DE102017107524A1

DE102017107524A1 - Verfahren und Formwerkzeug zur Herstellung eines profilversteiften Schalenbauteils

Info

Publication number: DE102017107524A1
Application number: DE102017107524.0A
Authority: DE
Inventors: Ingmar Hessen; Sven Torstrick; Benjamin Teich; Clemens Heim
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV; Airbus Operations GmbH
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV; Airbus Operations GmbH
Priority date: 2017-04-07
Filing date: 2017-04-07
Publication date: 2018-10-11
Also published as: CN108688200A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines profilversteiften Schalenbauteils aus einem Faserverbundwerkstoff, der ein Fasermaterial und ein Matrixmaterial enthält, wobei das profilversteifte Schalenbauteil ein flächiges Schalenbauelement und eine Mehrzahl von einem flächigen Schalenbauelement angeordnete längliche Profilelement hat. Erfindungsgemäß wird ein Formwerkzeug bereitgestellt, das eine formgebende Werkzeugoberfläche hat, in der eine Mehrzahl von Profilaufnahmen als Vertiefungen vorgesehen sind. Längliche Profilelemente werden hergestellt und in die Profilaufnahmen eingesetzt, wobei anschließend Fasermaterial zur Bildung des flächigen Schalenbauelementes eingebracht und das Bauteil ausgehärtet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines profilversteiften Schalenbauteils aus einem Faserverbundwerkstoff, der ein Fasermaterial und ein Matrixmaterial enthält, wobei das profilversteifte Schalenbauteil ein flächiges Schalenelement und eine Mehrzahl von an dem flächigen Schalenbauelement angeordnete längliche Profilelemente zu dessen Versteifung hat. Die Erfindung betrifft ebenso ein Formwerkzeug hierzu.
Aufgrund ihrer besonderen Eigenschaft, bei einem relativ geringen Gewicht eine hohe Festigkeit und Steifigkeit aufzuweisen, finden sich Faserverbundbauteile, die aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt wurden, in nahezu allen industriellen Bereichen. In der Regel weist ein solcher Faserverbundwirkstoff ein Fasermaterial und ein Matrixmaterial auf, wobei das in das Fasermaterial infundierte Matrixmaterial bei der Herstellung des Faserverbundbauteils ausgehärtet und so mit dem Fasermaterial eine integrale Einheit bildet. Das Matrixmaterial kann dabei während der Herstellung des Faserverbundbauteils in trockenes Fasermaterial infundiert werden, wobei hierfür zuvor das Fasermaterial verarbeitet wurde. Denkbar ist aber auch, dass bereits vorimprägnierte Fasermaterialien, bei denen das Matrixmaterial bereits vor der Verarbeitung in das Fasermaterial infundiert würde, verwendet werden (sogenannte Prepregs).
In der Luft- und Raumfahrt werden häufig sehr große, flächige Faserverbundbauteile verwendet, wie beispielsweise Rumpfschalen oder Flügelschalen, wobei in Bezug auf die flächige Ausdehnung derartige Schalenbauteile (flächige Faserverbundbauteile im Sinne der vorliegenden Erfindung) meist eine relativ dünne Haut ausbilden. Um bei derartigen Schalenbauteilen auch eine Beanspruchung auf Biegung und Torsion gewährleisten zu können, werden derartige flächige Schalenbauteile in der Regel mit Profilen versteift, die ebenfalls aus einem Faserverbundwerkstoff gebildet sind. Diese Profile bzw. Profilelemente erhöhen dabei die Biegesteifigkeit des Bauteils und können so die Schalenbauteile entsprechend versteifen.
Heutzutage werden profilverstärkte Schalenbauteile meist aus Prepregs (vorimprägnierten Fasermaterialien) gefertigt. Hierzu werden die einzelnen Faserlagen des Schalenbauelementes bzw. des Hautelementes manuell oder automatisiert auf einem Formwerkzeug abgelegt. Anschließend werden die Profile (beispielsweise T-Profile, auch Stringer genannt) auf der Innenseite des Schalenbauelementes bzw. des Hautelementes positioniert. Die Stringer können dabei beispielsweise auch bereits ausgehärtet sein. Alternativ gibt es auch die Möglichkeit, nicht ausgehärtete Stringer auf ein ausgehärtetes Hautelement aufzusetzen, was den Vorteil hat, dass im Nachgang weniger Nietverbindungen erforderlich sind.
Zur Einhaltung der Position der Profilelemente bzw. Stringer werden in der Praxis dabei häufig Werkzeugkerne benutzt, zwischen denen die Stringer positioniert werden. Dabei werden die Kerne quer zur Längsrichtung der Stringer meist druckbeaufschlagt, so dass die Stege der Stringerprofile kompaktiert werden, um so den gewünschten Faservolumengehalt zu erreichen. Anschließend wird das Bauteil mittels eines Vakuumaufbaus abgedichtet und unter Druck und Temperatur ausgehärtet.
Nachteil eines solchen im Prepregverfahren hergestellten Bauteils ist die Tatsache, dass zur Einhaltung der Positionstoleranz es erforderlich ist, die Abstände der Stringer zueinander mit Vorrichtungen oder Werkzeugkernen sicherzustellen. Diese müssen positioniert oder einzeln bewegt werden, wobei eine Bewegung der Werkzeugkerne auf dem Fasermaterial des Hautelementes zu Faserondulationen oder Strukturveränderungen führen kann, die aus strukturmechanischer Sicht nicht tolerierbar sind. Außerdem ist das Handling der Kerne zeitaufwändig, wodurch die Wirtschaftlichkeit des Produktionsprozesses sinkt.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren und ein verbessertes Formwerkzeug anzugeben, mit dem sich profilversteifte Schalenbauteile integral herstellen lassen. Es ist auch Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren und Formwerkzeug anzugeben, mit dem profilversteifte Schalenbauteile ohne Beschädigung der Hautelemente bzw. Schalenbauelemente hergestellt werden können.
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie dem Formwerkzeug gemäß Anspruch 10 erfindungsgemäß gelöst.
Gemäß Anspruch 1 wird erfindungsgemäß ein Verfahren zur Herstellung eines profilversteiften Schalenbauteils aus einem Faserverbundwerkstoff vorgeschlagen, wobei der Faserverbundwerkstoff ein Fasermaterial und ein Matrixmaterial enthält. Während der Herstellung des profilversteiften Schalenbauteils wird dabei das in das Fasermaterial infundierte Matrixmaterial durch Temperaturbeaufschlagung ausgehärtet, so dass sich das spätere Bauteil ergibt. Zuvor muss jedoch das Fasermaterial in die entsprechende Form gebracht werden, damit das Bauteil seine spätere Bauteilform bzw. Geometrie erhält.
Das profilversteifte Schalenbauteil weist dabei erfindungsgemäß ein flächiges Schalenbauelement auf, an dem eine Mehrzahl von länglichen Profilelementen angeordnet werden soll, wobei erfindungsgemäß das profilversteifte Schalenbauteil integral hergestellt werden soll, d.h. sowohl die länglichen Profilelemente als auch das flächige Schalenbauelement werden in einem unausgehärteten Zustand aneinandergefügt und dann gemeinsam in einem Prozessschritt ausgehärtet.
Erfindungsgemäß wird zunächst ein Formwerkzeug bereitgestellt, mit dem sich integral das profilversteifte Schalenbauteil herstellen lässt, wobei das bereitgestellte Formwerkzeug eine formgebende Werkzeugoberfläche hat, in der eine Mehrzahl von Profilaufnahmen als Vertiefungen vorgesehen sind.
Des Weiteren werden die länglichen Profilelemente aus einem Fasermaterial des Faserverbundwerkstoffes hergestellt, und zwar derart, dass die Form der länglichen Profilelemente der Form der Profilaufnahmen in dem Formwerkzeug entsprechen und die länglichen Profilaufnahmen jeweils einen Steg und zumindest einen Flansch aufweisen. Die Herstellung der länglichen Profilelemente kann dabei durch Drapieren des Fasermaterials auf einer entsprechenden Form hergestellt werden. Denkbar ist aber auch, dass die länglichen Profilelemente mithilfe eines kontinuierlichen Umformverfahrens aus flächigen Fasermaterialien hergestellt werden. Die länglichen Profilelemente weisen dabei im Querschnitt eine Form auf, die der Querschnittsform der Profilaufnahmen in der formgebenden Werkzeugoberfläche entsprechen, so dass die länglichen Profilelemente in diese Profilaufnahmen in der formgebenden Werkzeugoberfläche einsetzbar sind.
Anschließend werden diese so hergestellten länglichen Profilelemente in die Profilaufnahme des Formwerkzeuges eingesetzt, so dass der Flansch der jeweiligen länglichen Profilelemente plan mit der formgebenden Werkzeugoberfläche des Formwerkzeuges abschließt und der Steg der jeweiligen länglichen Profilelemente in die jeweilige Profilaufnahme eingesetzt und dort formschlüssig in dieser Profilaufnahme des Formwerkzeuges anliegt.
Durch das Einsetzen der länglichen Profilelemente in die Profilaufnahmen und dem planen Abschluss der Flansche mit der formgebenden Werkzeugoberfläche entsteht mit den Flanschen und der formgebenden Werkzeugoberfläche eine Oberfläche, auf die dann Fasermaterial zur Bildung des flächigen Schalenbauteils aufgelegt wird. Das Einlegen des Fasermaterials zur Bildung des flächigen Schalenbauelementes erfolgt dabei in eine Werkzeugkavität des Formwerkzeuges, die sich dieser gemeinsamen Oberfläche von Flanschen der eingesetzten Profilelemente und Teilen der formgebenden Werkzeugoberfläche anschließt und in die das Fasermaterial zur Bildung des flächigen Schalenbauelementes einbringbar ist. Nach dem Einbringen des Fasermaterials zur Bildung des flächigen Schalenbauelementes kontaktieren die Flansche mit einer ihrer Seiten das Fasermaterial, welches das flächige Schalenbauelement bildet, so dass beim Aushärten des in das Fasermaterial infundierten Matrixmaterials die länglichen Profilelemente und das Schalenbauelement (Hautelement) integral hergestellt werden können.
Anschließend wird das in das Fasermaterial infundierte Matrixmaterial zur integralen Herstellung des profilversteiften Schalenbauteils ausgehärtet, was in der Regel durch Temperieren des Bauteils erfolgt. Wurden trockene Fasermaterialien verwendet, so wird in einem vorherigen Schritt das Matrixmaterial in das Fasermaterial infundiert, um so das Fasermaterial mit dem Matrixmaterial zu benetzen bzw. zu tränken.
Mithilfe dieses erfindungsgemäßen Verfahrens wird es somit erstmals möglich, profilversteifte Schalenbauteile integral herzustellen, ohne dass es einer Kompaktierung der Profilelemente, die zur Versteifung an dem Schalenbauelement angeordnet werden sollen, innerhalb des Werkzeuges bedarf. Die Erfinder hatten erkannt, dass in der Regel die Kompaktierung bei der Herstellung der länglichen Profilelemente ausreichend ist, so dass die länglichen Profilelemente außerhalb des Werkzeuges hergestellt und dann in die Profilaufnahmen eingesetzt werden können, ohne dass sie innerhalb des Werkzeugs noch einmal zusätzlich kompaktiert werden müssen, um das Faservolumengehalt zu erhöhen. Hierdurch wird nicht nur die Prozesszeit an sich verkürzt, sondern auch die Komplexität der Bauteile reduziert. Es handelt sich somit um ein Werkzeug mit einer geringen Komplexität, was eine hohe Prozesssicherheit zur Folge hat. Des Weiteren kann mit dem Verfahren eine gleichbleibend hohe Bauteilqualität erzielt werden, wodurch Aufwände für Nacharbeiten und Ausschussbauteile reduziert werden.
Die mit dem flächigen Schalenbauteil integral gefügten länglichen Profilelemente können dabei nach dem Aushärten des vollständigen Bauteils mittels zusätzlicher Niet- oder Schraubverbindungen zusätzlich fixiert werden, so dass insbesondere bei Bauteilen, die eine hohe Biegebeanspruchung haben, eine zusätzliche Verbindungssicherheit geschaffen wird, wodurch insbesondere auch Ablösungen der länglichen Profilelemente von dem flächigen Schalenbauteil verhindert werden.
Unter einer integralen Bauweise wird dabei insbesondere verstanden, dass das flächige Schalenbauteil und die länglichen Profilelemente nicht jeweils nach dem Aushärten der einzelnen Komponenten zusammengefügt werden, so dass sich eine sichtbare Fügestelle ergibt, sondern dass das flächige Schalenbauelement und das längliche Profilelement vorzugsweise in einem Prozessschritt ausgehärtet werden, so dass sich eine fügestellenfrei Verbindung zwischen dem flächigen Schalenbauteil und den länglichen Profilelementen ergibt.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird das Fasermaterial der länglichen Profilelemente während der Herstellung der länglichen Profilelemente und vor dem Einsetzen in die Profilaufnahmen kompaktiert bzw. vorkompaktiert, um so den gewünschten Faservolumengehalt zu erreichen oder zumindest sehr weit anzunähern. Durch die Vorkompaktierung bedarf es somit keiner weiteren Kompaktierung der länglichen Profilelemente, insbesondere der Stegabschnitte der länglichen Profilelemente, innerhalb des Werkzeuges, so dass ein solches vereinfachtes Werkzeug ohne bewegliche Kerne verwendet werden kann. Dabei ist denkbar, dass im Werkzeug die Stege der Profilelemente nicht weiter kompaktiert werden, während die Flansche der Profilelemente im Werkzeug weiter kompaktiert werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform, insbesondere dann, wenn trockenes Fasermaterial für die Herstellung der länglichen Profilelemente verwendet wird, wird während dessen Herstellung ein in das Fasermaterial eingebrachtes oder aufgetragenes Bindermaterial aktiviert (meist thermische Aktivierung), um die Form und Geometrie der länglichen Profilelemente mittels des aktivierten Bindermaterials zu fixieren. Das Bindermaterial führt dabei zu einer Art Vorkonsolidierung des Fasermaterials, so dass das in die gewünschte Form und Geometrie gebrachte Fasermaterial, die der Form und Geometrie der länglichen Profilelemente entspricht, durch die Aktivierung des Bindermaterials beibehalten werden kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird ein Formwerkzeug bereitgestellt, welches ein Oberwerkzeug und ein Unterwerkzeug hat, wobei im geschlossenen Zustand, d.h. das Oberwerkzeug liegt auf dem Unterwerkzeug auf, eine Werkzeugkavität gebildet wird, in die das Bauteil zur Herstellung einlegbar ist. Das Unterwerkzeug weist dabei eine erste formgebende Werkzeugoberfläche auf, in der die Profilaufnahmen als Vertiefungen vorgesehen sind, während das Oberwerkzeug eine zweite formgebende Werkzeugoberfläche hat, die zur Formgebung des profilversteiften Schalenbauteils an der Seite des flächigen Schalenbauteils, die der Seite mit den länglichen Profilelementen gegenüberliegt, vorgesehen ist. Nach dem Einsetzen der länglichen Profilelemente und dem Einbringen des Fasermaterials zur Bildung des flächigen Schalenbauelementes in die Werkzeugkavität des Formwerkzeuges wird das Oberwerkzeug und Unterwerkzeug zusammengesetzt und somit geschlossen, wobei dann durch Temperierung des in der Werkzeugkavität eingebrachten Bauteils dann das Matrixmaterial ausgehärtet und das Bauteil hergestellt wird.
Hierdurch kann erreicht werden, dass die Position der länglichen Profilelemente hochgenau vorgegeben ist, während eine entsprechende Formgebung des Schalenbauelementes auf der gegenüberliegenden Seite durch die entsprechende formgebende Werkzeugoberfläche des Oberwerkzeuges sichergestellt wird. Dies ist insbesondere bei der Herstellung von profilversteiften Schalenbauteilen in der Luftfahrt wichtig, wenn derartige Schalenbauteile eine äußere Strömungsoberfläche bilden. Außerdem kann hierbei nunmehr trockenes Fasermaterial verwendet werden, das nach dem Schließen des Werkzeuges mit dem Matrixmaterial infundiert und dann das Matrixmaterial ausgehärtet wird.
Denkbar ist natürlich auch, dass die erste formgebende Werkzeugoberfläche an dem Oberwerkzeug und die zweite formgebende Werkzeugoberfläche an dem Unterwerkzeug vorgesehen ist, mithin also genau umgekehrt.
Es ist ebenfalls denkbar, dass in beiden Werkzeughälften die Vertiefungen für das Einsetzen der Versteifungsprofile vorgesehen werden. Dies findet bei Bauteilen Anwendung, die nicht zur Bildung der äußeren Strömungsfläche erforderlich sind (wie z.B. Rippen von Kastenträgern). Der Vorteil dabei ist, dass ein Schalenbauteil in zwei Richtungen durch Profile versteift werden kann, ohne, dass Knoten- oder Kreuzungspunkte entstehen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird ein Formwerkzeug bereitgestellt, bei dem die formgebende Werkzeugoberfläche mit den Profilaufnahmen einstückig ausgebildet ist, d.h. die Profilaufnahmen werden durch Einbringen von Vertiefungen in die formgebende Werkzeugoberfläche hergestellt und die formgebende Werkzeugoberfläche bildet somit zusammen mit den Profilaufnahmen ein einstückiges Werkzeug.
Um mehr Flexibilität vorsehen zu können, ist es aber auch denkbar, dass die formgebende Werkzeugoberfläche mit den Profilaufnahmen aus einer Mehrzahl von einzelnen Formkernen besteht, wobei zwischen benachbarten Formkernen jeweils eine Profilaufnahme gebildet wird, so dass die formgebende Werkzeugoberfläche mit den Profilaufnahmen wahlweise je nach Geometrie zusammengesetzt werden kann. Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Formkerne positionsfest in dem Formwerkzeug angeordnet sind, so dass aufgrund einer mangelnden Bewegung der Formkerne entsprechende Fehler in dem Fasermaterial vermieden werden können.
Vorteilhafterweise handelt es sich bei den länglichen Profilelementen um Profilelemente mit einem T-förmigen Profil, wobei das T-förmige Profil aus einem Steg bzw. Stegabschnitt und einem Flansch bzw. Flanschabschnitt gebildet wird.
Die Aufgabe wird im Übrigen auch mit dem Formwerkzeug gemäß Anspruch 10 erfindungsgemäß gelöst, wobei das Formwerkzeug zur integralen Herstellung eines profilversteiften Schalenbauteils aus einem Faserverbundwerkstoff vorgesehen ist. Das Formwerkzeug hat dabei eine formgebende Werkzeugoberfläche, in der eine Mehrzahl von Profilaufnahmen als Vertiefungen vorgesehen sind, in die die aus einem Fasermaterial gebildeten länglichen Profilelemente einlegbar sind, so dass ein Flansch der Profilelemente mit der formgebenden Werkzeugoberfläche plan abschließt, und wobei das Formwerkzeug eine an die formgebende Werkzeugoberfläche angrenzende Werkzeugkavität hat, in die zur Bildung des flächigen Schalenbauelementes vorgesehenes Fasermaterial einlegbar ist, so dass es an den jeweiligen Flanschen der eingelegten länglichen Profilelemente und der formgebenden Werkzeugoberfläche anliegt.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Formwerkzeuges finden sich in den entsprechenden Unteransprüchen, so ist es beispielsweise vorteilhaft, wenn sich die Profilaufnahmen in Richtung entgegensetzt der formgebenden Werkzeugoberfläche verjüngen, wodurch das Entformen des hergestellten vielversteiften Schalenbauteils aus dem Formwerkzeug vereinfacht wird.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

1a, 1b - Schematische Darstellung eines einstückigen Formwerkzeuges;
2 - Schematische Darstellung eines Werkzeuges mit separaten Kernelementen;
3 - Schematische Darstellung eines Querschnittes eines Profilelementes 20.

1 zeigt ein Formwerkzeug 10, das ein Unterwerkzeug 11 und ein Oberwerkzeug 12 hat. Das Unterwerkzeug 11 hat dabei eine erste formgebende Werkzeugoberfläche 13, während das Oberwerkzeug 12 eine zweite formgebende Werkzeugoberfläche 14 hat.
In der ersten formgebenden Werkzeugoberfläche 13 des Unterwerkzeuges 11 sind dabei Profilaufnahmen 15 in Form von Vertiefungen in der ersten formgebenden Werkzeugoberfläche 13 vorgesehen, in die längliche Profilelemente 20 einlegbar sind.
Die länglichen Profilelemente 20 sind im Ausführungsbeispiel der 1 T-förmige Profile, die einen Steg bzw. Stegabschnitt 21 und einen Flansch bzw. Flanschabschnitt 22 haben. Der Stegabschnitt 21 des Profilelementes 20 wird dabei in die Vertiefung der Profilaufnahme 15 eingeführt, wobei der Flansch 22 des Profilelementes 20 dann in der Profilaufnahme 15 so aufgenommen wird, dass seine Seite, die in Richtung des Oberwerkzeuges 12 zeigt, plan mit der ersten formgebenden Werkzeugoberfläche 13 des Unterwerkzeuges 11 abschließt. Hierdurch wird eine gemeinsame, aus dem Flansch 22 und der ersten formgebenden Werkzeugoberfläche 13 des Unterwerkzeuges 11 gebildete Oberfläche gebildet, auf die dann das flächige Schalenbauelement 23 aufgelegt wird.
Die Profilaufnahmen 15, die sich in der ersten formgebenden Werkzeugoberfläche 13 befinden, weisen dabei einen Querschnitt auf, der dem Querschnitt der Profilelemente 20 entspricht. Demzufolge ist sowohl für den Steg 21 als auch für den Flansch 22 des Profilelementes 20 eine entsprechende Aussparung in der ersten formgebenden Werkzeugoberfläche vorgesehen, so dass diese Aussparung in der ersten formgebenden Werkzeugoberfläche 13 durch das Fasermaterial der Profilelemente 20 besetzt werden kann und somit eine ebene Fläche derart gebildet wird, als wären keine Profilaufnahmen mit entsprechenden Profilelementen vorhanden.
Anschließend wird, nachdem sämtliches Fasermaterial in das Unterwerkzeug eingebracht wurde, das Oberwerkzeug aufgelegt und das Formwerkzeug 10 verschlossen. Dieser verschlossene Zustand ist dabei in 1b gezeigt.
Das Unterwerkzeug 11 der 1 (1a, 1b) ist dabei einstückig ausgebildet, so dass die Profilaufnahmen 15 an festvorgesehenen Positionen innerhalb des Unterwerkzeuges 11 eingebracht wurden. Hierdurch kann deutlich die Prozessgenauigkeit erhöht werden, da nunmehr ein Verrutschen der Profilelemente 20 auf dem Hautelement 23 nicht mehr passieren kann.
Denkbar ist aber auch, dass die formgebende Werkzeugoberfläche 13 aus Kernelementen in dem Unterwerkzeug 11 gebildet wird, sowie dies in 2 gezeigt ist. Hierfür können in dem Unterwerkzeug mehrere Werkzeugkerne 16 eingebracht werden, zwischen denen dann jeweils eine Profilaufnahme 15 gebildet wird. Die Werkzeugkerne 16 weisen dabei einen Teil der ersten formgebenden Werkzeugoberfläche 13 auf und haben darüber hinaus eine Form, die im zusammengesetzten Zustand einen Querschnitt bildet, der dem Querschnitt der Profilelemente 20 entspricht, so dass die zwischen zwei benachbarten Werkzeugkernen 16 gebildete Aussparung durch die hergestellten Profilelemente 20 ersetzt werden kann.
Die Kernelemente 16 können dabei mit dem Unterwerkzeug 11 positionsfest verbunden werden, beispielsweise verstiftet oder verschraubt. Auch bei dieser Variante werden keine beweglichen Teile benötigt, wobei beim Ausführungsbeispiel der 2 die Fertigung von komplexen Geometrien erleichtert wird.
Es ist vorteilhaft, wenn die Profilaufnahmen in Richtung entgegengesetztes Oberwerkzeuges 12 insbesondere im Bereich des Steges bzw. des Stegabschnittes 21 sich verjüngen, um so ein Entformen zu erleichtern. Ein Profilelement 20 mit einer entsprechenden Entformschräge ist dabei in 3 gezeigt. Das Profilelement 20 hat dabei einen Steg bzw. Stegabschnitt 21, der sich ausgehend vom Flansch 22 verjüngt. Dies kann bereits bei der Profilherstellung des Profilelementes 20 berücksichtigt werden. Weist der Steg 21 eine konstante Lagenanzahl über den Profilquerschnitt auf, so kann im sich verjüngenden Bereich B₂ im Gegensatz zum oberen Bereich B₁ am Flansch 22 eine höhere Komprimierung hilfreich sein, um die Entformschräge mittels der Verjüngung realisieren zu können. Alternativ kann das Profilelement auch Lagen aufweisen, die nur teilweise in den Profilsteg 21 hineinragen bzw. liegen.
Bezugszeichenliste

10 -: Formwerkzeug
11 -: Unterwerkzeug
12 -: Oberwerkzeug
13 -: erste formgebende Werkzeugoberfläche
14 -: zweite formgebende Werkzeugoberfläche
15 -: Profilaufnahmen
16 -: Werkzeugkerne
20 -: längliches Profilelement
21 -: Steg bzw. Stegabschnitt
22 -: Flansch bzw. Flanschabschnitt
B₁ -: erster Bereich im Stegabschnitt 21
B₂ -: zweiter Bereich im Stegabschnitt 21

Claims

Verfahren zur Herstellung eines profilversteiften Schalenbauteils aus einem Faserverbundwerkstoff, der ein Fasermaterial und ein Matrixmaterial enthält, wobei das profilversteifte Schalenbauteil ein flächiges Schalenbauelement und eine Mehrzahl von an dem flächigen Schalenbauelement angeordnete längliche Profilelemente (20) hat, mit den Schritten: - Bereitstellen eines Formwerkzeuges (10) zur integralen Herstellung des profilversteiften Schalenbauteils, wobei das bereitgestellte Formwerkzeug (10) eine formgebende Werkzeugoberfläche hat, in der eine Mehrzahl von Profilaufnahmen (15) als Vertiefungen vorgesehen sind, - Herstellen der länglichen Profilelemente (20) aus einem Fasermaterial des Faserverbundwerkstoffes derart, dass die Form der länglichen Profilelemente (20) der Form der Profilaufnahmen (15) in dem Formwerkzeug (10) entsprechen und die länglichen Profilaufnahmen (15) jeweils einen Steg (21) und zumindest einen Flansch (22) aufweisen, - Einsetzen der hergestellten länglichen Profilelemente (20) in die Profilaufnahmen (15) des Formwerkzeuges (10), so dass der Flansch (22) der jeweiligen länglichen Profilelemente (20) plan mit der formgebenden Werkzeugoberfläche des Formwerkzeuges (10) abschließt, - Einbringen von Fasermaterial in das Formwerkzeug (10) zur Bildung des flächigen Schalenbauelementes, so dass die jeweiligen Flansche (22) der in die Profilaufnahmen (15) eingesetzten länglichen Profilelemente (20) an dem gebildeten flächigen Schalenbauelement anliegen, und - Aushärten des in das Fasermaterial infundierten Matrixmaterials zur integralen Herstellung des profilversteiften Schalenbauteils.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die länglichen Profilelemente (20) nach dem Aushärten des Matrixmaterials mittels zusätzlicher Niet- oder Schraubverbindungen an dem flächigen Schalenbauelement fixiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass während der Herstellung der länglichen Profilelemente (20) das Fasermaterial vor dem Einsetzen in die Profilaufnahmen (15) des Formwerkzeuges (10) kompaktiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während der Herstellung der länglichen Profilelemente (20) ein Bindermaterial aktiviert wird, um die Form und Geometrie der länglichen Profilelemente (20) mittels des aktivierten Bindermaterials zu fixieren.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Formwerkzeug (10) bereitgestellt wird, welches ein Oberwerkzeug (12) und ein Unterwerkzeug (11) hat, die im geschlossenen Zustand eine Bauteilkavität bilden, wobei das Unterwerkzeug (11) eine erste formgebende Werkzeugoberfläche (13) hat, in der die Profilaufnahmen (15) als Vertiefungen vorgesehen sind, und das Oberwerkzeug (12) eine zweite formgebende Werkzeugoberfläche (14), die zur Formgebung des profilversteiften Schalenbauteils an der Seite des flächigen Schalenbauteils, die der Seite mit den länglichen Profilelementen (20) gegenüberliegt, vorgesehen ist, wobei nach dem Einsetzen der länglichen Profilelemente (20) und dem Einbringen des Fasermaterials zur Bildung des flächigen Schalenbauelementes das Formwerkzeug (10) durch Zusammensetzen des Oberwerkzeuges (12) und Unterwerkzeuges (11) geschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste formgebende Werkzeugoberfläche (13) an dem Oberwerkzeug (12) und die zweite formgebende Werkzeugoberfläche (14) an dem Unterwerkzeug (11) vorgesehen sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Formwerkzeug (10) bereitgestellt wird, bei dem die formgebende Werkzeugoberfläche mit den Profilaufnahmen (15) einstückig ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Formwerkzeug (10) bereitgestellt wird, bei dem die formgebende Werkzeugoberfläche mit den Profilaufnahmen (15) aus einer Mehrzahl von Formkernen gebildet wird, wobei zwischen benachbarten Formkernen jeweils eine Profilaufnahme (15) gebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass längliche Profilelemente (20) mit einem T-förmigen Profil hergestellt werden.
Formwerkzeug (10) zur integralen Herstellung eines profilversteiften Schalenbauteils aus einem Faserverbundwerkstoff, der ein Fasermaterial und ein Matrixmaterial enthält, wobei das profilversteifte Schalenbauteil ein flächiges Schalenbauelement und eine Mehrzahl von an dem flächigen Schalenbauelement angeordnete längliche Profilelemente (20) hat, wobei das Formwerkzeug (10) eine formgebende Werkzeugoberfläche hat, in der eine Mehrzahl von Profilaufnahmen (15) als Vertiefungen vorgesehen sind, in die die aus einem Fasermaterial gebildeten länglichen Profilelemente (20) einlegbar sind, sodass ein Steg (21) der Profilelemente (20) mit der formgebenden Werkzeugoberfläche plan abschließt, und wobei das Formwerkzeug (10) eine an die formgebende Werkzeugoberfläche angrenzende Bauteilkavität hat, in die zur Bildung des flächigen Schalenbauelementes vorgesehenes Fasermaterial einlegbar ist, so dass es an den jeweiligen Flanschen (22) der eingelegten länglichen Profilelemente (20) anliegt.
Formwerkzeug (10) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Formwerkzeug (10) ein Oberwerkzeug (12) und ein Unterwerkzeug (11) hat, die im geschlossenen Zustand die Bauteilkavität bilden, wobei das Unterwerkzeuges (11) eine erste formgebende Werkzeugoberfläche (13) hat, in der die Profilaufnahmen (15) als Vertiefungen vorgesehen sind, und das Oberwerkzeug (12) eine zweite formgebende Werkzeugoberfläche (14), die zur Formgebung des profilversteiften Schalenbauteils an der Seite des flächigen Schalenbauteils, die der Seite mit den länglichen Profilelementen (20) gegenüberliegt, vorgesehen ist.
Formwerkzeug (10) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die erste formgebende Werkzeugoberfläche (13) an dem Oberwerkzeug (12) und die zweite formgebende Werkzeugoberfläche (14) an dem Unterwerkzeug (11) vorgesehen sind, wobei in der ersten und/oder zweiten Werkzeugoberfläche die Profilaufnahmen der länglichen Profilelemente vorgesehen sind.
Formwerkzeug (10) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die formgebende Werkzeugoberfläche mit den Profilaufnahmen (15) einstückig ausgebildet ist.
Formwerkzeug (10) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die formgebende Werkzeugoberfläche mit den Profilaufnahmen (15) aus einer Mehrzahl von Formkernen gebildet wird, wobei zwischen benachbarten Formkernen jeweils eine Profilaufnahme (15) gebildet wird.
Formwerkzeug (10) nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Profilaufnahmen (15) in Richtung entgegengesetzt der formgebenden Werkzeugoberfläche verjüngen.