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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein hierzu korrespondierendes Formwerkzeug zum Herstellen eines Faserverbund-Hohlkörpers aus einem Faserverbundwerkstoff, der zumindest ein Fasermaterial und ein Matrixmaterial hat, wobei der Faserverbund-Hohlkörper hergestellt wird, in dem das Fasermaterial des Faserverbundwerkstoffes in ein bereitgestelltes Formwerkzeug eingebracht und das in das Fasermaterial infundierte Matrixmaterial des Faserverbundwerkstoffes ausgehärtet wird.
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Aufgrund Ihrer gewichtsspezifischen Festigkeit und Steifigkeit eignen sich Faserverbundbauteile, die aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt wurden, insbesondere für den Aspekt des Leichtbaus. Die Faserrichtung des Fasermaterials des Faserverbundwerkstoffes bildet dabei in dem späteren Bauteil die lasttragende Richtung, wobei das ausgehärtete Matrixmaterial eine integrale Einheit mit dem Fasermaterial bildet und so die Faserrichtung des Fasermaterials fixiert.
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Bei einem klassischen Herstellungsverfahren werden in der Regel trockene Faserhalbzeuge (trockenes Fasermaterial) in ein Formwerkzeug eingebracht und in die entsprechende Form drapiert. Anschließend wird das aus dem trockenen Fasermaterial gebildete Bauteil mithilfe einer Vakuumabdeckung luftdicht abgedeckt und anschließend das Fasermaterial evakuiert, bis sich ein Feinvakuum eingestellt hat. Anschließend wird dann das Matrixmaterial durch eine entsprechende Angussvorrichtung in das evakuierte Fasermaterial injiziert (infundiert), bis dieses vollständig getränkt ist (innerhalb von Toleranzen). Anschließend wird das in das Fasermaterial infundierte Matrixmaterial unter Temperaturbeaufschlagung ausgehärtet. Neben der Verwendung von vorimprägnierten Fasermaterialien (sogenannten Prepregs) besteht hier der Vorteil darin, dass durch die Verwendung von trockenen Fasermaterialien die Handhabbarkeit dieser Halbzeuge wesentlich vereinfacht wird. Dies wird sich allerdings letztlich mit einem komplizierteren Aufbau für das Infundieren des Matrixmaterials erkauft.
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Insbesondere bei gekrümmten bzw. stark gekrümmten Bauteilen entsteht beim Aushärten des Matrixmaterials der Spring-In-Effekt, der zu einer Geometrieveränderung des Bauteils während des Aushärtens gegenüber der vorgegebenen Werkzeugoberfläche des Formwerkzeuges führt. Begründet liegt der negative Spring-In-Effekt darin, dass durch das Aushärten des Matrixmaterials insbesondere im Krümmungsradius Spannungen in dem Bauteil entstehen, die dann zu einer Formveränderung des späteren Bauteils führen. Bei der Entwicklung geeigneter Formwerkzeuge muss dieser in der Regel nicht berechenbare Spring-In-Effekt mit berücksichtigt werden, so dass durch die Form des Werkzeuges ein auftretender Spring-In-Effekt kompensiert werden kann und das Bauteil tatsächlich die spätere Soll-Geometrie aufweist.
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Bei der Herstellung von Faserverbund-Hohlkörpern, wie beispielsweise Flügel, Wing-Box Rümpfe, Drucktanks, Rotorblätter von Hubschraubern oder Windkraftanlagen sowie andere Strömungskörper, kommt nach derzeitigem Stand der Technik u.a. entweder eine Integralbauweise, ein Wickelverfahren um einen Wickelkern oder eine segmentierte Bauweise in Betracht. Im Wickelverfahren wird dabei das Fasermaterial um einen Wickelkern gewickelt, der den späteren Hohlraum des Faserverbund-Hohlkörpers bilden soll. Der Wickelkern verbleibt entweder später in dem Bauteil, was die vorteilhafte Werkstoffeigenschaft in Bezug auf den Leichtbau wieder zunichtemacht, oder aber der Wickelkern wird durch geeignete Maßnahmen aus dem Inneren entfernt, was auf jeden Fall einer Öffnung in dem Hohlköper bedarf. Das Wickelverfahren ist somit auf einige wenige Anwendungsfälle begrenzt.
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Für die Herstellung von nicht symmetrischen Faserverbund-Hohlkörpern, wie sie beispielsweise bei Rotorblättern von Hubschraubern oder anderen Strömungskörpern vorkommen, ist das Wickelverfahren nur bedingt geeignet, da nicht selten Hohlkörper hergestellt werden müssen, die in Teilen eine konvexe Form aufweisen. Eine konvexe Form meint hierbei, dass sich die Oberfläche des Hohlkörpers in bestimmten Abschnitten in Richtung des Hohlraumes erstrecken, so dass beim Wickeln auf einen derartigen Wickelkern das Fasermaterial, welches unter Spannung auf den Wickelkern abgewickelt wird, sich nicht in diese konvexe Form einlegen würde. Daher werden derartige Hohlkörper in der Praxis in einer segmentierten Bauweise hergestellt, bei der der Hohlkörper in wenigstens zwei Hälften unterteilt und die Hälften jeweils separat hergestellt werden, wobei diese Hälften dann in einem Endschritt zusammengefügt werden. Hierdurch lassen sich auch konvexe Formen herstellen, da die Hälften separat und getrennt voneinander mithilfe eines Formwerkzeuges hergestellt werden können.
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Ein Nachteil dieser separaten (differentiellen) Herstellung liegt jedoch darin, dass die lasttragenden Fasern des Fasermaterials nicht durchgängig sind und somit ein wesentlicher Teil der lasttragenden Eigenschaften insbesondere an den Fügestellen verloren geht. Dies wird entweder durch eine weitere mechanische Verbindung (Bolz- oder Nietverbindung) kompensiert oder durch einen höheren Materialanteil, was letztlich jedoch dem Aspekt des Leichtbaus zuwiderläuft.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Verfahren und ein hierzu korrespondierendes Formwerkzeug zu schaffen, mit dem sich Faserverbund-Hohlkörper in integraler Bauweise herstellen lassen, ohne hierfür Wickelkerne verwenden zu müssen.
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Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie dem Formwerkzeug gemäß Anspruch 9 erfindungsgemäß gelöst.
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Gattungsgemäß wird mit Anspruch 1 ein Verfahren zum Herstellen eines Faserverbund-Hohlkörpers aus einem Faserverbundwerkstoff vorgeschlagen, wobei der Faserverbundwerkstoff zumindest ein Fasermaterial und ein Matrixmaterial hat. Dabei wird das Fasermaterial des Faserverbundwerkstoffes in ein bereitgestelltes Formwerkzeug eingebracht und dann das in das Fasermaterial infundierte Matrixmaterial des Faserverbundwerkstoffes durch Temperaturbeaufschlagung ausgehärtet. Das Infundieren des Matrixmaterials kann dabei nach dem Einbringen des Fasermaterials in das Formwerkzeug durch einen Infusionsprozess erfolgen. Denkbar ist aber auch, dass Fasermaterial verwendet wird, das bereits vorimprägniert ist und somit das zum Aushärten notwendige Matrixmaterial enthält, so dass nach dem Einbringen des Fasermaterials (auch Prepregs genannt) ein Infundieren des Matrixmaterials in das Fasermaterial nicht mehr notwendig ist.
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Erfindungsgemäß wird ein Formwerkzeug bereitgestellt, welches ein erstes Werkzeugsegment und wenigstens ein zweites Werkzeugsegment mit jeweils einer formgebenden Werkzeugoberfläche hat, wobei die beiden Werkzeugsegmente des Formwerkzeuges über ein Gelenk in einem Gelenkabschnitt drehbar miteinander verbunden sind. Das Gelenk, mit dem die beiden Werkzeugsegmente miteinander verbunden sind, ermöglicht so eine Verbindung der beiden Werkzeugsegmente derart, dass diese relativ zueinander in Form einer Drehbewegung beweglich miteinander verbunden sind.
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Durch dieses Gelenk in dem Gelenkabschnitt des Formwerkzeuges kann somit das Formwerkzeug von einem geöffneten Zustand in einen geschlossenen Zustand überführt werden, indem die Werkzeugsegmente relativ zueinander gedreht werden, wobei zwischen den Werkzeugsegmenten eine Kavität für den Hohlraum des herzustellenden Faserverbund-Hohlkörpers im geschlossenen Zustand gebildet wird. Mit anderen Worten, im geschlossenen Zustand bildet die formgebende Werkzeugoberfläche des ersten und zweiten Werkzeugsegmentes zumindest einen Teil der Innenwandung der durch das Schließen des Formwerkzeuges gebildeten Kavität, so dass diese formgebende Werkzeugoberfläche des ersten und des zweiten Werkzeugsegmentes dann zumindest einen Teil der äußeren Oberfläche des herzustellenden Faserverbund-Hohlkörpers entspricht.
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In dieses bereitgestellte Formwerkzeug wird nun im geöffneten Zustand des Formwerkzeuges das Fasermaterial eingebracht, wobei das Fasermaterial auf die formgebende Werkzeugoberfläche des ersten und des zweiten Werkzeugsegmentes sowie auf den Gelenkabschnitt abgelegt wird. Anschließend wird das Formwerkzeug durch Drehen wenigstens eines der Werkzeugsegmente mittels des Gelenkes geschlossen, so dass das Formwerkzeug von dem geöffneten Zustand in den geschlossenen Zustand überführt wird. In dem den Formwerkzeugteile geometrisch wiedervereinigt aber thermal vom Material mit niedriger thermalen Wärmeleitfähigkeit getrennt sind.
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Im geschlossenen Zustand des Formwerkzeuges wird nun das in zumindest einen Teil des Fasermaterials infundierten Matrixmaterials ausgehärtet, um so schlussendlich das Bauteil herzustellen. Insbesondere wird hierbei dasjenige Matrixmaterial ausgehärtet, das in dem Fall von Infusion in das Fasermaterial im Gelenkabschnitt infundiert ist, was nicht ausschließt, dass auch das übrige Matrixmaterial, das in dem Fall von Infusion in das übrige Fasermaterial infundiert ist, ausgehärtet wird. Denkbar ist allerdings auch, wie später noch gezeigt wird, dass im geschlossenen Zustand des Formwerkzeuges bereits Teile des Bauteils ausgehärtetes Matrixmaterial aufweisen.
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Somit wird es möglich, einen Faserverbund-Hohlkörper herzustellen, der nicht aus zwei einzelnen Teilelementen zusammengesetzt werden muss, ohne dass integral zu fertigen oder hierbei ein Wickelkern im Inneren des Hohlkörpers verbleibt. Vielmehr wird ein finaler Hohlkörper geschaffen, der aus einer einzigen integralen Struktur besteht. Darüber hinaus lassen sich mithilfe dieses Verfahrens auch Faserverbund-Hohlkörper herstellen, die eine teilweise konvexe Form aufweisen, ohne dass hierbei die Notwendigkeit besteht, derartige Hohlkörper aus zwei einzelnen Teilbauteilen zusammensetzen zu müssen. Vielmehr wird der gesamte Faserverbund-Hohlkörper als Ganzes hergestellt und insbesondere in einem Prozessschritt hergestellt, wobei durch das Schließen des Formwerkzeuges eine in sich geschlossene, integrale Struktur des Faserverbund-Hohlkörpers gebildet wird. Integrale Struktur meint hierbei mindestens, dass das Bauteil vom ersten Bauteilsegment des ersten Werkzeugsegmentes über den Gelenkabschnitt hin zum zweiten Bauteilsegment des zweiten Werkzeugsegmentes einstückig, d.h. fügestellenfrei, ausgebildet ist.
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Dabei hat der Erfinder erkannt, dass der an sich negative Spring-In-Effekt hier genutzt werden kann, um dem späteren Bauteil eine gewisse Eigenspannung zu verleihen, so dass eine Kraft auf die beiden durch die Werkzeugsegmente gebildeten Bauteilsegmente (Schenkel) eine Kraft wirkt, die zu einer höheren Stabilität des Hohlkörpers führt. Bei der vorliegenden Erfindung wird somit der Spring-In-Effekt, der bei der Herstellung von gekrümmten Faserverbund-Bauteilen negative Folgen hat und in der Regel durch eine entsprechende Formwerkzeuggeometrie kompensiert werden muss, positiv für die Bauteilstabilität benutzt, wodurch dem Faserverbund-Hohlkörper insgesamt eine bessere Festigkeit und Steifigkeit verliehen werden kann.
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Im Gegensatz zu den bekannten Integralverfahren ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren eine steuerbare und qualitätssichere Fertigung der inneren Struktur des Bauteils und erhöht somit insgesamt die Fertigungsqualität.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass im geschlossenen Zustand des Formwerkzeuges das Fasermaterial in dem ersten Werkzeugsegment in einem Randabschnitt an dem Fasermaterial in dem zweiten Werkzeugsegment anliegt, so dass ausgehend von dem Randabschnitt des ersten Werkzeugsegmentes über den Gelenkabschnitt des in dem Randabschnitt des zweiten Werkzeugsegmentes eine geschlossene, integrale Bauteilstruktur gebildet wird. In diesem Bereich der Randabschnitte sorgt dabei der Spring-In-Effekt dann für ein Zusammendrücken der beiden Bauteilschenkel und führt so zu einer höheren Stabilität.
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Dabei kann das Fasermaterial des ersten Werkzeugsegmentes mit dem Fasermaterial des zweiten Werkzeugsegmentes in diesem Randabschnitt direkt kontaktiert und zusammengefügt werden, wenn die Randabschnitte nicht mit einer Vakuumfolie abgedeckt sind. Wurde eine Vakuumabdeckung verwendet, so ist es denkbar, dass diese entweder in dem Randabschnitt zwischen den beiden Bauteilschenkeln verbleibt, wobei durch eine entsprechende Geometrie dieses Randabschnittes ein Formschluss erreicht werden kann. Denkbar ist aber auch, dass durch zusätzliche Verbindungselemente dieser Bereich fixiert wird. Denkbar ist allerdings auch, dass eine thermoplastische Folie als Vakuumfolie verwendet wird, die als Teil des Bauteils erhalten bleibt und somit gleichzeitig Teil der Fügestellte werden kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird ein Formwerkzeug bereitgestellt, bei das Gelenk im Gelenkabschnitt durch ein drittes Werkzeugsegment mit einer vorgegebenen Werkzeugoberfläche gebildet wird, wobei das dritte Werkzeugsegment an einer Seite mit dem ersten Werkzeugsegment und an einer anderen Seite mit dem zweiten Werkzeugsegment verbunden ist. Vorteilhafterweise ist das dritte Werkzeugsegment mit dem ersten Werkzeugsegment und/oder mit dem zweiten Werkzeugsegment insbesondere drehbar verbunden. Es hat sich gezeigt, dass je nach Krümmungsradius mehr Platz zwischen den Kanten-Formwerkzeugteilen und den Faserlagen benötigt wird, so dass mithilfe eines dritten Werkzeugsegmentes mit einer formgebenden Werkzeugoberfläche im Gelenkabschnitt diesem Umstand Rechnung getragen werden kann. Das Gelenk im Gelenkabschnitt wird dabei insbesondere mit der drehbaren Verbindung mit dem ersten und/oder zweiten Werkzeugsegment gebildet.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird in das Formwerkzeug eine Mehrzahl von Fasermateriallagen eingebracht, so dass der herzustellende Faserverbund-Hohlkörper aus einer Mehrzahl von Materiallagen bzw. Fasermateriallagen aufgebaut ist. Um beim Schließen des Formwerkzeuges im Gelenkabschnitt entsprechende Deformationen des Fasermaterials aufgrund der unterschiedlichen Krümmungsradien der einzelnen Fasermateriallagen zu vermeiden, wird vorgeschlagen, dass im Gelenkabschnitt ein oder mehrere Abstandshalter angeordnet werden, die während des Einbringens des Fasermaterials jeweils zwischen wenigstens zwei Fasermateriallagen eingelegt und vor dem Schließen des Formwerkzeuges wieder entfernt werden. Demzufolge wird eine Fasermateriallage in das Formwerkzeug eingelegt, wobei diese Fasermateriallage auch über den Gelenkabschnitt von dem ersten Werkzeugsegment hin zum zweiten Werkzeugsegment eingebracht wird. Im Gelenkabschnitt wird nun ein Abstandshalter angeordnet und der Abstand zwischen den seitigen Formwerkzeugsegmenten angepasst/verringert, der durch die einzelnen Fasermateriallagen entstehenden unterschiedlichen Krümmungsradien kompensieren soll. Anschließend wird eine weitere Fasermateriallage in das Formwerkzeug eingelegt, wobei nun zwischen der ersten Fasermateriallage und der zweiten Fasermateriallage im Gelenkabschnitt der Abstandhalter angeordnet ist. Wenn alle Fasermateriallagen eingebracht wurden, so werden diese Abstandshalter kurz vor dem Schließen des Formwerkzeuges wieder entfernt, so dass sich das Formwerkzeug schließen lässt, ohne dass es hierbei im Gelenkabschnitt zu Deformationen der einzelnen Fasermateriallagen kommt. Die Abstandshalter weisen dabei eine Höhe auf, mit der der jeweils entstehende unterschiedliche Krümmungsradius beim Schließen des Formwerkzeuges kompensiert wird.
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Hierdurch wird es möglich, beim Schließen des Formwerkzeuges die dabei entstehenden Deformationen zu vermeiden, die schließlich zu einer Minderbelastbarkeit des Bauteils in diesem Bereich führen würde, da der strenge Faserverlauf des Fasermaterials, der die Stabilität des Bauteils garantiert, nicht mehr gegeben wäre.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform wird im geöffneten Zustand des Formwerkzeuges das in das Formwerkzeug eingebrachte Fasermaterial mit einer Vakuumabdeckung, beispielsweise mit einer Vakuumfolie oder einer Vakuumhaube, abgedeckt, wobei anschließend im geöffneten oder im geschlossenen Zustand des Formwerkzeuges dann das Fasermaterial mittels einer Drucksenke evakuiert und das Matrixmaterial in das Fasermaterial infundiert wird. Gerade im Bereich des Gelenkabschnittes ist es dabei vorteilhaft, wenn das Matrixmaterial im geschlossenen Zustand des Formwerkzeuges injiziert wird, um beim Schließen des Formwerkzeuges eine ungleichmäßige Verteilung des Matrixmaterials durch eventuelle Druckpunkte beim Schließen des Formwerkzeuges zu vermeiden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform werden nach dem Ablegen des Fasermaterials im geöffneten Zustand des Formwerkzeuges ein oder mehrere Versteifungselemente auf das abgelegte Fasermaterial angeordnet, wobei die Versteifungselemente im Hohlraum des herzustellenden Faserverbund-Hohlkörpers liegen und Bestandteil des herzustellenden Faserverbund-Hohlkörpers sind bzw. werden.
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Die Versteifungselemente können dabei bereits ausgehärtete Bauteile sein, die auf das Fasermaterial des herzustellenden Faserverbund-Hohlkörpers aufgelegt werden und mithilfe einer Klebstoffschicht verklebt werden. Denkbar ist aber auch, dass die Versteifungselemente im noch nicht ausgehärteten Zustand entweder als Prepregs oder sogar als trockene Fasermaterialien abgelegt werden, wobei dann im Zusammenhang mit dem Faserverbund-Hohlkörper das Fasermaterial der Versteifungselemente ggf. mit Matrixmaterial infundiert und anschließend das Matrixmaterial sowohl der Versteifungselemente als auch des übrigen Bauteils ausgehärtet wird. Hierbei ist es denkbar, dass nach dem Anordnen der Versteifungselemente auf dem Fasermaterial in dem Formwerkzeug das Ganze dann mithilfe einer Vakuumabdeckung abgedeckt wird, um so die notwendigen Prozessschritte des Evakuierens und des Indizierens des Matrixmaterials sicherzustellen. Dies ist auch dann ggf. notwendig, wenn das Versteifungselement bereits ausgehärtet ist, um die Fügestelle entsprechend ausbilden zu können.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung hierzu ist es denkbar, dass eines der Versteifungselemente mit einer ersten Seite auf das abgelegte Fasermaterial des ersten Werkzeugsegmentes angeordnet wird und im geschlossenen Zustand des Formwerkzeuges mit einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite des Versteifungselementes an dem abgelegten Fasermaterial des zweiten Werkzeugsegmentes anliegt. Hierdurch entsteht eine Art Steg, der formschlüssig von dem Fasermaterial des ersten Werkzeugsegmentes hin zu dem Fasermaterial des zweiten Werkzeugsegmentes reicht und so eine Art Stütze der beiden Bauteilsegmente bzw. Bauteilschenkel darstellt.
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Wird vor dem Schließen des Formwerkzeuges das Bauteil mit einer Vakuumabdeckung, beispielsweise einer Vakuumfolie, abgedeckt, um zu einem späteren Zeitpunkt das Matrixmaterial zu injizieren, so kann beim Schließen des Formwerkzeuges das zwischen der zweiten Seite des Versteifungselementes und dem Fasermaterial des zweiten Werkzeugsegmentes liegende Vakuumabdeckung ggf. im Bauteil verbleiben, wenn nicht, wie später noch gezeigt, ein zweiteiliger Herstellungsprozess verwendet wird. So ist es denkbar, dass als Vakuumabdeckung eine thermoplastische Folie verwendet wird, die gleichzeitig eine Art Klebestelle zwischen dem Versteifungselement und dem Fasermaterial des zweiten Werkzeugsegmentes darstellt. Denkbar ist aber auch, dass über eine entsprechende Geometrie der zweiten Seite des Versteifungselementes sowie des Formwerkzeuges und somit des Fasermaterials des zweiten Werkzeugsegmentes eine formschlüssige Verbindung erzeugt wird, durch die das Versteifungselement im Hohlraum des Faserverbund-Hohlkörpers fixiert wird.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform wird in einem ersten Prozessschritt das Matrixmaterial in das Fasermaterial des ersten und des wenigstens zweiten Werkzeugsegmentes infundiert und anschließend ausgehärtet, wobei in das Fasermaterial des Gelenkabschnittes kein Matrixmaterial infundiert wird. Demzufolge verbleibt nach dem Aushärten des Matrixmaterials, welches in das Fasermaterial des ersten und zweiten Werkzeugsegmentes infundiert wurde, das Fasermaterial des Gelenkabschnittes unausgehärtet und trocken, so dass das Formwerkzeug nach dem Aushärten des Matrixmaterials in dem ersten und zweiten Werkzeugsegment noch schließbar ist. In dem ersten Prozessschritt können dabei auch Versteifungselemente auf dem Fasermaterial eines der Werkzeugsegmente angeordnet und mit einer Vakuumfolie entsprechend abgedeckt werden, so dass diese Versteifungselemente zusammen mit dem Aushärten des Matrixmaterials an dem jeweiligen Bauteilsegment fest angeordnet werden.
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Nach dem ersten Prozessschritt erfolgt dann ein zweiter Prozessschritt, bei dem das Matrixmaterial in das Fasermaterial des Gelenkabschnittes infundiert und anschließend ausgehärtet wird, wobei vor, während oder nach dem Infundieren des Matrixmaterials in das Fasermaterial des Gelenkabschnittes das Formwerkzeug von dem geöffneten Zustand in den geschlossenen Zustand überführt wird. Da dieser Bereich des Fasermaterials um den Gelenkabschnitt herum noch unausgehärtet ist, lässt sich das Formwerkzeug zu diesem Zeitpunkt noch schließen. Nachdem das Matrixmaterial in das Fasermaterial des Gelenkabschnittes vollständig infundiert ist, wird dieses Matrixmaterial sodann auch ggf. durch Temperaturbeaufschlagung ausgehärtet, so dass am Ende des zweiten Prozessschrittes ein voll ausgehärtetes Bauteil vorliegt, sofern noch nicht weitere Arbeits- und Prozessschritte an einem komplexen Bauteil durchgeführt werden müssen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist das Formwerkzeug ein Heizsystem auf, das je nach Werkzeugsegment unabhängig von den anderen aktiviert werden kann und so das Aushärten des Formwerkzeuges unterstützt. Dabei ist ebenfalls denkbar, dass pro Werkzeugsegment das Heizsystem so ausgebildet ist, dass es die formgebende Werkzeugoberfläche nur abschnittsweise bzw. bereichsweise temperiert.
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Dabei ist es denkbar, dass für den ersten Prozessschritt zunächst das gesamte Fasermaterial einschließlich eventueller Versteifungselemente mit einer Vakuumabdeckung abgedeckt wird, um so das Fasermaterial zu evakuieren und dann das Matrixmaterial zu infundieren. Dabei erfolgt die Infusion des Matrixmaterials im ersten Prozessschritt vorzugsweise derart, dass das Matrixmaterial von einem Randbereich in Richtung Gelenkabschnitt infundiert wird, wobei die Fließfront des Matrixmaterials überwacht und der Infusionsprozess rechtzeitig dann gestoppt wird, wenn genügend Fasermaterial des ersten oder zweiten Werkzeugsegmentes ausreichend infundiert ist. Nach dem Aushärten des in dem ersten Prozessschritt infundierten Matrixmaterials wird dann die Vakuumabdeckung entfernt und anschließend der noch verbleibende, noch nicht getränkt und ausgehärtete Rest mit einer zweiten Vakuumabdeckung im zweiten Prozessschritt abgedeckt, um das Matrixmaterial zu infundieren, das Formwerkzeug zu schließen und anschließend das in den Gelenkabschnitt infundierte Matrixmaterial auszuhärten.
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Hierbei besteht der Vorteil darin, dass nach dem Entfernen der Vakuumabdeckung im ersten Prozessschritt die Versteifungselemente beim Aushärten des Matrixmaterials im zweiten Prozessschritt nicht mehr mit einer Vakuumabdeckung abgedeckt sind, so dass diese ggf. an der gegenüberliegenden Bauteilhälfte bzw. gegenüberliegendem Bauteilsegment angeklebt werden können, um hier eine stoffschlüssige Verbindung herzustellen. Da im zweiten Prozessschritt ebenfalls ein Aushärten des Matrixmaterials durch Temperaturbeaufschlagung erfolgen soll, kann im zweiten Prozessschritt eine solche Klebverbindung der Versteifungselemente an der jeweils gegenüberliegenden Werkzeughälfte erfolgen.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe auch mit dem Formwerkzeug gemäß Anspruch 9 zur Herstellung eines Faserverbund-Hohlkörpers erfindungsgemäß gelöst, wobei das Formwerkzeug ein erstes Werkzeugsegment und wenigstens ein zweites Werkzeugsegment hat, die jeweils eine formgebende Werkzeugoberfläche aufweisen. Die Werkzeugsegmente sind dabei über ein Gelenk in einem thermalisolierten Gelenkabschnitt drehbar miteinander verbunden, so dass das Formwerkzeug von einem geöffneten Zustand in einen geschlossenen Zustand überführbar ist. Die formgebende Werkzeugoberfläche der Werkzeugsegmente weisen dabei eine gekrümmte Form derart auf, dass zwischen den Werkzeugsegmenten eine Kavität für den Hohlraum des herzustellenden Faserverbund-Hohlkörpers gebildet wird, wenn das Formwerkzeug von dem geöffneten Zustand in den geschlossenen Zustand überführt wird.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen des Formwerkzeuges befinden sich in den entsprechenden Unteransprüchen.
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So ist es in einer vorteilhaften Ausführungsform vorgesehen, dass das Gelenk im Gelenkabschnitt zwei oder mehr Drehachsen hat, zwischen denen jeweils ein Gelenkabschnittssegment mit einer formgebenden Werkzeugoberfläche ausgebildet ist.
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Wird das Fasermaterial im Gelenkabschnitt abgelegt, so legt es sich auch auf die formgebende Werkzeugoberfläche der Gelenkabschnittssegmente zwischen den Drehachsen, wodurch auch im Gelenkabschnitt eine formgebende Struktur definiert werden kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Formwerkzeug mindestens eine Angussöffnung hat, die mit einem Vorratsbehälter für Matrixmaterial verbindbar ist, wobei die Angussöffnung in einer oder mehreren Injektionsöffnungen innerhalb des Gelenkabschnittes mündet, die zum Kaskaden-Injektionsverfahren des in den Gelenkabschnitt eingebrachten Fasermaterials mit Matrixmaterial ausgebildet sind. Dadurch wird es möglich, separat zunächst nur das Fasermaterial der Werkzeugsegmente zu infundieren und/oder aushärten und nach dem Aushärten dann das Fasermaterial im Gelenkabschnitt mit Matrixmaterial zu infundieren. Dabei ist es auch denkbar, dass es zu jedem Werkzeugsegment mindestens eine Angussöffnung gibt, die mit dem Vorratsbehälter für Matrixmaterial verbunden ist, so dass das Fasermaterial in jedem Werkzeugsegment separat infiltriert werden kann.
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Die Erfindung wird anhand der beigefügten Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
- 1 - Schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Formwerkzeuges;
- 2 - Schematische Darstellung des Formwerkzeuges mit eingebrachtem Fasermaterial;
- 3 - Formwerkzeug mit Fasermaterial im geschlossen Zustand;
- 4 - geschlossenes Formwerkzeug mit Fasermaterial und Versteifungselement;
- 5 - Schematische Darstellung der Abstandhalter im Gelenkabschnitt;
- 6 - Schematische Darstellung des fertigen Bauteils.
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1 zeigt schematisch ein Formwerkzeug 10, welches auf der linken Seite ein erstes Werkzeugsegment 11 und auf der rechten Seite ein zweites Werkzeugsegment 12 hat. Das erste Werkzeugsegment 11 weist eine formgebende Werkzeugoberfläche 11a auf, während das zweite Werkzeugsegment 12 eine formgebende Werkzeugoberfläche 12a hat. Sowohl die formgebende Werkzeugoberfläche 11a des ersten Werkzeugsegmentes 11 als auch die formgebende Werkzeugoberfläche 12a des zweiten Werkzeugsegmentes 12 weisen dabei eine Krümmung auf, die dazu führt, dass im geschlossenen Zustand des Formwerkzeuges eine Kavität entsteht, die den späteren Hohlraum des herzustellenden Faserverbund-Hohlkörpers bildet.
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Zwischen dem ersten Werkzeugsegment 11 und dem zweiten Werkzeugsegment 12 befindet sich ein Gelenk 13, das dazu vorgesehen ist, das erste Werkzeugsegment 11 und das zweite Werkzeugsegment 12 drehbar miteinander zu verbinden.
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Das Gelenk 13 befindet sich dabei in einem Gelenkabschnitt 14, das im Ausführungsbeispiel der 1 insgesamt drei Drehachsen 15 hat, zwischen denen jeweils Gelenkabschnittssegmente 16 ausgebildet sind. Die Gelenkabschnittssegmente 16 bilden dabei jeweils wiederum eine formgebende Werkzeugoberfläche 16a, so dass in Kombination mit der formgebenden Werkzeugoberfläche 11a des ersten Werkzeugsegmentes und der formgebenden Werkzeugoberfläche 12a des zweiten Werkzeugsegmentes eine vollständige und durchgehende formgebende Werkzeugoberfläche gebildet wird. Die Gelenkabschnittssegmente bilden dabei das dritte Werkzeugsegment.
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Die Gelenkabschnittssegmente 16 werden dabei zwischen jeweils zwei Drehachsen 15 gebildet, wobei die Drehachsen 15 jeweils an den äußeren Bereichen der Gelenkabschnittssegmente 16 vorgesehen sind. So ist im Ausführungsbeispiel der 1 jedes Gelenkabschnittssegment 16 mit einer Drehachse 15 zum einen mit einem Werkzeugsegment und mit der anderen Drehachse 15 mit einem benachbarten Gelenkabschnittssegment drehbar verbunden, wodurch letztendlich die Fähigkeit entsteht, das Formwerkzeug mithilfe des Gelenkes 13 zu öffnen und zu schließen.
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In einem Randabschnitt 11b des ersten Werkzeugsegmentes 11 sowie einem Randabschnitt 12b des zweiten Werkzeugsegmentes 12 wird die formgebende Werkzeugoberfläche 11a begrenzt, wobei beim Schließen des Formwerkzeuges 10 der Randabschnitt 11b des ersten Werkzeugsegmentes 11 über dem Randabschnitt 12b des zweiten Werkzeugsegmentes 12 liegt, so dass ein Fasermaterial, das in den Randabschnitten 11b, 12b abgelegt wurde, beim Schließen des Formwerkzeuges einander kontaktiert wird.
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2 zeigt schematisch das aus 1 bekannte Formwerkzeug 10, wobei in 2 die formgebende Werkzeugoberfläche 11a, 12a, 16a durch Fasermaterial 100 abgedeckt ist. 2 zeigt dabei den Prozessschritt, nachdem das Fasermaterial 100 in das Formwerkzeug 10 eingebracht wurde. Wie zu erkennen ist, wurde das Fasermaterial sowohl auf der formgebenden Werkzeugoberfläche 11a des ersten Werkzeugsegmentes 11 als auch auf der formgebenden Werkzeugoberfläche 12a des zweiten Werkzeugsegmentes 12 abgelegt. Darüber hinaus würde das Fasermaterial ebenfalls auf die formgebende Werkzeugoberfläche 16a der Gelenkabschnittssegmente 16 abgelegt, so dass am Ende dieses Prozessschrittes das vollständige Bauteil im aufgeklappten bzw. geöffneten Zustand, jedoch mit seiner vorgegebenen Kontur vorliegt.
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Dabei wurde auch Fasermaterial in den Randabschnitten 11b, 12b abgelegt, wobei das Fasermaterial in den Randbereichen beim Schließen des Formwerkzeuges übereinanderliegt und sich direkt oder indirekt kontaktiert.
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Nachdem das Fasermaterial 100 in das Formwerkzeug 10 eingebracht wurde, wobei das Fasermaterial 100 dabei lagenweise aufgebracht werden kann, ist es denkbar, dass Versteifungselemente (nicht in 2 gezeigt) auf das Fasermaterial eines oder beider Werkzeugsegmente angeordnet werden, um so das Bauteil zu versteifen.
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Bei einem herkömmlichen RTM-Verfahren wird nun das Fasermaterial 100 mit einer Vakuumabdeckung abgedeckt und luftdicht verschlossen. Anschließend wird das Fasermaterial 100 unter der Vakuumabdeckung mithilfe einer Drucksenke evakuiert, um ein Feinvakuum einzustellen. Anschließend wird dann das Matrixmaterial in das evakuierte Fasermaterial 100 infundiert. Dieser Prozess des Evakuierens und/oder Injizierens kann dabei sowohl im offenen Zustand des Formwerkzeuges, wie in 2 gezeigt, als auch im geschlossen Zustand des Formwerkzeuges, wie dies in den 3 und 4 gezeigt ist, erfolgen.
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Durch Drehens eines der Werkzeugsegmente mithilfe des Gelenkes 13 lässt sich sodann das Formwerkzeug 10 schließen, wie dies in 3 gezeigt ist. Durch das Schließen des Formwerkzeuges entsteht im Inneren des Formwerkzeuges 10 eine Kavität 17, welche den Hohlraum des Faserverbund-Hohlkörpers bilden soll.
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Beim Schließen des Formwerkzeuges werden die beiden Randbereiche 11b, 12b der beiden Werkzeugsegmente übereinandergelegt, wobei das auf den Randbereichen 11b, 12b abgelegte Fasermaterial dann an dieser Stelle zusammengeführt wird. Hierdurch wird der gesamte Faserverbund-Hohlkörper schließlich geschlossen, so dass das gesamte Bauteil eine einheitliche, integrale Struktur ergibt. Eine eventuelle Vakuumfolie, die zwischen beiden Randbereichen 11b, 12b noch verbleibt, könnte beispielsweise aus einem Material besteht, das unter Hitzeeinwirkung aufschmilzt und eine Klebschicht bewirkt. Dies können beispielsweise thermoplastische Vakuumfolien sein.
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Denkbar ist aber auch, dass beim Schließen des Formwerkzeuges 10 die Randbereiche 11b, 12b bereits ausgehärtet und keine Vakuumfolie aufweisen, so dass hier durch Anbringen einer Klebschicht das gesamte Bauteil 4 geschlossen wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel wäre im Gelenkabschnitt 14 das Fasermaterial ungetränkt bzw. noch nicht ausgehärtet, so dass sich das Formwerkzeug noch schließen ließe. Anschließend kann dann in das Fasermaterial im Gelenkabschnitt 14 mithilfe der an dem Werkzeug 10 angeordneten Angussöffnungen 18 das Matrixmaterial injiziert und so das Fasermaterial im Gelenkabschnitt 14 infundiert werden. Bei diesem zweistufigen Prozess ist zwischen den Fasermaterialien im Randabschnitt 11b, 12b keine Vakuumfolie mehr notwendig.
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Wurde beispielsweise ein vorimprägniertes Fasermaterial verwendet, so ist es denkbar, dass in die Kavität 17 ein aufblasbarer Druckbalg eingeführt wird, der beim Schließen des Werkzeuges aufgeblasen wird, wodurch das Fasermaterial an die formgebende Werkzeugoberfläche des Formwerkzeuges angedrückt wird. Nach dem Aushärten des Matrixmaterials kann dann der Druckbalg evakuiert und aus der Kavität 17 entfernt werden. Bei dieser Ausführungsform bedarf es dabei keiner weiteren Vakuumfolie, so dass das Fasermaterial im Randbereich 11b, 12b im sogenannten Co-Bonding-Verfahren gemeinsam ausgehärtet werden kann.
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4 zeigt ein Ausführungsbeispiel basierend auf der 3, bei dem ein Versteifungselement 19 im Inneren des Werkzeuges in der Kavität 17 vorgesehen ist. Dieses Versteifungselement 19 wurde dabei im geöffneten Zustand des Formwerkzeuges auf eine der Werkzeugsegmente bzw. auf das Fasermaterial des jeweiligen Werkzeugsegmentes angeordnet. Dabei wurde das Versteifungselement 19 mit einer ersten Seite 19a auf das Fasermaterial des ersten Werkzeugsegmentes 11 angeordnet und liegt mit einer gegenüberliegenden zweiten Seite 19b an dem Fasermaterial des zweiten Werkzeugsegmentes 12 an, wenn das Formwerkzeug geschlossen ist. Somit wird eine höhere Stabilität des späteren Bauteils erzielt, insbesondere dann, wenn Kräfte in Richtung der Kavität 17 wirken.
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Bei einem zweistufigen Prozess wird dabei zunächst das Fasermaterial des ersten Werkzeugsegmentes 11 und des zweiten Werkzeugsegmentes 12 sowie ggf. das Fasermaterial des Versteifungselementes 19 ausgehärtet, sofern noch nicht geschehen, so dass das Versteifungselement 19 fest mit demjenigen Fasermaterial des Werkzeugsegmentes verbunden wird, auf dem es angeordnet wurde. Dieser Prozessschritt geschieht im geöffneten Zustand des Formwerkzeuges. Nach dem Schließen des Formwerkzeuges wird dabei zwischen der zweiten Seite 19b des Versteifungselementes 19 und dem Fasermaterial des zweiten Werkzeugsegmentes 12 eine Klebschicht angeordnet, die sodann zusammen mit dem Matrixmaterial im Gelenkabschnitt 14 ausgehärtet wird, so dass das Versteifungselement 19 eine durchgehende stoffschlüssige Verbindung mit den beiden Bauteilhälften hat.
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Wird hingegen nur ein einstufiger Prozess verwendet, so würde zwischen der zweiten Seite 19b des Versteifungselementes 19 und dem Fasermaterial des zweiten Werkzeugsegmentes 12 eine Vakuumfolie verbleiben, die ggf. je nach Material der Vakuumfolie dort verbleibt. Handelt es sich um eine Vakuumfolie, die nicht selbstständig aufschmilzt und eine Klebschicht bildet, so ist es denkbar, dass durch Ausgestaltung der zweiten Seite 19b des Versteifungselementes 19 und des Fasermaterials des zweiten Werkzeugsegmentes 12 eine zumindest formschlüssige Verbindung erreicht wird.
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5 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem zwischen verschiedenen Fasermaterialauflagen 101-104 des Fasermaterials 100 Abstandshalter angeordnet werden. 5 zeigt dabei einen ausgeschnittenen Bereich des Gelenkabschnittes 14. Dabei wird zunächst die unterste Fasermateriallage 101 auf die formgebende Werkzeugoberfläche im Gelenkabschnitt 14 aufgelegt und dann der Abstandshalter 20 darauf aufgelegt. Anschließend wird die nächste Faserlage 102 auf die bereits gelegte Faserlage 101 sowie dem Abstandshalter 20 gelegt. Die weiteren Fasermateriallagen 103 und 104 werden in korrespondierender Art und Weise jeweils abwechselnd gelegt. Im Ergebnis weist dieses Lagenpaket dann insgesamt vier Fasermateriallagen auf, zwischen denen insgesamt drei Abstandshalter vorgesehen sind.
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Vor dem Schließen des Formwerkzeuges werden diese Abstandshalter nun aus diesen Lagen herausgezogen, wodurch eine Kavität zwischen zwei übereinanderliegenden Faserlagen verbleibt. Diese Kavität wird beim Schließen des Formwerkzeuges aufgrund der unterschiedlichen Krümmungsradien dann als Ausweichplatz genommen, so dass überschüssiges Fasermaterial einer Fasermateriallage hier hinein ausweichen kann. Dies verhindert Deformationen beim Schließen des Formwerkzeuges im Gelenkabschnitt 14.
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6 zeigt schließlich ein fertig hergestelltes Bauteil 30 im Querschnitt, wobei das Bauteil 30 beispielsweise ein Rotorblatt sein kann. Das Bauteil 30, das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde, weist dabei eine integrale Bauweise auf und besteht nicht aus zwei einzelnen separat hergestellten Bauteilteilen.
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Das in 6 gezeigte Rotorblatt 30 weist dabei ein erstes Bauteilsegment 31 auf, dessen Form durch die formgebende Werkzeugoberfläche 11a des ersten Werkzeugsegmentes 11 gebildet wurde. Darüber hinaus weist das Rotorblatt 30 ein zweites Bauteilsegment 32 auf, das auf die formgebende Werkzeugoberfläche 12a des zweiten Werkzeugsegmentes 12 gebildet wurde. Beide Bauteilsegmente 31 und 32 sind integral mit der Vorderkante 33 verbunden, die durch die formgebende Werkzeugoberfläche 16 im Gelenkabschnitt 14 gebildet wurde. An der Hinterkante 34 sind dabei die beiden Bauteilsegmente 31 und 32 zusammengeführt und ggf. miteinander verklebt. Im Inneren des Rotorblattes 30 befindet sich dabei ein Versteifungselement 35, um entsprechende Kräfte, die in Richtung des Hohlraumes des Rotorblattes 30 wirken, aufzunehmen.
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Basierend auf dem Spring-In-Effekt, neigen dabei die beiden Bauteilsegmente 31 und 32 an der Hinterkante 34 dazu, eine Kraft in Richtung des jeweils anderen Bauteilsegmentes auszuüben, so dass im Bereich der Hinterkante 34 die beiden Enden der Bauteilsegmente 31 und 32 zusammengepresst werden. Hierdurch kann eine zusätzliche Stabilität und Festigkeit des gesamten Bauteils 30 bewirkt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10 -
- Formwerkzeug
- 11 -
- erstes Werkzeugsegment
- 11a -
- formgebende Werkzeugoberfläche des ersten Werkzeugsegmentes
- 11b -
- Randabschnitt des ersten Werkzeugsegmentes
- 12 -
- zweites Werkzeugsegment
- 12a -
- formgebende Werkzeugoberfläche des zweiten Werkzeugsegmentes
- 12b -
- Randabschnitt des zweiten Werkzeugsegmentes
- 13 -
- Gelenk
- 14 -
- Gelenkabschnitt
- 15 -
- Drehachsen des Gelenkes
- 16 -
- Gelenkabschnittssegmente
- 16a -
- formgebende Werkzeugoberfläche des Gelenkabschnittssegmentes
- 17 -
- Kavität des Bauteils
- 18 -
- Angussöffnung
- 19 -
- Versteifungselement
- 20 -
- Abstandshalter
- 30 -
- Bauteil
- 31 -
- erstes Bauteilsegment
- 32 -
- zweites Bauteilsegment
- 33 -
- Vorderkante des Bauteils
- 34 -
- Hinterkante des Bauteils
- 35 -
- Versteifungselement
- 100 -
- Fasermaterial
- 101-104
- Fasermateriallagen
