeugbau gibt es Bestrebungen, zunehmend Bauteile einzusetzen, die vollständig oder teilweise aus faserverstärkten Verbundmaterialien, beispielsweise glasfaser- oder kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen bestehen. Beispielsweise beschreibt die
DE 10 2007 062 111 A1 eine aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff bestehende Querträgerstruktur, die der Abstützung der einzelnen Paneele eines Flugzeugfußbodensystems zur Trennung einer Passagierkabine von einem unterhalb der Passagierkabine angeordneten Frachtraum dient. Ferner ist es beispielsweise aus der
DE 10 2004 001 078 B4 bzw. der
CN 100418850 bekannt, Flugzeugrumpfsegmente mit einer Haut sowie Verstärkungselementen (z.B. Spante, Stringer) aus faserverstärkten Verbundmaterialien zu versehen.
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Bei der Herstellung thermoplastischer Verbundmaterialien, die in eine aus einem thermoplastischen Polymermaterial bestehende Matrix eingebettete Verstärkungsfasern enthalten, werden üblicherweise automatische Faserplatzierungsmaschinen (Automated Fibre Placement Machines, AFP) eingesetzt, die dazu dienen, aus einem beispielsweise von einer Spule abgewickelten Tape ein aus einer Mehrzahl von Tapelagen bestehendes Laminat zu erzeugen. In einer automatischen Faserplatzierungsmaschine wird das Tape, das beispielsweise mit dem thermoplastischen Matrixmaterial imprägnierte Verstärkungsfasern enthalten kann, üblicherweise schichtweise auf eine Formgebungsoberfläche eines Formwerkzeugs aufgebracht. Beim Aufbringen einer Tapelage auf das Formwerkzeug, wird eine Kompaktierungswalze über eine Oberfläche der Tapelage geführt. Ferner wird ein Kontaktbereich, in dem eine neu aufgebrachte Tapelage mittels der Kompaktierungswalze auf bereits vorhandene Tapelagen eines auf der Formgebungsoberfläche des Formwerkzeugs ruhenden Substrats gepresst wird, mittels einer Heizeinrichtung auf eine oberhalb der Schmelztemperatur des in den Tapelagen enthaltenen thermoplastischen Matrixmaterials erhitzt. Dadurch kommt es zu einem „Verschweißen“ der übereinander gestapelten Tapelagen. Der Betrieb der Heizeinrichtung bzw. die mittels der Heizeinrichtung in dem Kontaktbereich zwischen einer neu aufgebrachten Tapelage und bereits vorhandenen Tapelagen erzeugte Temperatur kann bei Bedarf mittels einer geeigneten Temperaturüberwachungseinrichtung, beispielsweise einer Wärmekamera überwacht werden.
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Die Erfindung ist auf die Aufgabe gerichtet, eine Vorrichtung und ein Verfahren anzugeben, die es ermöglichen, ein qualitativ hochwertiges Verbundmaterial-Laminat herzustellen, das sich durch gute mechanische Eigenschaften auszeichnet und daher zur Weiterverarbeitung zu einem Bauteil, insbesondere einem Flugzeugstrukturbauteil aus einem faserverstärkten Verbundmaterial geeignet ist.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst.
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Vorrichtung zur Herstellung eines Verbundmaterial-Laminats umfasst ein Formwerkzeug, das eine Formgebungsoberfläche zur Aufnahme von übereinander zu stapelnden Tapelagen umfasst. Die Formgebungsoberfläche des Formwerkzeugs kann eine Form aufweisen, die an eine gewünschte Form des Verbundmaterial-Laminats angepasst ist. Beispielsweise kann die Formgebungsoberfläche des Formwerkzeugs gekrümmt ausgeführt sein, wenn mithilfe des Formwerkzeugs ein eine gekrümmte Kontur aufweisendes Verbundmaterial-Laminat hergestellt werden soll. Ein auf die Formgebungsoberfläche des Formwerkzeugs aufzubringendes Tape enthält vorzugsweise Verstärkungsfasern sowie ein thermoplastisches Polymermaterial, das beispielsweise in Form einer Beschichtung oder Imprägnierung auf die Verstärkungsfasern aufgebracht sein kann. Die Verstärkungsfasern können Kohlenstofffasern, Glasfasern oder aus einem anderen geeigneten Material bestehende Fasern sein. Das thermoplastische Polymermaterial kann ein beliebiges zur Herstellung thermoplastischer Verbundmaterialien geeignetes Polymermaterial sein. Wenn das thermoplastische Verbundmaterial eine hohe Temperaturbeständigkeit aufweisen soll, können hochschmelzenden thermoplastische Polymere, wie zum Beispiel Polyetheretherketon (PEEK) oder Polyetherketonketon (PEKK) zum Einsatz kommen. Um eine Tapelage auf die Formgebungsoberfläche des Formwerkzeugs aufzubringen, kann das Tape von einer Spule abgewickelt und auf die Formgebungsoberfläche des Formwerkzeugs gelegt werden. Anschließend kann das Tape auf eine gewünschte Länge geschnitten werden.
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Ferner umfasst die Vorrichtung zur Herstellung eines Verbundmaterial-Laminats eine Kompaktierungseinrichtung, die dazu eingerichtet ist, in einer Bewegungsrichtung über die Formgebungsoberfläche des Formwerkzeugs bewegt zu werden und dabei eine Druckkraft auf eine auf die Formgebungsoberfläche des Formwerkzeugs aufgebrachte Tapelage auszuüben. Beispielsweise kann die Kompaktierungseinrichtung dazu eingerichtet sein, entlang einer Längsachse eines von einer Spule abgewickelten und auf die Formgebungsoberfläche des Formwerkzeugs gelegten Tapes über die Formgebungsoberfläche des Formwerkzeugs bewegt zu werden, um das Tape gegen die Formgebungsoberfläche des Formwerkzeugs oder eine darunterliegende Tapelage zu pressen. Die Kompaktierungseinrichtung kann beispielsweise in Form einer Kompaktierungswalze ausgebildet sein.
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Eine erste Heizeinrichtung der Vorrichtung zur Herstellung eines Verbundmaterial-Laminats ist dazu eingerichtet, einen Kontaktbereich zwischen einer neu auf die Formgebungsoberfläche des Formwerkzeugs aufgebrachten Tapelage und bereits auf der Formgebungsoberfläche des Formwerkzeugs ruhenden Tapelagen, der bezogen auf die Bewegungsrichtung der Kompaktierungseinrichtung über die Formgebungsoberfläche des Formwerkzeugs vor der Kompaktierungseinrichtung liegt, zu beheizen. Die erste Heizeinrichtung dient somit der Vorheizung der neu auf die Formgebungsoberfläche des Formwerkzeugs aufgebrachten Tapelage sowie der bereits auf der Formgebungsoberfläche des Formwerkzeugs ruhenden Tapelagen, bevor diese Tapelagen mittels der Kompaktierungseinrichtung gegeneinander gedrückt werden. Ein bezogen auf die Bewegung der Kompaktierungseinrichtung über die Formgebungsoberfläche des Formwerkzeugs hinter der Kompaktierungseinrichtung liegender Bereich der übereinander gestapelten und mittels der Kompaktierungseinrichtung kompaktierten Tapelagen wird dagegen durch die Kompaktierungseinrichtung von der ersten Heizeinrichtung abgeschirmt, so dass dieser Bereich durch die erste Heizeinrichtung kaum oder gar nicht beheizt wird.
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Vorzugsweise ist die erste Heizeinrichtung dazu eingerichtet, die neu auf die Formgebungsoberfläche des Formwerkzeugs aufgebrachte Tapelage sowie die bereits auf der Formgebungsoberfläche des Formwerkzeugs ruhenden Tapelagen auf eine Temperatur zu erwärmen, die eine Schmelztemperatur eines in den Tapelagen enthaltenen thermoplastischen Polymermaterials überschreitet. Dadurch kann sichergestellt werden, dass die Tapelagen in der gewünschten Weise miteinander „verschweißt“ wenn die Tapelagen durch die Kompaktierungseinrichtung mit einem entsprechenden Druck beaufschlagt werden. Beispielsweise kann die erste Heizeinrichtung dazu eingerichtet sein, Tapelagen, die ein hochschmelzendes thermoplastisches Polymermaterial, wie zum Beispiel PEEK oder PEKK enthalten, auf eine Temperatur von ca. 400 °C bzw. 360 °C zu erwärmen.
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Schließlich umfasst die Vorrichtung zur Herstellung eines Verbundmaterial-Laminats eine zweite Heizeinrichtung, die dazu eingerichtet ist, einen Abkühlbereich der übereinander gestapelten und mittels der Kompaktierungseinrichtung kompaktierten Tapelagen zu beheizen. Der Abkühlbereich liegt bezogen auf die Bewegungsrichtung der Kompaktierungseinrichtung über die Formgebungsoberfläche des Formwerkzeugs hinter der Kompaktierungseinrichtung und wird somit durch die Kompaktierungseinrichtung von der ersten Heizeinrichtung abgeschirmt. Durch die Beheizung des Abkühlbereichs der übereinandergestapelten und kompaktierten Tapelagen mittels der zweiten Heizeinrichtung wird eine unkontrollierte Abkühlung der Tapelagen von der mittels der ersten Heizeinrichtung in den Tapelagen erzeugten Temperatur auf Raumtemperatur verhindert. Vielmehr kann mithilfe der zweiten Heizeinrichtung während der Abkühlung der übereinandergestapelten und kompaktierten Tapelagen ein gewünschter Temperaturgradient in den Tapelagen eingestellt werden, um beispielsweise die Kristallisation der Moleküle bei der Abkühlung in einer gewünschten Weise zu steuern.
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Auf diese Art und Weise können Verbundmaterial-Laminate mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften erhalten werden. Aus den Verbundmaterial-Laminaten hergestellte Bauteile können dann besonders leichtgewichtig gestaltet werden. Ferner kann auf eine Nachbehandlung der Verbundmaterial-Laminate in einem Autoklaven oder Ofen verzichtet werden. Dies ermöglicht die Realisierung von Zeit- und Kosteneinsparungen. Schließlich ermöglicht die kontrollierte Abkühlung der übereinandergestapelten und kompaktierten Tapelagen für Maschinengeschwindigkeiten, d.h. höhere Tapezufuhrraten und damit kürzere Produktionszeiten.
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Die erste Heizeinrichtung und/oder die zweite Heizeinrichtung kann/können gemeinsam mit der Kompaktierungseinrichtung über die Formgebungsoberfläche des Formwerkzeugs bewegbar sein. Beispielsweise kann/können erste Heizeinrichtung und/oder die zweite Heizeinrichtung synchron mit der Kompaktierungseinrichtung über die Formgebungsoberfläche des Formwerkzeugs bewegbar sein, um zu gewährleisten, dass die erste Heizeinrichtung stets in einem gleichbleibenden Abstand von dem Kontaktbereich der Tapelagen angeordnet ist und/oder die zweite Heizeinrichtung stets in einem gleichbleibenden Abstand von dem Abkühlbereich der Tapelagen. Dadurch können insbesondere bei der Herstellung großflächiger Verbundmaterial-Laminate für alle Bereiche der Tapelagen gleichbleibende Prozessbedingungen gewährleistet werden.
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Die erste Heizeinrichtung ist vorzugsweise dazu eingerichtet, in dem Kontaktbereich der Tapelagen eine Temperatur zu erzeugen, die höher ist als eine von der zweiten Heizeinrichtung in dem Abkühlbereich der Tapelagen erzeugte Temperatur. Durch eine derartige Ausgestaltung der Heizeinrichtung wird sichergestellt, dass die Tapelagen in ihrem Kontaktbereich zunächst mittels der ersten Heizeinrichtung auf eine Maximaltemperatur aufgeheizt und anschließend unter Wärmezufuhr durch die zweite Heizeinrichtung kontrolliert abgekühlt werden können.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung zur Herstellung eines Verbundmaterial-Laminats ferner mindestens eine dritte Heizeinrichtung, die dazu eingerichtet ist, den Abkühlbereich der Tapelagen zu beheizen und bezogen auf die Bewegungsrichtung der Kompaktierungseinrichtung über die Formgebungsoberfläche des Formwerkzeugs hinter der zweiten Heizeinrichtung angeordnet ist. Die dritte Heizeinrichtung ist vorzugsweise dazu eingerichtet, in dem Abkühlbereich der Tapelagen eine Temperatur zu erzeugen, die geringer ist als eine von der zweiten Heizeinrichtung in dem Abkühlbereich der Tapelagen erzeugte Temperatur. Durch bezogen auf die Bewegungsrichtung der Kompaktierungseinrichtung über die Formgebungsoberfläche des Formwerkzeugs hintereinander angeordnete zweite und dritte Heizeinrichtungen ist eine schrittweise Abkühlung der übereinander gestapelten und kontaktierten Tapelagen möglich. Infolgedessen kann der Abkühlprozess, d.h. der Temperaturgradient, der sich in den Tapelagen während der Abkühlung der Tapelagen auf Raumtemperatur einstellt, besonders präzise gesteuert werden.
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Falls gewünscht, kann die Vorrichtung auch mehrere dritte Heizeinrichtungen umfassen, die bezogen auf die Bewegungsrichtung der Kompaktierungseinrichtung über die Formgebungsoberfläche des Formwerkzeugs hintereinander angeordnet sind. Die hintereinander angeordneten dritten Heizeinrichtungen sind dann vorzugsweise dazu eingerichtet, in dem Abkühlbereich der Tapelagen stetig fallende Temperaturen zu erzeugen. Je mehr dritte Heizeinrichtungen vorgesehen sind, desto präziser kann der Abkühlprozess der Tapelagen auf Raumtemperatur gesteuert werden.
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Die Vorrichtung zur Herstellung eines Verbundmaterial-Laminats kann mit einer ersten Temperaturerfassungseinrichtung ausgestattet sein, die dazu eingerichtet ist, eine mittels der ersten Heizeinrichtung in dem Kontaktbereich der Tapelagen erzeugte Temperatur zu erfassen. Zusätzlich oder alternativ dazu kann die Vorrichtung eine zweite Temperaturerfassungseinrichtung umfassen, die dazu eingerichtet ist, eine mittels der zweiten Heizeinrichtung in dem Abkühlbereich der Tapelagen erzeugte Temperatur zu erfassen. Wenn die Vorrichtung zur Herstellung eines Verbundmaterial-Laminats eine oder mehrere dritte Heizeinrichtung(en) umfasst, ist vorzugsweise auch jeder dritten Heizeinrichtung eine dritte Temperaturfassungseinrichtung zugeordnet, um die mittels der jeweiligen Heizeinrichtung in dem Abkühlbereich der Tapelagen erzeugte Temperatur zu erfassen.
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Grundsätzlich können in der Vorrichtung zur Herstellung eines Verbundmaterial-Laminats beliebige geeignete Temperaturerfassungseinrichtungen zum Einsatz kommen. Beispielsweise können die erste, die zweite und/oder die dritte Temperaturerfassungseinrichtung jeweils einen Temperatursensor umfassen. Vorzugsweise ist/sind die erste, die zweite und/oder die dritte Temperaturerfassungseinrichtung jedoch in Form einer Wärmekamera ausgebildet. Die Temperaturerfassungseinrichtung(en) ermöglicht/ermöglichen dann eine präzise Erfassung der Temperatur in dem Kontaktbereich und/oder dem Abkühlbereich der Tapelagen, ohne dass hierzu ein unmittelbarer Kontakt der Temperaturerfassungseinrichtung(en) mit dem Kontaktbereich und/oder dem Abkühlbereich der Tapelagen erforderlich ist.
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Eine Steuereinrichtung der Vorrichtung zur Herstellung eines Verbundmaterial-Laminats ist vorzugsweise dazu eingerichtet, den Betrieb der ersten Heizeinrichtung in Abhängigkeit der durch die erste Temperaturerfassungseinrichtung erfassten Temperatur in dem Kontaktbereich der Tapelagen zu steuern. Zusätzlich oder alternativ dazu kann die Steuereinrichtung dazu eingerichtet sein, den Betrieb der zweiten Heizeinrichtung in Abhängigkeit der durch die zweite Temperaturerfassungseinrichtung erfassten Temperatur in dem Abkühlbereich der Tapelagen zu steuern. Wenn die Vorrichtung eine dritte Heizeinrichtung mit einer zugeordneten dritten Temperaturfassungseinrichtung umfasst, ist die Steuereinrichtung vorzugsweise auch dazu eingerichtet, den Betrieb der dritten Heizeinrichtung in Abhängigkeit der durch die dritte Temperaturfassungseinrichtung erfassten Temperatur in dem Abkühlbereich der Tapelagen zu steuern.
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Durch die Feedback-Steuerung der Heizeinrichtung(en) in Abhängigkeit der durch die Heizeinrichtung(en) in den Tapelagen erzeugten und mittels der Temperaturerfassungseinrichtung(en) gemessenen Temperatur wird eine besonders präzise Steuerung der Erwärmung bzw. Abkühlung der Tapelagen und damit eine Optimierung der Materialeigenschaften, insbesondere der mechanischen Eigenschaften des herzustellenden Verbundmaterial-Laminats ermöglicht.
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Die erste Heizeinrichtung kann eine Laserquelle umfassen. Alternativ oder zusätzlich dazu kann auch die zweite Heizeinrichtung eine Laserquelle umfassen. Eine etwaige dritte Heizeinrichtung der Vorrichtung zur Herstellung eines Verbundmaterial-Laminats kann ebenfalls eine Laserquelle umfassen. Mittels einer Laserquelle kann sehr präzise ortsselektiv Wärme in einen gewünschten Bereich der Tapelagen eingebracht werden.
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Die Kompaktierungseinrichtung der Vorrichtung zur Herstellung eines Verbundmaterial-Laminats kann dazu eingerichtet sein, eine Druckkraft auf eine Mehrzahl von Tapestreifen auszuüben, die in einer zu der Bewegungsrichtung der Kompaktierungseinrichtung über die Formgebungsoberfläche des Formwerkzeugs senkrechten Richtung nebeneinander auf die Formgebungsoberfläche des Formwerkzeugs aufgebracht werden. Bei der derartigen Ausgestaltung der Vorrichtung zur Herstellung eines Verbundmaterial-Laminats kann die Kompaktierungseinrichtung beispielsweise in Form einer Kompaktierungswalze ausgebildet sein, die sich in der zu der Bewegungsrichtung der Kompaktierungseinrichtung über die Formgebungsoberfläche des Formwerkzeugs senkrechten Richtung soweit über die Formgebungsoberfläche des Formwerkzeugs erstreckt, dass sie die nebeneinander auf die Formgebungsoberfläche des Formwerkzeugs aufgebrachten Tapestreifen gleichmäßig mit Druck beaufschlagen kann. Eine mit einer derart ausgebildeten Kompaktierungseinrichtung ausgestattete Vorrichtung ist besonders gut zur effizienten Herstellung großflächiger Verbundmaterial-Laminate geeignet.
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Ferner kann eine Vorrichtung zur Herstellung eines Verbundmaterial-Laminats, die zur gleichzeitigen Verarbeitung mehrerer nebeneinander auf die Formgebungsoberfläche des Formwerkzeugs aufgebrachten Tapestreifen geeignet ist, eine Mehrzahl von ersten Heizeinrichtung umfassen, die in der zu der Bewegungsrichtung der Kompaktierungseinrichtung über die Formgebungsoberfläche des Formwerkzeugs senkrechten Richtung nebeneinander angeordnet sind. Dadurch kann eine gleichmäßige Beheizung des Kontaktbereichs der Tapelagen sichergestellt und die Entstehung eines Temperaturgradienten in der zu der Bewegungsrichtung der Kompaktierungseinrichtung über die Formgebungsoberfläche des Formwerkzeugs senkrechten Richtung in dem Abkühlbereich der Tapelagen vermieden werden.
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Zusätzlich oder alternativ dazu kann die Vorrichtung mit einer Mehrzahl von zweiten Heizeinrichtungen ausgestattet sein, die in der zu der Bewegungsrichtung der Kompaktierungseinrichtung über die Formgebungsoberfläche des Formwerkzeugs senkrechten Richtung nebeneinander angeordnet sind. Dadurch kann eine gleichmäßige Beheizung des Abkühlbereichs der Tapelagen sichergestellt und die Entstehung eines Temperaturgradienten in der zu der Bewegungsrichtung der Kompaktierungseinrichtung über die Formgebungsoberfläche des Formwerkzeugs senkrechten Richtung in dem Abkühlbereich der Tapelagen vermieden werden.
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Schließlich kann die Vorrichtung auch eine Mehrzahl von dritten Heizeinrichtungen umfassen, die in der zu der Bewegungsrichtung der Kompaktierungseinrichtung über die Formgebungsoberfläche des Formwerkzeugs senkrechten Richtung nebeneinander angeordnet sind. Dadurch kann auch in dem Einflussbereich der dritten Heizeinrichtungen eine gleichmäßige Beheizung des Abkühlbereichs der Tapelagen sichergestellt werden.
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Die Mehrzahl von ersten Heizeinrichtungen, die Mehrzahl von zweiten Heizeinrichtungen und/oder die Mehrzahl von dritten Heizeinrichtungen kann/können in einer Halteklammer befestigt sein, die sich in der zu der Bewegungsrichtung der Kompaktierungseinrichtung über die Formgebungsoberfläche des Formwerkzeugs senkrechten Richtung über die Formgebungsoberfläche des Formwerkzeugs erstreckt. Die Halteklammern ermöglichen eine sichere Befestigung sowie eine ordnungsgemäße Ausrichtung der Mehrzahl von ersten, zweiten und/oder dritten Heizeinrichtungen. Ferner kann eine Bewegung der ersten, zweiten und/oder dritten Heizeinrichtungen über die Formgebungsoberfläche des Formwerkzeugs auf einfache Weise durch Bewegen der jeweiligen Halteklammer(n) realisiert werden.
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Bei einem Verfahren zur Herstellung eines Verbundmaterial-Laminats wird ein Formwerkzeug mit einer Formgebungsoberfläche zur Aufnahme von übereinander zu stapeln den Tapelagen bereitgestellt. Eine Kompaktierungseinrichtung wird in einer Bewegungsrichtung über die Formgebungsoberfläche des Formwerkzeugs bewegt und eine Druckkraft wird auf eine auf die Formgebungsoberfläche des Formwerkzeugs aufgebrachte Tapelage ausgeübt. Ein Kontaktbereich zwischen einer neu auf die Formgebungsoberfläche des Formwerkzeugs aufgebrachten Tapelage und bereits auf der Formgebungsoberfläche des Formwerkzeugs ruhenden Tapelagen, der bezogen auf die Bewegungsrichtung der Kompaktierungseinrichtung über die Formgebungsoberfläche des Formwerkzeugs vor der Kompaktierungseinrichtung liegt, wird durch eine erste Heizeinrichtung beheizt. Ferner wird ein Abkühlbereich der übereinander gestapelten und mittels der Kompaktierungseinrichtung kompaktierten Tapelagen, der bezogen auf die Bewegungsrichtung der Kompaktierungseinrichtung über die Formgebungsoberfläche des Formwerkzeugs hinter der Kompaktierungseinrichtung liegt, durch eine zweite Heizeinrichtung beheizt.
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Die erste Heizeinrichtung kann in dem Kontaktbereich der Tapelagen eine Temperatur erzeugen, die höher ist als eine von der zweiten Heizeinrichtung in dem Abkühlbereich der Tapelagen erzeugte Temperatur.
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Ferner kann der Abkühlbereich der Tapelagen durch mindestens eine dritte Heizeinrichtungen beheizt werden, die bezogen auf die Bewegungsrichtung der Kompaktierungseinrichtung über die Formgebungsoberfläche des Formwerkzeugs hinter der zweiten Heizeinrichtung angeordnet ist. Die dritte Heizeinrichtung kann in dem Abkühlbereich der Tapelagen eine Temperatur erzeugen, die geringer ist als eine von der zweiten Heizeinrichtung in dem Abkühlbereich der Tapelagen erzeugte Temperatur.
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Vorzugsweise wird eine mittels der ersten Heizeinrichtung in dem Kontaktbereich der Tapelagen erzeugte Temperatur erfasst. Alternativ oder zusätzlich dazu kann auch eine mittels der zweiten Heizeinrichtung in dem Abkühlbereich der Tapelagen erzeugte Temperatur erfasst werden. Schließlich ist es auch denkbar, eine mittels der dritten Heizeinrichtung in dem Abkühlbereich der Tapelagen erzeugte Temperatur zu erfassen. Zur Erfassung der mittels der ersten Heizeinrichtung in dem Kontaktbereich der Tapelagen erzeugten Temperatur, zur Erfassung der mittels der zweiten Heizeinrichtung in dem Abkühlbereich der Tapelagen erzeugten Temperatur und/oder zur Erfassung der mittels der dritten Heizeinrichtung in dem Abkühlbereich der Tapelagen erzeugten Temperatur kann/können (eine) in Form einer Wärmekamera ausgebildete Temperaturerfassungseinrichtung(en) eingesetzt werden.
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Der Betrieb der ersten Heizeinrichtung kann in Abhängigkeit der erfassten Temperatur in dem Kontaktbereich der Tapelagen gesteuert werden. Alternativ oder zusätzlich dazu kann der Betrieb der zweiten Heizeinrichtung in Abhängigkeit der erfassten Temperatur in dem Abkühlbereich der Tapelagen gesteuert werden. Schließlich kann auch der Betrieb der dritten Heizeinrichtung in Abhängigkeit der erfassten Temperatur in dem Abkühlbereich der Tapelagen gesteuert werden.
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Die Kompaktierungseinrichtung kann eine Druckkraft auf eine Mehrzahl von Tapestreifen ausüben, die in einer zu der Bewegungsrichtung der Kompaktierungseinrichtung über die Formgebungsoberfläche des Formwerkzeugs senkrechten Richtung nebeneinander auf die Formgebungsoberfläche des Formwerkzeugs aufgebracht werden. Der Kontaktbereich zwischen den Tapelagen wird dann vorzugsweise durch eine Mehrzahl von ersten Heizeinrichtungen beheizt, die in der zu der Bewegungsrichtung der Kompaktierungseinrichtung über die Formgebungsoberfläche des Formwerkzeugs senkrechten Richtung nebeneinander angeordnet sind. Zusätzlich oder alternativ dazu kann der Abkühlbereich der Tapelagen durch eine Mehrzahl von zweiten Heizeinrichtungen und/oder eine Mehrzahl von dritten Heizeinrichtungen beheizt werden, die in der zu der Bewegungsrichtung der Kompaktierungseinrichtung über die Formgebungsoberfläche des Formwerkzeugs senkrechten Richtung nebeneinander angeordnet sind.
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Ein mithilfe der oben beschriebenen Vorrichtung bzw. mithilfe des oben beschriebenen Verfahrens hergestelltes Verbundmaterial-Laminat ist besonders gut zur Weiterverarbeitung zu einem mechanisch hochbelasteten Bauteil, insbesondere einem Flugzeugstrukturbauteil geeignet.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nun mit Bezugnahme auf die beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert, von denen
- 1 eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung zur Herstellung eines Verbundmaterial-Laminats zeigt,
- 2 eine zweite Ausführungsform eine Vorrichtung zur Herstellung eines Verbundmaterial-Laminats zeigt und
- 3 ein Diagramm einer Temperaturverteilung in dem Verbundmaterial-Laminat während dessen Herstellung zeigt.
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Die 1 und 2 zeigen jeweils eine Vorrichtung 10 zur Herstellung eines Verbundmaterial-Laminats 12. Das Verbundmaterial-Laminat 12 ist zur Weiterverarbeitung zu einem Bauteil aus einem faserverstärkten Verbundmaterial, insbesondere einem Flugzeugstrukturbauteil geeignet ist und enthält Verstärkungsfasern, wie zum Beispiel Kohlenstofffasern, sowie ein thermoplastisches Polymermaterial. Das thermoplastische Polymermaterial kann beispielsweise in Form einer Imprägnierung oder Beschichtung auf die Verstärkungsfasern aufgebracht sein.
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Die Vorrichtung 10 umfasst ein Formwerkzeug 14 mit einer Formgebungsoberfläche 16 zur Aufnahme von übereinander zu stapelnden Tapelagen 18a, 18b, 18c. Die Formgebungsoberfläche 16 weist eine Form auf, die an eine gewünschte Form des herzustellenden Verbundmaterial-Laminats 12 angepasst ist. Ferner umfasst die Vorrichtung 10 eine Kompaktierungseinrichtung 20, die dazu eingerichtet ist, in einer Bewegungsrichtung B über die Formgebungsoberfläche 16 des Formwerkzeugs 14 bewegt zu werden und dabei eine Druckkraft auf eine auf die Formgebungsoberfläche 16 des Formwerkzeugs 14 aufgebrachte Tapelage 18c auszuüben. In den in den Figuren gezeigten Anordnungen wird die Tapelage 18c, die von der Kompaktierungseinrichtung 20 mit Druck beaufschlagt wird, auf die bereits auf der Formgebungsoberfläche 16 des Formwerkzeugs 14 ruhenden Tapelagen 18a, 18b gelegt. Es versteht sich jedoch, dass mittels der Kompaktierungseinrichtung 20 auch auf eine unmittelbar auf die Formgebungsoberfläche 16 des Formwerkzeugs 14 gelegte Tapelage Druck ausgeübt werden kann. In den in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispielen einer Vorrichtung 10 zur Herstellung eines Verbundmaterial-Laminats 12 ist die Kompaktierungseinrichtung 20 jeweils in Form einer Kompaktierungswalze ausgebildet.
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Die Vorrichtung 10 umfasst ferner eine erste Heizeinrichtung 22. Die erste Heizeinrichtung 22, die in den in den Figuren gezeigten Anordnungen in Form einer Laser-Heizeinrichtung ausgebildet ist und eine Laserquelle umfasst, ist dazu eingerichtet, einen Kontaktbereich K zwischen einer neu auf die Formgebungsoberfläche 16 des Formwerkzeugs 14 aufgebrachten Tapelage 18c und bereits auf der Formgebungsoberfläche 16 des Formwerkzeugs 14 ruhenden Tapelagen 18a, 18b zu beheizen. Wie aus den Figuren ersichtlich wird, liegt der Kontaktbereich K bezogen auf die Bewegungsrichtung B der Kompaktierungseinrichtung 20 über die Formgebungsoberfläche 16 des Formwerkzeugs vor der Kompaktierungseinrichtung 20.
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Ferner umfasst die Vorrichtung 10 eine zweite Heizeinrichtung 24. Die zweite Heizeinrichtung 24, die in den in den Figuren gezeigten Anordnungen ebenfalls in Form einer Laser-Heizeinrichtung ausgebildet ist und eine Laserquelle umfasst, ist dazu eingerichtet, einen Abkühlbereich A der übereinandergestapelten und mittels der Kompaktierungseinrichtung 20 kompaktierten Tapelagen 18a, 18b, 18c zu beheizen. Wie aus den Figuren ersichtlich wird, liegt der Abkühlbereich A bezogen auf die Bewegungsrichtung B der Kompaktierungseinrichtung 20 über die Formgebungsoberfläche 16 des Formwerkzeugs hinter der Kompaktierungseinrichtung 20.
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Schließlich umfasst die Vorrichtung 10 eine dritte Heizeinrichtung 26. Die dritte Heizeinrichtung 26, die in den in den Figuren gezeigten Anordnungen ebenfalls in Form einer Laser-Heizeinrichtung ausgebildet ist und eine Laserquelle umfasst, ist dazu eingerichtet, den Abkühlbereich A der übereinandergestapelten und mittels der Kompaktierungseinrichtung 20 kompaktierten Tapelagen 18a, 18b, 18c zu beheizen. Bezogen auf die Bewegungsrichtung B der Kompaktierungseinrichtung 20 über die Formgebungsoberfläche 16 des Formwerkzeugs ist die dritte Heizeinrichtung 26 hinter der zweiten Heizeinrichtung 24 angeordnet.
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Der ersten Heizeinrichtung 22 ist eine erste Temperaturerfassungseinrichtung 28 zugeordnet, die dazu eingerichtet ist, eine mittels der ersten Heizeinrichtung 22 in dem Kontaktbereich K der Tapelagen 18a, 18b, 18c erzeugte Temperatur zu erfassen. Der zweiten Heizeinrichtung 24 ist eine zweite Temperaturerfassungseinrichtung 30 zugeordnet, die dazu eingerichtet ist, eine mittels der zweiten Heizeinrichtung 24 in dem Abkühlbereich A der Tapelagen 18a, 18b, 18c erzeugte Temperatur zu erfassen. Der dritten Heizeinrichtung 26 ist schließlich eine dritte Temperaturerfassungseinrichtung 32 zugeordnet, die dazu eingerichtet ist, eine mittels der dritten Heizeinrichtung 26 in dem Abkühlbereich A der Tapelagen 18a, 18b, 18c erzeugte Temperatur zu erfassen. In den in den Figuren gezeigten Anordnungen sind die Temperaturerfassungseinrichtungen 28, 30, 32 jeweils in Form von Wärmekameras ausgebildet. Ferner sind die Heizeinrichtungen 22, 24, 26 sowie die den Heizeinrichtungen 22, 24, 26 zugeordneten Temperaturerfassungseinrichtung in 28, 30, 32 synchron mit der Kompaktierungseinrichtung 20 in der Bewegungsrichtung B über die Formgebungsoberfläche 26 des Formwerkzeugs 14 bewegbar.
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Der Betrieb der Vorrichtung 10 wird mittels einer Steuereinrichtung 34 gesteuert. Die beispielsweis in Form einer elektronischen Steuereinrichtung ausgebildete Steuereinrichtung 34 dient insbesondere der Steuerung des Betriebs der Heizeinrichtungen 22, 24, 26. Insbesondere steuert die Steuereinrichtung 34 den Betrieb der ersten Heizeinrichtung 22 in Abhängigkeit der durch die erste Temperaturerfassungseinrichtung 28 erfassten Temperatur in dem Kontaktbereich K zwischen den Tapelagen 18a, 18b, 18c. Ferner steuert die Steuereinrichtung 34 den Betrieb der zweiten Heizeinrichtung 24 in Abhängigkeit der durch die zweite Temperaturerfassungseinrichtung 30 erfassten Temperatur in dem Abkühlbereich A der Tapelagen 18a, 18b, 18c. Schließlich steuert die Steuereinrichtung 34 den Betrieb der dritten Heizeinrichtung 26 in Abhängigkeit der durch die dritte Temperaturerfassungseinrichtung 32 erfassten Temperatur in dem Abkühlbereich A der Tapelagen 18a, 18b, 18c. Durch eine derartige Feedback-Steuerung wird eine besonders präzise Steuerung der Temperaturen in dem Kontaktbereich K zwischen den Tapelagen 18a, 18b, 18c sowie dem Abkühlbereich A der Tapelagen 18a, 18b, 18c ermöglicht.
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Mittels der ersten Heizeinrichtung 22 wird in dem Kontaktbereich K zwischen den Tapelagen 18a, 18b, 18c eine Temperatur erzeugt, die oberhalb der Schmelztemperatur des in den Tapelagen 18a, 18b, 18c enthaltenen thermoplastischen Polymermaterials liegt. Wenn dann mittels der Kompaktierungseinrichtung 20 eine Druckkraft auf die auf die Tapelagen 18a, 18b gelegte Tapelage 18c ausgeübt wird, werden die Tapelagen 18a, 18b, 18c miteinander zu einem mehrschichtigen Laminat verschweißt.
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Die zweite Heizeinrichtung 24 erzeugt in dem Abkühlbereich A der Tapelagen 18a, 18b, 18c eine Temperatur, die geringer ist als die mittels der ersten Heizeinrichtung 22 in dem Kontaktbereich K zwischen den Tapelagen 18a, 18b, 18c erzeugten Temperatur. Die von der dritten Heizeinrichtung 26 in dem Abkühlbereich A der Tapelagen 18a, 18b, 18c erzeugte Temperatur ist wiederum geringer als die mittels der zweiten Heizeinrichtung 24 in dem Abkühlbereich A der Tapelagen 18a, 18b, 18c erzeugte Temperatur. Die Beheizung des Abkühlbereichs A der Tapelagen 18a, 18b, 18c mittels der zweiten und der dritten Heizeinrichtung 24, 26 ermöglicht eine kontrollierte Abkühlung der Tapelagen 18a, 18b, 18c von der mittels der ersten Heizeinrichtung 22 in dem Kontaktbereich K zwischen den Tapelagen 18a, 18b, 18c erzeugten Maximaltemperatur Tmax auf Raumtemperatur. Dadurch kann während der Abkühlung der übereinandergestapelten und kompaktierten Tapelagen 18a, 18b, 18c ein gewünschter Temperaturgradient in den Tapelagen 18a, 18b, 18c eingestellt und somit die Kristallisation der Moleküle des in den Tapelagen 18a, 18b, 18c enthaltenen thermoplastischen Polymermaterials während der Abkühlung in einer gewünschten Weise gesteuert.
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Dieser Zusammenhang ist in dem in 3 gezeigten Diagramm veranschaulicht, dass die Temperaturverteilung in dem Verbundmaterial-Laminat 12 während dessen Herstellung zeigt. Im Bereich einer Position der Kompaktierungseinrichtung 20, d.h. in dem Kontaktbereich K zwischen den Tapelagen 18a, 18b, 18c werden die Tapelagen 18a, 18b, 18c mittels der ersten Heizeinrichtung 22 auf die Maximaltemperatur Tmax aufgeheizt. In dem Abkühlbereich A der Tapelagen 18a, 18b, 18c sorgen dagegen die zweite Heizeinrichtung 24 und die dritte Heizeinrichtung 26 für eine kontrollierte Abkühlung der übereinandergestapelten Tapelagen 18a, 18b, 18c.
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Die in 2 veranschaulichte Vorrichtung 10 unterscheidet sich von der in 1 gezeigten Anordnung dadurch, dass die Kompaktierungseinrichtung 20 dazu eingerichtet ist, eine Druckkraft auf eine Mehrzahl von Tapestreifen 18a', 18a", 18'", 18a"" auszuüben, die in einer zu der Bewegungsrichtung B der Kompaktierungseinrichtung 20 über die Formgebungsoberfläche 16 des Formwerkzeugs 14 senkrechten Richtung S nebeneinander auf die Formgebungsoberfläche 16 des Formwerkzeugs 14 aufgebracht werden. In der Anordnung gemäß 2 ist die Kompaktierungseinrichtung 20 in Form einer Kompaktierungswalze ausgebildet, die sich in der zu der Bewegungsrichtung B der Kompaktierungseinrichtung 20 über die Formgebungsoberfläche 16 des Formwerkzeugs 14 senkrechten Richtung S über die Formgebungsoberfläche 16 des Formwerkzeugs 14 erstreckt.
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Ferner umfasst die in 2 gezeigte Vorrichtung 10 eine Mehrzahl von ersten Heizeinrichtungen 22, die in der zu der Bewegungsrichtung B der Kompaktierungseinrichtung 20 über die Formgebungsoberfläche 16 des Formwerkzeugs 14 senkrechten Richtung S nebeneinander angeordnet sind. Dadurch wird eine gleichmäßige Beheizung des Kontaktbereichs K zwischen den jeweils in einzelne Streifen unterteilten Tapelagen 18a, 18b, 18c ermöglicht. Eine Mehrzahl von zweiten Heizeinrichtungen 24 sowie eine Mehrzahl von dritten Heizeinrichtungen 26 sind ebenfalls in der zu der Bewegungsrichtung B der Kompaktierungseinrichtung 20 über die Formgebungsoberfläche 16 des Formwerkzeugs 14 senkrechten Richtung S nebeneinander angeordnet. Dadurch wird auch eine gleichmäßige Beheizung des Abkühlbereichs A der jeweils in einzelne Streifen unterteilten Tapelagen 18a, 18b, 18c und somit eine kontrollierte Abkühlung der Tapelagen 18a, 18b, 18c ermöglicht.
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Jeder Heizeinrichtung 22, 24, 26 ist eine entsprechende Temperaturerfassungseinrichtung 28, 30, 32 zugeordnet, so dass die in 2 gezeigte Vorrichtung 10 auch eine Mehrzahl von ersten Temperaturerfassungseinrichtungen 28, eine Mehrzahl von zweiten Temperaturerfassungseinrichtungen 30 und eine Mehrzahl von Dritten Temperaturerfassungseinrichtungen 32 umfasst.
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Die Mehrzahl von ersten Heizeinrichtungen 22, die Mehrzahl von zweiten Heizeinrichtungen 24 und die Mehrzahl von dritten Heizeinrichtungen 26 sind gemeinsam mit den ihnen zugeordneten Temperaturerfassungseinrichtungen jeweils in einer Halteklammer 36, 38, 40 befestigt, die sich in der zu der Bewegungsrichtung B der Kompaktierungseinrichtung 20 über die Formgebungsoberfläche 16 des Formwerkzeugs 14 senkrechten Richtung S über die Formgebungsoberfläche 16 des Formwerkzeugs 14 erstreckt. Durch Bewegen der Halteklammern 36, 38, 40 in der Bewegungsrichtung B können somit die Heizeinrichtungen 22, 24, 26 und die Temperaturerfassungseinrichtungen 28, 30, 32 synchron mit der Kompaktierungseinrichtung 20 über die Formgebungsoberfläche 16 des Formwerkzeugs bewegt werden.
