DE102017117383A1

DE102017117383A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Reparieren eines aus einem Schichtverbundwerkstoff in mehreren Schichten aufgebauten Bauteils

Info

Publication number: DE102017117383A1
Application number: DE102017117383.8A
Authority: DE
Inventors: Norbert Heltsch; Peter Linde; Benedikt Kriegesmann; Thorsten Schüppstuhl
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2017-08-01
Filing date: 2017-08-01
Publication date: 2019-02-07
Also published as: CN109318513A; US20190039338A1; US10792872B2

Abstract

Ein Verfahren zum Reparieren eines aus einem Schichtverbundwerkstoff in mehreren Schichten (12) aufgebauten Bauteils (10) umfasst einen Schritt des Abtragens von Material des Schichtverbundwerkstoffs des Bauteils (10) im Bereich einer Beschädigung (14) des Bauteils zum Ausbilden einer geschäfteten Ausnehmung (18), sodass eine von einer Mehrzahl von Schichten (12) des Bauteils (10) gebildete, geschäftete Randkontur (20) ausgebildet wird. Weiterhin erfolgt ein schichtweises Auftragen faserverstärkter Kunststoffbänder (32), die ein aushärtbares Kunststoffmaterial in einem unausgehärteten Zustand aufweisen, in der Ausnehmung (18) zum Erzeugen eines zu der geschäfteten Randkontur (20) des Bauteils (10) komplementären und daran anliegenden Ersatzstruktur-Halbzeugs (34). In einem weiteren Schritt erfolgt ein Aushärten des in den faserverstärkten Kunststoffbändern (32) enthaltenen aushärtbaren Kunststoffmaterials zum Erzeugen einer Ersatzstruktur und zum Verbinden der Ersatzstruktur mit dem Bauteil (10).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reparieren eines aus einem Schichtverbundwerkstoff in mehreren Schichten aufgebauten Bauteils. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zum Durchführen eines derartigen Verfahrens.
Zum Reparieren und Verbinden von aus Schichtverbundwerkstoffen aufgebauten Bauteilen, wie zum Beispiel strukturelle Komponenten von Flugzeugen, sind verschiedene Verfahrensweisen basierend auf Niet-, Klebe-, und Schweißverbindungen bekannt. Beispielsweise ist bekannt, im Bereich einer Beschädigung eines derartigen Bauteils auf dessen Oberfläche ein plattenförmiges Verstärkungselement derart zu befestigen, dass dieses die Beschädigung überdeckt. Zur Befestigung des Verstärkungselements auf dem Bauteil sind insbesondere Niet-, Klebe-, und Schweißverbindungen vorgesehen.
Aus der DE 10 2015 110 193 A1 ist ferner ein Verfahren zum Verbinden zweier aus thermoplastischen Schichtverbundwerkstoffen aufgebauter Bauteile bekannt, bei dem die beiden Bauteile mit einer zueinander komplementären Randkontur mittels Materialabtragung versehen und daraufhin über deren Randkontur mittels Verschweißen verbunden werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Reparieren eines aus einem Schichtverbundwerkstoff in mehreren Schichten aufgebauten Bauteils bereitzustellen, das selbst bei Bauteilen komplexer Formen einfach und automatisiert erfolgen kann. Weiterhin sollen durch das Verfahren Bauteile erzeugt werden, die in ihrer Form und in ihren Eigenschaften den ursprünglichen, fehlerfreien Bauteilen möglichst nahe kommen. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, eine entsprechende Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bereitzustellen.
Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren mit den Merkmalen nach Anspruch 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen nach Anspruch 10 gelöst.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reparieren eines aus einem Schichtverbundwerkstoff in mehreren Schichten aufgebauten Bauteils, das vorzugsweise eine strukturelle Komponente eines Luftfahrzeugs ist. Die aus dem Schichtverbundwerkstoff aufgebauten Schichten des Bauteils umfassen vorzugsweise jeweils ein Kunststoffmaterial in einem ausgehärteten Zustand und darin eingebettete Verstärkungsfasern. Das Kunststoffmaterial kann ein thermoplastischer und/oder ein duroplastischer Kunststoff sein. Die Verstärkungsfasern können beispielsweise Kohlenstoff- und/oder Glasfasern sein. In einer Schicht des Bauteils liegen die Verstärkungsfasern bevorzugt in Form eines Geleges, Gewebes und/oder Multiaxialgeleges mit definierter Faserorientierung vor. Das zu reparierende Bauteil kann eine beliebige Form aufweisen. Beispielsweise kann das Bauteil in Form einer gekrümmten, insbesondere zweifach gekrümmten Platte bereitgestellt sein.
Das Verfahren umfasst einen Schritt des Abtragens von Material des Schichtverbundwerkstoffs des Bauteils im Bereich einer Beschädigung des Bauteils zum Ausbilden einer geschäfteten Ausnehmung. Das Abtragen erfolgt vorzugsweise derart, dass Bereiche des Bauteils, die in unmittelbarem Kontakt oder in unmittelbarer Umgebung zu der Beschädigung angeordnet sind, vollständig oder bis auf eine unterste Schicht des Bauteils abgetragen werden. Die Beschädigung kann dabei in einer beliebigen Form vorliegen. Beispielsweise kann die Beschädigung ein Durchschlag durch die gesamte Dicke des Bauteils sein. Ferner kann ein sich innerhalb des Bauteils oder entlang seiner Oberfläche ausgebildeter Riss eine Beschädigung bilden. Im Allgemeinen kann unter einer Beschädigung jegliche unerwünschte, insbesondere erhebliche Abweichung von einer ursprünglichen Form des Bauteils verstanden werden.
Der Schritt des Abtragens von Material des Schichtverbundwerkstoffs des Bauteils erfolgt derart, dass eine von einer Mehrzahl von Schichten des Bauteils gebildete, geschäftete Randkontur ausgebildet wird. Insbesondere bildet die so erzeugte Randkontur die Ausnehmung in dem Bauteil. Unter einer geschäfteten Randkontur wird vorliegend eine Kontaktfläche verstanden, die zum Verbinden des Bauteils mittels eines Schäftverfahrens vorgesehen ist. Hierzu weist die Randkontur vorzugsweise eine abgeschrägte, einen spitzen Winkel aufweisende, d.h. flach verlaufende Kontaktfläche auf. Vorzugsweise weist die Ausnehmung eine Form mit einem sich in einer Dickenrichtung des Bauteils verjüngenden Durchmesser auf.
In einem weiteren Schritt des Verfahrens erfolgt ein schichtweises Auftragen faserverstärkter Kunststoffbänder in der Ausnehmung des Bauteils zum Erzeugen eines zu der geschäfteten Randkontur des Bauteils komplementären und daran anliegenden Ersatzstruktur-Halbzeugs. Die faserverstärkten Kunststoffbänder weisen ein aushärtbares Kunststoffmaterial in einem unausgehärteten Zustand auf. Die faserverstärkten Kunststoffbänder weisen vorzugsweise unidirektionale Verstärkungsfasern auf und können in unterschiedlichen Abmessungen, insbesondere Breite und Dicke, entweder einzeln oder mehrere gleichzeitig aufgetragen bzw. abgelegt werden. Das Auftragen der faserverstärkten Kunststoffbänder erfolgt bevorzugt derart, dass das durch diese gebildete Ersatzstruktur-Halbzeug an dessen Randbereichen an Oberflächenabschnitten der Randkontur anliegt und damit in Kontakt mit diesen steht.
Ferner erfolgt ein Aushärten des in den faserverstärkten Kunststoffbändern, die das Ersatzstruktur-Halbzeug bilden, enthaltenen aushärtbaren Kunststoffmaterials zum Erzeugen einer Ersatzstruktur und zum Verbinden der Ersatzstruktur mit dem Bauteil. Insbesondere erfolgt dabei ein stoffschlüssiges Verbinden der Ersatzstruktur mit dem Bauteil.
In dem vorgeschlagenen Verfahren erfolgt eine Reparatur des Bauteils durch Ausbilden einer Ersatzstruktur im Bereich einer Beschädigung in dem Bauteil. Der Schritt des schichtweisen Auftragens des Ersatzstruktur-Halbzeugs ermöglicht dabei ein richtungs- und positionsabhängiges Ablegen der faserverstärkten Kunststoffbänder. Auf diese Weise kann die durch die ausgehärteten faserverstärkten Kunststoffbänder gebildete Ersatzstruktur mit einer beanspruchungsgerechten Faserorientierung und Faserpositionierung erzeugt werden. Im Ergebnis können durch das Verfahren Bauteile derart repariert werden, dass diese in ihrer Form und in ihren mechanischen Eigenschaften dem ursprünglichen, fehlerfreien Bauteil im Wesentlichen entsprechen.
Vorzugsweise erfolgt in dem Verfahren das Ausbilden des durch die faserverstärkten Kunststoffbänder gebildeten Ersatzstruktur-Halbzeugs derart, dass die durch den Schritt des Aushärtens erzeugte Ersatzstruktur in ihrer Form im Wesentlichen der ursprünglichen, fehlerfreien Form des Bauteils im Bereich der Ausnehmung entspricht. In dem Fall, dass durch das Abtragen von Material des Schichtverbundwerkstoffs des Bauteils ein Durchbruch in dem Bauteil erzeugt wird, d.h. eine sich über eine gesamte Dicke des Bauteils erstreckende Ausnehmung erzeugt wird, kann insbesondere das Ablegen einer ersten Lage der faserverstärkten Kunststoffbänder aufwändig sein. Um dennoch aufwandsreduziert eine der Form des ursprünglichen Bauteils entsprechende Ersatzstruktur zu erzeugen, kann eine zu der ursprünglichen Form des Bauteils komplementäre Auflageebene zum Aufnehmen einer ersten Lage der faserverstärkten Kunststoffbänder bereitgestellt werden. Die Auflageebene kann in dem Schritt des schichtweisen Auftragens der faserverstärkten Kunststoffbänder an einer Oberfläche des Bauteils derart anliegen, dass diese die Ausnehmung von einer Seite begrenzt.
In dem Verfahren erfolgt das Abtragen von Material des Schichtverbundwerkstoffs bevorzugt derart, dass eine gestufte Ausnehmung ausgebildet wird, sodass die geschäftete Randkontur als eine gestufte Randkontur mit einer Mehrzahl von durch eine oder mehrere Schichten des Bauteils gebildeten Stufen ausgebildet wird. Entsprechend weisen die Ausnehmung und die Randkontur dieselbe Anzahl von Stufen auf, insbesondere wenigstens zwei. Unter einer „gestuften Form“, d.h. einer Form mit einer Mehrzahl von Stufen, wird vorliegend eine Struktur mit mehreren abwechselnd und aneinander angrenzend angeordneten Stirn- und Oberflächen verstanden, wobei die mehreren Stirnflächen jeweils und die mehreren Oberflächen jeweils im Wesentlichen dieselbe Orientierung aufweisen. Die Stirnabschnitte verlaufen vorzugsweise im Wesentlichen parallel zur Dickenrichtung bzw. quer zur Erstreckungsrichtung der Schichten und die Oberflächenabschnitte im Wesentlichen quer zur Dickenrichtung bzw. parallel zur Erstreckungsrichtung der Schichten. Das Ausbilden einer gestuften Randkontur ist besonders vorteilhaft, da sich so relativ zum Volumen der Ersatzstruktur eine große Kontaktfläche zwischen dem Bauteil und der Ersatzstruktur und somit eine hohe Festigkeit erzielen lassen.
Das Abtragen von Material des Schichtverbundwerkstoffs kann ferner derart erfolgen, dass jede der Mehrzahl von Stufen der ausgebildeten Randstruktur durch genau eine Schicht des Bauteils gebildet ist. Mit anderen Worten wird pro Schicht eine Stufe der Randkontur erzeugt. Dadurch kann eine besonders hohe Anzahl von Verbindungsabschnitten zwischen der Ersatzstruktur und dem Bauteil erzeugt und somit eine besonders hohe Festigkeit des Bauteils erreicht werden.
Das Abtragen von Material des Schichtverbundwerkstoffs erfolgt vorzugsweise mittels eines Laserstrahls. Insbesondere kann dabei ein Laserverdampf- bzw. Laserablations-Verfahren zum Einsatz kommen, bei dem das Abtragen von Material von einer Oberfläche des Bauteils mittels gepulster Laserstrahlung mit hoher Leistungsdichte erfolgt. Alternativ kann das Abtragen mittels Fräsen, Schleifen und/oder Wasserstrahlabtragen erfolgen.
In einer Weiterentwicklung kann das Verfahren ferner einen Schritt des Detektierens der Beschädigung des Bauteils, insbesondere mittels eines optischen Verfahrens umfassen. Hierzu kann beispielsweise ein Verfahren zur optischen Abstandsmessung, wie zum Beispiel ein Lasermessverfahren Anwendung finden, bei dem mittels einer von einem Laser emittierten Strahlung eine Entfernungsmessung erfolgt. Alternativ oder zusätzlich kann ein Bildverarbeitungsverfahren herangezogen werden, bei dem beispielsweise von einer Kamera aufgenommene Bilder analysiert und so Beschädigungen identifiziert werden. Ferner kann das Verfahren einen Schritt des Berechnens einer Position und Abmessung der in dem Bauteil auszubildenden geschäfteten, insbesondere stufenförmigen Ausnehmung umfassen. Dies kann insbesondere auf der Grundlage von in dem Schritt des Detektierens der Beschädigung in dem Bauteil gewonnenen Informationen erfolgen. Auf der Grundlage dieser Informationen kann beispielsweise zunächst eine Position der Beschädigung in dem Bauteil, die Abmessungen der Beschädigung und die Art der Beschädigung, z.B. Riss, Durchschlag etc., ermittelt werden. Darauf aufbauend kann dann die Position und Abmessung der auszubildenden Ausnehmung berechnet werden. Die Berechnung kann insbesondere derart erfolgen, dass eine durch die Ausnehmung auszubildende geschäftete, insbesondere gestufte Randkontur ein sicheres Verbinden zwischen Bauteil und Ersatzstruktur sicherstellt, d.h. dass eine hohe Festigkeit des reparierten Bauteils gewährleistet ist, und gleichzeitig die Menge von abzutragendem Material des Schichtverbundwerkstoffs des Bauteils minimiert wird. Weiterhin kann die Berechnung derart erfolgen, dass ein Verhältnis zwischen einer Fläche eines Verbindungsabschnitts zwischen Randkontur und der Ersatzstruktur und einer Menge oder Volumen des abzutragenden Materials einen Schwellenwert nicht unterschreitet.
Das Verfahren kann ferner einen Schritt des Ermittelns einer Orientierung bzw. einer Faserrichtung der in dem Schichtverbundwerkstoff enthaltenen Verstärkungsfasern innerhalb jeder der Randkontur bildenden Schichten umfassen. Hierzu können freiliegende Oberflächenabschnitte einer jeden Schicht bzw. einer jeden Stufe mittels eines optischen Verfahrens, z.B. mittels eines Bildverarbeitungsverfahrens, untersucht werden. Der Schritt des schichtweisen Auftragens der faserverstärkten Kunststoffbänder in der Ausnehmung erfolgt dabei vorzugsweise in Abhängigkeit der im Schritt des Ermittelns einer Orientierung der in dem Schichtverbundwerkstoff enthaltenen Verstärkungsfasern gewonnenen Informationen.
Das schichtweise Auftragen der faserverstärkten Kunststoffbänder erfolgt vorzugsweise derart, dass innerhalb einer jeden von durch die mehreren Schichten des Bauteils gebildeten mehreren Schichtebenen eine Orientierung von in den faserverstärkten Kunststoffbändern enthaltenen Verstärkungsfasern einer Orientierung der in dem Schichtverbundwerkstoff enthaltenen Verstärkungsfasern in der jeweiligen die Schichtebene bildenden Schicht des Bauteils entspricht. Mit anderen Worten, im Ergebnis liegen in jeder Schichtebene des Bauteils, die durch jeweils eine der Schichten des Bauteils gebildet ist und auch innerhalb der Ersatzstruktur verläuft, sowohl innerhalb des Schichtverbundwerkstoffs des Bauteils als auch in der Ersatzstruktur Verstärkungsfasern derselben Orientierung bzw. Faserrichtung vor. Auf diese Weise kann die durch die ausgehärteten faserverstärkten Kunststoffbänder gebildete Ersatzstruktur mit einer beanspruchungsgerechten Faserorientierung und Faserpositionierung erzeugt werden, die dem Aufbau des Schichtverbundwerkstoffs des Bauteils entspricht. Die Ersatzstruktur kann so mit zu dem Bauteil komplementären mechanischen Eigenschaften erzeugt werden.
Das Verfahren kann ferner einen Schritt des Bereitstellens der faserverstärkten Kunststoffbänder umfassen. Hierzu können zunächst ungetränkte Faserbänder bereitgestellt werden, d.h. ohne Kunststoffmaterial versehene Faserbänder. Die Faserbänder können unidirektionale Fasern in Bandform oder als Faserbündel bereitgestellte Fasern sein. Dies kann mittels eines kontinuierlichen Verfahrens erfolgen, in dem die Faserbänder von einer Spule abgewickelt werden. Daraufhin können diese mit einem aushärtbaren Kunststoffmaterial in einem unausgehärteten Zustand getränkt und daraufhin zugeschnitten werden. Das Tränken der Faserbänder erfolgt vorzugsweise unter Wärmeeintrag, um die Viskosität des Kunststoffmaterials zu erhöhen. Alternativ kann ein verstärktes Kunststoffband-Halbzeug, das in das Kunststoffmaterial eingebettete Verstärkungsfasern umfasst, eingesetzt werden, das in einem kontinuierlichen Verfahren von einer Spule abgewickelt und daraufhin zugeschnitten werden kann. Das aushärtbare Kunststoffmaterial der faserverstärkten Kunststoffbänder kann dabei ein duroplastisches und/oder thermoplastisches Material aufweisen.
Das schichtweise Auftragen der faserverstärkten Kunststoffbänder kann mittels eines Automated-Tape-Laying(ATL)-Verfahrens erfolgen, bei dem die faserverstärkten Kunststoffbänder in Form sogenannter „Tapes“ oder „Tows“ in der Ausnehmung aufgetragen werden. Alternativ oder zusätzlich kann das Auftragen der faserverstärkten Kunststoffbänder mittels eines Automated-Fiber-Placement(AFP)-Verfahrens erfolgen, bei dem die faserverstärkten Kunststoffbänder in Form von Faserbündeln, die im Vergleich zu dem im ATL-Verfahren zum Einsatz kommenden Faserverstärkten Kunststoffbändern eine deutlich kleinere Dicke bzw. Breite aufweisen. Dies ermöglicht das Auflegen von Faserstrukturen mit einer hohen Faserumlenkung, wie dies beispielsweise bei komplexen, stark gekrümmten Ersatzstrukturen der Fall ist. Im Vergleich zu dem ATL-Verfahren ist jedoch die Auftragerate bzw. -geschwindigkeit geringer.
Im Ergebnis ermöglicht das vorgeschlagene Verfahren die Herstellung komplexer, beanspruchungsgerechter Ersatzstrukturen innerhalb eines zu reparierenden Bauteils, das aufwandsreduziert und vollständig automatisiert durchführbar ist.
Eine Vorrichtung zum Reparieren eines aus einem Schichtverbundwerkstoff in mehreren Schichten aufgebauten Bauteils umfasst eine Abtrageeinheit, die zum Ausbilden einer geschäfteten Ausnehmung im Bereich einer Beschädigung des Bauteils Material des Schichtverbundwerkstoffs des Bauteils derart abträgt, dass eine von einer Mehrzahl von Schichten des Bauteils gebildete, geschäftete Randkontur ausgebildet ist. Die Vorrichtung umfasst ferner einen Bestückkopf, der zum Erzeugen einer zu der geschäfteten Randkontur des Bauteils komplementären und mit dieser verbundenen Ersatzstruktur dazu eingerichtet ist, faserverstärkte Kunststoffbänder, die ein aushärtbares Kunststoffmaterial in einem unausgehärteten Zustand aufweisen, schichtweise in der Ausnehmung des Bauteils aufzutragen.
Die Vorrichtung ist vorzugsweise eine mobile Vorrichtung, die eine Vor-Ort-Reparatur insbesondere von großen Bauteilen ermöglicht. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn eine schnelle Reparatur erfolgen soll oder aufgrund der Größe des Bauteils ein Transport desselben unwirtschaftlich ist.
Die Abtrageeinheit ist vorzugsweise dazu eingerichtet, Material des Schichtverbundwerkstoffs des Bauteils derart abzutragen, dass eine gestufte Ausnehmung ausgebildet ist, sodass die geschäftete Randkontur als eine gestufte Randkontur mit einer Mehrzahl von durch eine oder mehrere Schichten des Bauteils gebildeten Stufen ausgebildet ist.
Die Abtrageeinheit kann eine Laserstrahlquelle, die einen Laserstrahl zum Abtragen von Material des Schichtverbundwerkstoffs des Bauteils erzeugt, und eine optische Einheit zur Strahlenführung des von der Laserstrahlquelle erzeugten Laserstrahls umfassen.
Die Vorrichtung kann ferner eine Sensoreinheit, insbesondere eine Lasermesseinrichtung und/oder Bildaufnahmeeinheit, zum Aufnehmen einer Oberfläche des zu reparierenden Bauteils und zum Senden der derart gewonnenen Informationen an eine damit verbundene Steuereinheit der Vorrichtung umfassen. Die Steuereinheit ist vorzugsweise dazu eingerichtet, auf der Grundlage der von der Sensoreinheit gewonnenen Informationen eine Beschädigung in dem Bauteil zu detektieren, eine Position und Abmessung der in dem Bauteil auszubildenden Ausnehmung zu berechnen, und/oder darauf aufbauend die Abtrageeinheit zum Ausbilden der Ausnehmung zu steuern.
Die Steuereinheit kann ferner dazu eingerichtet sein, auf der Grundlage der von der Sensoreinheit gewonnenen Informationen eine Orientierung von in dem Schichtverbundwerkstoff enthaltenen Verstärkungsfasern innerhalb einer jeden die Randkontur bildenden Schicht des Bauteils zu ermitteln. Ferner kann die Steuereinheit dazu eingerichtet sein, in Abhängigkeit der ermittelten Orientierung der in dem Schichtverbundwerkstoff enthaltenen Verstärkungsfasern des Bauteils den Bestückkopf derart zu steuern, dass die faserverstärkten Kunststoffbänder in der Ausnehmung des Bauteils jeweils mit einer gewünschten Orientierung der Verstärkungsfasern relativ zu dem Bauteil aufgetragen werden.
Der Bestückkopf der Vorrichtung kann ferner eine Spule zum Bereitstellen eines Faserbands und/oder eines faserverstärkten Kunststoffband-Halbzeugs umfassen. In dem Fall, dass der Bestückkopf die Spule zum Bereitstellen eines Faserbands umfasst, kann dieser ferner einen Spender zum Bereitstellen eines aushärtbaren Kunststoffmaterials aufweisen, der dazu eingerichtet ist, das von der Spule abgewickelte Faserband mit dem aushärtbaren Kunststoffmaterial zu tränken, sodass ein faserverstärktes Kunststoffband-Halbzeug erzeugt wird. Der Bestückkopf kann ferner eine Abtrennvorrichtung zum Zuschneiden des faserverstärkten Kunststoffband-Halbzeugs und/oder eine Aufheizvorrichtung zum Erhitzen des faserverstärkten Kunststoffband-Halbzeugs und/oder der aufzutragenden und/oder aufgetragenen faserverstärkten Kunststoffbänder umfassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert, wobei

1 bis 3 ein Verfahren zum Reparieren eines aus einem Schichtverbundwerkstoff in mehreren Schichten aufgebauten Bauteils, und
4 eine Vorrichtung zum Durchführen des in den 1 bis 3 gezeigten Verfahrens zeigen.

1 zeigt ein Bauteil 10, das vorzugsweise eine strukturelle Komponente eines Luftfahrzeugs ist. Das Bauteil 10 ist aus einem Schichtverbundwerkstoff in mehreren Schichten 12 aufgebaut und weist eine gekrümmte Form auf. In einem Randbereich weist das Bauteil 10 eine Beschädigung 14 in Form eines Durchschlags durch die gesamte Dicke des Bauteils 10 auf. In einem ersten Schritt eines Verfahrens zum Reparieren eines aus einem Schichtverbundwerkstoff in mehreren Schichten aufgebauten Bauteils erfolgt ein Detektieren der Beschädigung 14 in dem Bauteil 10 mittels eines optischen Verfahrens, insbesondere mittels eines Lasermess- und/oder Bildverarbeitungsverfahrens. Hierzu wird eine Oberfläche 16 des Bauteils 10 mittels eines Sensors abgetastet. Darauf aufbauend erfolgt eine Berechnung einer Position und Abmessung einer in dem Bauteil 10 auszubildenden geschäfteten, insbesondere stufenförmigen Ausnehmung 18, wie in 2 gezeigt. Dies erfolgt auf der Grundlage von in dem Schritt des Detektierens der Beschädigung 14 in dem Bauteil 10 gewonnenen Informationen.
In einem nächsten Schritt erfolgt ein Abtragen von Material des Schichtverbundwerkstoffs des Bauteils 10 im Bereich der Beschädigung 14 des Bauteils 10 zum Ausbilden der stufenförmigen Ausnehmung 18, sodass eine geschäftete, insbesondere gestufte Randkontur 20 mit einer Mehrzahl von durch eine oder mehrere Schichten 12 des Bauteils 10 gebildeten Stufen 22 ausgebildet wird. Das Abtragen erfolgt derart, dass Bereiche des Bauteils 10, die in unmittelbarer Umgebung zu der Beschädigung 14 angeordnet sind, bis auf eine unterste Schicht 12 des Bauteils abgetragen werden. Insbesondere erfolgt der Schritt des Abtragens derart, dass jede der Mehrzahl von Stufen 22 der ausgebildeten Randstruktur 20 durch genau eine Schicht 12 des Bauteils 10 gebildet ist.
Vorliegend erfolgt das Abtragen von Material des Schichtverbundwerkstoffs mittels einer Abtrageeinheit 24. Die Abtrageeinheit 24 umfasst eine Laserstrahlquelle 26 zum Erzeugen eines das Material des Schichtverbundwerkstoffs abtragenden Laserstrahls 28 und eine optische Einheit 30 zur Strahlenführung des Laserstrahls 28. Das Abtragen erfolgt dabei insbesondere mittels eines Laserverdampf- bzw. Laserablations-Verfahrens, bei dem das Abtragen von Material von der Oberfläche 16 des Bauteils 10 mittels gepulster Laserstrahlung mit hoher Leistungsdichte erfolgt.
Vorliegend umfasst das Bauteil 10 aus unidirektionalen Gelegen aufgebaute Schichten 12. Mit anderen Worten, innerhalb einer jeden Schicht 12 des Bauteils 10 umfasst der Schichtverbundwerkstoff Verstärkungsfasern, die in derselben Faserrichtung ausgerichtet sind. In einem weiteren Schritt des Verfahrens erfolgt ein Ermitteln einer Orientierung bzw. einer Faserrichtung der in dem Schichtverbundwerkstoff erhaltenen Verstärkungsfasern innerhalb jeder der die Randkontur 20 bildenden Schichten 12. Hierzu werden freiliegende Oberflächenabschnitte der Randkontur 20, die parallel zur Erstreckungsrichtung bzw. quer zur Dickenrichtung der Schichten 12 verlaufen, mittels eines optischen Verfahrens, insbesondere mithilfe des Sensors, aufgenommen und analysiert.
Wie in 3 gezeigt, erfolgt darauffolgend ein Schritt des schichtweisen Auftragens faserverstärkter Kunststoffbänder 32 in der Ausnehmung 18 zum Erzeugen eines zu der gestuften Randkontur 20 des Bauteils 10 komplementären und daran anliegenden Ersatzstruktur-Halbzeugs 34. Die faserverstärkten Kunststoffbänder 32 weisen ein aushärtbares Kunststoffmaterial in einem unausgehärteten Zustand auf, dass vorzugsweise ein duroplastisches und/oder thermoplastisches Material ist. Ferner umfassen die faserverstärkten Kunststoffbänder 32 unidirektionale Verstärkungsfasern. Der Schritt des schichtweisen Auftragens der faserverstärkten Kunststoffbänder 32 in der Ausnehmung 18 erfolgt in Abhängigkeit der im Schritt des Ermittelns einer Orientierung der in dem Schichtverbundwerkstoff enthaltenen Verstärkungsfasern gewonnenen Informationen. Entsprechend werden die faserverstärkten Kunststoffbänder 32 derart aufgetragen, dass innerhalb einer jeden von durch die mehreren Schichten 12 des Bauteils 10 gebildeten mehreren Schichtebenen eine Orientierung von in den faserverstärkten Kunststoffbändern 32 enthaltenen Verstärkungsfasern einer Orientierung der in dem Schichtverbundwerkstoff enthaltenen Verstärkungsfasern in der jeweiligen die Schichtebene bildenden Schicht 12 entspricht. Mit anderen Worten, in jeder Schichtebene des Bauteils 10, die durch jeweils eine der Schichten 12 des Bauteils 10 gebildet ist und auch innerhalb des Ersatzstruktur-Halbzeugs 34 verläuft, liegen sowohl innerhalb des Schichtverbundwerkstoffs des Bauteils 10 als auch innerhalb des Ersatzstruktur-Halbzeugs 34 Verstärkungsfasern mit derselben Orientierung bzw. Faserrichtung vor. Auf diese Weise wird ein Ersatzstruktur-Halbzeug 34 mit einer beanspruchungsgerechten Faserorientierung und - positionierung erzeugt.
Schließlich erfolgt ein Aushärten des in den faserverstärkten Kunststoffbändern 32, die das Ersatzstruktur-Halbzeug 34 bilden, enthaltenen aushärtbaren Kunststoffmaterials zum Erzeugen einer Ersatzstruktur und zum Verbinden der Ersatzstruktur mit dem Bauteil 10. Dadurch erfolgt ein stoffschlüssiges Verbinden der Ersatzstruktur mit dem Bauteil 10. In dem vorliegenden Verfahren erfolgt das Ausbilden des durch die faserverstärkten Kunststoffbänder 32 gebildeten Ersatzstruktur-Halbzeugs 34 derart, dass die durch den Schritt des Aushärtens erzeugte Ersatzstruktur in ihrer Form im Wesentlichen der ursprünglichen, fehlerfreien Form des Bauteils 10 im Bereich der Ausnehmung 18 entspricht.
Der Schritt des schichtweisen Auftragens der faserverstärkten Kunststoffbänder 32 erfolgt vorliegend mittels eines Bestückkopfs 36, der zum Erzeugen der zu der gestuften Randkontur 20 des Bauteils 10 komplementären und mit dieser verbundenen Ersatzstruktur dazu eingerichtet ist, die faserverstärkten Kunststoffbänder 32 schichtweise in der Ausnehmung 18 des Bauteils 10 aufzutragen. Der Bestückkopf 36 umfasst eine Spule 38 zum Bereitstellen eines Faserbands 40. Ein Spender 42 des Bestückkopfs 36 zum Bereitstellen eines aushärtbaren Kunststoffmaterials ist dazu eingerichtet, dass von der Spule 38 abgewickelte Faserband 40 mit dem aushärtbaren Kunststoffmaterial zu tränken, sodass ein faserverstärktes Kunststoffband-Halbzeug 44 erzeugt wird. Ferner umfasst der Bestückkopf 36 eine hier nicht gezeigte Abtrennvorrichtung zum Zuschneiden des faserverstärkten Kunststoffband-Halbzeugs 44, wodurch die faserverstärkten Kunststoffbänder 32 erzeugt werden. Der Bestückkopf 36 umfasst zudem eine Aufheizvorrichtung in Form einer Laserlichtquelle 46 zum Erhitzen des faserverstärkten Kunststoffband-Halbzeugs 44 und/oder der aufzutragenden und/oder aufgetragenen faserverstärkten Kunststoffbänder 32. Eine beheizte Stempeleinheit 47 des Bestückkopfs 36 dient zum Kompaktieren der faserverstärkten Kunststoffbänder 32 beim Auflegen derselben. Alternativ kann der Bestückkopf 36 mit einer Spule zum Bereitstellen eines faserverstärkten Kunststoff-Halbzeugs ausgerüstet sein, wobei auf der Spule das durch getränkten Faserbänder gebildete faserverstärkte Kunststoff-Halbzeug aufgewickelt ist. Der Bestückkopf 36 kann in Form eines ATL-Bestückkopfs oder eines AFP-Bestückkopfs bereitgestellt sein.
4 zeigt eine mobile Vorrichtung 48 zum Reparieren eines aus einem Schichtverbundwerkstoff in mehreren Schichten aufgebauten Bauteils, mit der das vorangehend beschriebene Verfahren automatisiert durchführbar ist. Die Vorrichtung 48 umfasst die Abtrageeinheit 24 und den Bestückkopf 36, die jeweils an einem mehrachsigen Roboterarm 50 montiert sind. Ferner weist die Vorrichtung 48 eine Steuereinheit 52 auf, die die mehrachsigen Roboterarme 50, die Abtrageeinheit 24 und den Bestückkopf 36 steuert.
Weiterhin umfasst die Vorrichtung 48 eine an der Abtrageeinheit 24 befestigte Sensoreinheit 54, insbesondere umfassend eine Lasermesseinrichtung und/oder eine Bildaufnahmeeinheit, zum Aufnehmen der Oberfläche 16 des zu reparierenden Bauteils 10 und zum Senden der derart gewonnenen Informationen an die damit verbundene Steuereinheit 52. Die Steuereinheit 52 ist dazu eingerichtet, auf der Grundlage der von der Sensoreinheit 54 gewonnenen Informationen die Beschädigung 14 in dem Bauteil 10 zu detektieren, eine Position und Abmessung der in dem Bauteil 10 auszubildenden stufenförmigen Ausnehmung 18 zu berechnen und/oder darauf aufbauen die Abtrageeinheit 24 zum Ausbilden der Ausnehmung 18 zu steuern. Die Steuereinheit 52 ist ferner dazu eingerichtet, auf der Grundlage der von der Sensoreinheit 54 aufgenommenen Informationen eine Orientierung von in dem Schichtverbundwerkstoff enthaltenen Verstärkungsfasern innerhalb einer jeden der die Stufen 22 der Randkontur 20 bildenden Schichten 12 des Bauteils 10 zu ermitteln. Die Steuereinheit 52 steuert den Bestückkopf 36 in Abhängigkeit der so ermittelten Orientierung der Verstärkungsfasern derart, dass die faserverstärkten Kunststoffbänder 32 in der Ausnehmung 18 des Bauteils 10 jeweils mit einer gewünschten Orientierung der Verstärkungsfasern relativ zu dem Bauteil 10 aufgetragen werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102015110193 A1 [0003]

Claims

Verfahren zum Reparieren eines aus einem Schichtverbundwerkstoff in mehreren Schichten (12) aufgebauten Bauteils (10), das die Schritte umfasst: - Abtragen von Material des Schichtverbundwerkstoffs des Bauteils (10) im Bereich einer Beschädigung (14) des Bauteils (10) zum Ausbilden einer geschäfteten Ausnehmung (18), sodass eine von einer Mehrzahl von Schichten (12) des Bauteils (10) gebildete, geschäftete Randkontur (20) ausgebildet wird; - schichtweises Auftragen faserverstärkter Kunststoffbänder (32), die ein aushärtbares Kunststoffmaterial in einem unausgehärteten Zustand aufweisen, in der Ausnehmung (18) zum Erzeugen eines zu der geschäfteten Randkontur (20) des Bauteils (10) komplementären und daran anliegenden Ersatzstruktur-Halbzeugs (34); und - Aushärten des in den faserverstärkten Kunststoffbändern (32) enthaltenen aushärtbaren Kunststoffmaterials zum Erzeugen einer Ersatzstruktur und zum Verbinden der Ersatzstruktur mit dem Bauteil (10).
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Ersatzstruktur in ihrer Form im Wesentlichen einer ursprünglichen, fehlerfreien Form des Bauteils (10) im Bereich der Ausnehmung (18) entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Schritt des Abtragens von Material des Schichtverbundwerkstoffs des Bauteils (10) derart erfolgt, dass eine gestufte Ausnehmung (18) ausgebildet wird, sodass die geschäftete Randkontur (20) als eine gestufte Randkontur (20) mit einer Mehrzahl von durch eine oder mehrere Schichten (12) des Bauteils gebildeten Stufen (22) ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem der Schritt des Abtragens von Material des Schichtverbundwerkstoffs des Bauteils (10) derart erfolgt, dass jede der Mehrzahl von Stufen (22) der ausgebildeten Randstruktur (20) durch genau eine Schicht (12) des Bauteils (10) gebildet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der Schritt des Abtragens von Material des Schichtverbundwerkstoffs des Bauteils (10) mittels eines Laserstrahls (28), insbesondere mittels Laserverdampfen erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, das ferner die Schritte umfasst: - Detektieren der Beschädigung (14) in dem Bauteil (10) mittels eines optischen Verfahrens, insbesondere mittels eines Lasermess- und/oder Bildverarbeitungsverfahrens; und - Berechnen einer Position und Abmessung der in dem Bauteil (10) auszubildenden Ausnehmung (18) auf der Grundlage von in dem Schritt des Detektierens der Beschädigung (14) in dem Bauteil (10) gewonnenen Informationen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, das ferner einen Schritt des Ermittelns einer Orientierung von in dem Schichtverbundwerkstoff enthaltenen Verstärkungsfasern innerhalb jeder der die Randkontur (20) bildenden Schichten (12) des Bauteils (10) umfasst, indem insbesondere freiliegende Oberflächenabschnitte der Schichten (12) mittels eines optischen Verfahrens untersucht werden, wobei der Schritt des schichtweisen Auftragens der faserverstärkten Kunststoffbänder (32) in Abhängigkeit der im Schritt des Ermittelns einer Orientierung der Verstärkungsfasern gewonnenen Informationen erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem das schichtweise Auftragen der faserverstärkten Kunststoffbänder (32) derart erfolgt, dass innerhalb einer jeden von durch die mehreren Schichten (12) des Bauteils (10) gebildeten mehreren Schichtebenen eine Orientierung von in den faserverstärkten Kunststoffbändern (32) enthaltenen Verstärkungsfasern einer Orientierung der in dem Schichtverbundwerkstoff enthaltenen Verstärkungsfasern in der jeweiligen die Schichtebene bildenden Schicht (12) entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem das aushärtbare Kunststoffmaterial der faserverstärkten Kunststoffbänder (32) ein duroplastisches und/oder thermoplastisches Material aufweist.
Vorrichtung (48), insbesondere mobile Vorrichtung, zum Reparieren eines aus einem Schichtverbundwerkstoff in mehreren Schicht (12) aufgebauten Bauteils (10), die umfasst: - eine Abtrageeinheit (24), die zum Ausbilden einer geschäfteten Ausnehmung (18) im Bereich einer Beschädigung (14) des Bauteils (10) Material des Schichtverbundwerkstoffs des Bauteils (10) derart abträgt, dass eine von einer Mehrzahl von Schichten (12) des Bauteils gebildete, geschäftete Randkontur (20) ausgebildet ist, und - einen Bestückkopf (36), der zum Erzeugen einer zu der geschäfteten Randkontur (20) des Bauteils (10) komplementären und mit dieser verbunden Ersatzstruktur dazu eingerichtet ist, faserverstärkte Kunststoffbänder (32), die ein aushärtbares Kunststoffmaterial in einem unausgehärteten Zustand aufweisen, schichtweise in der Ausnehmung (18) des Bauteils aufzutragen.
Vorrichtung nach Anspruch 10, bei der die Abtrageeinheit (24) Material des Schichtverbundwerkstoffs des Bauteils (10) derart abträgt, dass eine gestufte Ausnehmung (18) ausgebildet ist, sodass die geschäftete Randkontur (20) als eine gestufte Randkontur (20) mit einer Mehrzahl von durch eine oder mehrere Schichten (12) des Bauteils gebildeten Stufen (22) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, bei der die Abtrageeinheit (24) eine Laserstrahlquelle (26), die einen Laserstrahl (28) zum Abtragen von Material des Schichtverbundwerkstoffs des Bauteils (10) erzeugt, und eine optische Einheit (30) zur Strahlenführung des Laserstrahls (28) umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, ferner umfassend eine Sensoreinheit (54), insbesondere mit einer Lasermesseinrichtung und/oder Bildaufnahmeeinheit, zum Aufnehmen einer Oberfläche (16) des zu reparierenden Bauteils (10) und zum Senden derart gewonnener Informationen an eine damit verbundene Steuereinheit (52) der Vorrichtung (48), die dazu eingerichtete ist, auf der Grundlage der von der Sensoreinheit (54) gewonnenen Informationen eine Beschädigung (14) in dem Bauteil (10) zu detektieren, eine Position und Abmessung der in dem Bauteil (10) auszubildenden Ausnehmung (18) zu berechnen und/oder darauf aufbauend die Abtrageeinheit (24) zum Ausbilden der Ausnehmung (18) zu steuern.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, bei der die Steuereinheit (52) ferner dazu eingerichtet ist, auf der Grundlage der von der Sensoreinheit (54) gewonnenen Informationen eine Orientierung von in dem Schichtverbundwerkstoff enthaltenen Verstärkungsfasern innerhalb einer jeden der die Randkontur (22) bildenden Schichten (12) des Bauteils (10) zu ermitteln und den Bestückkopf (36) in Abhängigkeit der ermittelten Orientierung der Verstärkungsfasern derart zu steuern, dass die faserverstärkten Kunststoffbänder (32) in der Ausnehmung (18) des Bauteils (10) jeweils mit einer gewünschten Orientierung der Verstärkungsfasern relativ zu dem Bauteil (10) aufgetragen werden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, bei der der Bestückkopf (36) ferner umfasst: - eine Spule (38) zum Bereitstellen eines Faserbands (40) und/oder eines faserverstärkten Kunststoffband-Halbzeugs, - einen Spender (42) zum Bereitstellen eines aushärtbaren Kunststoffmaterials, der dazu eingerichtet ist, das von der Spule (38) abgewickelte Faserband mit dem aushärtbaren Kunststoffmaterial zu tränken, sodass ein faserverstärktes Kunststoffband-Halbzeugs (44) erzeugt wird, - eine Abtrennvorrichtung zum Zuschneiden des faserverstärkten Kunststoffband-Halbzeug (44), und/oder - eine Aufheizvorrichtung (46) zum Erhitzen des faserverstärkten Kunststoffband-Halbzeugs (44) und/oder der aufzutragenden und/oder aufgetragenen faserverstärkten Kunststoffbänder (32).