DE102018105765A1

DE102018105765A1 - Verfahren zum Herstellen eines Faserverbund-Hohlbauteils und Faserverbund-Hohlbauteil

Info

Publication number: DE102018105765A1
Application number: DE102018105765.2A
Authority: DE
Inventors: Martin Hillebrandt; Martin ZANDER; Sebastian Meyer; Christian Hühne
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2018-03-13
Filing date: 2018-03-13
Publication date: 2019-09-19
Also published as: US20190283339A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Faserverbund-Hohlbauteils aus einem Faserverbundwerkstoff, der wenigstens ein Fasermaterial und ein Matrixmaterial enthält, wobei das Faserverbund-Hohlbauteil aus wenigstens zwei Faserverbund-Halbschalen gebildet wird, die in einem Fügerandbereich der Faserverbund-Halbschalen miteinander verbunden werden, so dass zwischen den zusammengefügten Faserverbund-Halbschalen ein Hohlraum ausgebildet wird, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
- Bereitstellen einer aus dem Fasermaterial des Faserverbundwerkstoffes gebildeten ersten Faserverbund-Halbschale und wenigstens einer aus dem Fasermaterial des Faserverbundwerkstoffes gebildeten zweiten Faserverbund-Halbschale;
- Zusammensetzen der ersten Faserverbund-Halbschale und der wenigstens zweiten Faserverbund-Halbschale zu dem Faserverbund-Hohlbauteil,
- wobei im Fügerandbereich zwischen der ersten Faserverbund-Halbschale und der wenigstens zweiten Faserverbund-Halbschale wenigstens ein Abstandselement eingesetzt wird;
- Einbringen einer inneren Vakuumabdeckung in den durch das Zusammensetzen der Faserverbund-Halbschalen gebildeten Hohlraum und Einbringen der zusammengesetzten Faserverbund-Halbschalen in eine äußere Vakuumabdeckung, so dass zwischen der inneren Vakuumabdeckung und der äußeren Vakuumabdeckung ein Bauteilkavität mit dem Fasermaterial des herzustellenden Faserverbund-Hohlbauteils gebildet wird;
- Evakuieren der Bauteilkavität mit dem Fasermaterial und
- Aushärten des Matrixmaterials, welches das Fasermaterial der Faserverbund-Halbschalen einbettet, zur Herstellung des Faserverbund-Hohlbauteils.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Faserverbund-Hohlbauteils aus einem Faserverbundwerkstoff, der wenigstens ein Fasermaterial und ein Matrixmaterial enthält. Die Erfindung betrifft ebenso ein solches Faserverbund-Hohlbauteil.
Faserverbundwerkstoffe sind aus der modernen Luft- und Raumfahrt heutzutage nicht mehr wegzudenken. Aufgrund ihrer gewichtspezifischen Festigkeit und Steifigkeit eignen sich aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellte Faserverbundbauteile insbesondere für den Leichtbau, wobei auch systemkritische Strukturen aus Faserverbundwerkstoffen herstellbar sind.
Bei der Herstellung eines Faserverbundbauteils aus einem Faserverbundwerkstoff wird in der Regel ein das Fasermaterial einbettendes Matrixmaterial meist unter Temperaturbeaufschlagung ausgehärtet, sodass das Fasermaterial zusammen mit dem ausgehärteten Matrixmaterial eine integrale Einheit bildet. Die in dem Fasermaterial enthaltenden Verstärkungsfasern werden durch das ausgehärtete Matrixmaterial so in ihre vorgegebene Richtung gezwungen, um so die geplanten Kräfte entsprechend durch das Bauteil aufnehmen zu können.
Soll ein Faserverbundbauteil aus mehreren Teilelementen zusammengesetzt werden, so gibt es hierfür zwei wesentliche Vorgehensweisen. Zum einen können die beiden Teilelemente separat hergestellt werden, indem das Matrixmaterial der Teile entsprechend ausgehärtet wird. Anschließend werden die Teilelemente mit Hilfe eines Fügeverfahrens zusammengefügt, wobei im Bereich der Fügestellen die beiden Teilelemente mit Hilfe verschiedener Fügeverfahren miteinander verbunden werden müssen. Dies stellt entsprechende Anforderungen an das jeweils gewählte Fügeverfahren, wie beispielsweise das Kleben. Ein anderes Verfahren stellt das sogenannte Co-Curing-Verfahren dar, bei dem die Teilelemente in einem nicht ausgehärteten Zustand zusammengefügt und dann gemeinsam ausgehärtet werden. Dies hat den Vorteil, dass das Bauteil und die Fügestelle in einem gemeinsamen Prozessschritt hergestellt werden, wodurch die Fügestellen hinsichtlich des klebenden Fügeverfahrens qualitativ besonders hochwertig sind. Allerdings stellt das Co-Curing-Verfahren besondere Anforderungen an den Preform-Schritt zur Herstellung der einzelnen Teil-Preformen, sodass das jeweilige Herstellungsverfahren diesbezüglich vor dem Hintergrund der jeweils gestellten Randbedingungen an das Bauteil ausgewählt werden muss.
In der Raumfahrt werden nicht selten aufrollbare Masten aus dünnwandigen Faserverbundschalen in verschiedensten Missionen aufgrund ihrer Volumeneffizienz und Stauung und ihres geringen Verhältnisses von Masse zur entfalteter Länge eingesetzt. Die aufrollbaren Schalenmasten werden dabei in Masten mit offenem und geschlossenem Querschnitt unterteilt, wobei die Masten mit geschlossenem Querschnitt eine vorteilhaft höhere Torsionssteifigkeit liefern.
An die Fertigung von aufrollbaren Schalenmasten werden dabei sehr hohe Anforderungen hinsichtlich der Fertigungsgenauigkeit gestellt, was gerade für aufrollbare Schalenmasten mit geschlossenem Querschnitt gilt. In der Praxis werden aufrollbare Schalenmasten derzeit in mehreren Fertigungsschritten hergestellt. Zunächst werden zwei Halbschalen aus einem Faserverbundwerkstoff gefertigt, die in einem weiteren Fertigungsschritt zumeist durch Kleben an ihren äußeren Flügelrandbereichen zu einem geschlossenen Profil gefügt werden. Dieser Fügeprozess stellt eine besondere Herausforderung dar, da die beiden Halbschalen exakt zueinander ausgerichtet werden müssen und die Fügung sehr exakt ausgeführt werden muss, um die Aufrollbarkeit sowie die Maßhaltigkeit zu gewährleisten. Somit erhöht der Fügeprozess die Komplexität und Dauer der Fertigung und stellt ein Risiko bezüglich des Fertigungserfolges dar, indem die Festigkeit der Fügestelle durch lokale Fehlstellen herabgesetzt wird bzw. durch ungenaue Schalenpositionierung die Aufrollbarkeit nicht mehr gegeben ist. Insbesondere im Fall von Faserverbundwerkstoffen als Mastmaterial werden die Schalen durch einen Klebstoff gefügt, dessen gleichmäßige Verarbeitung in Bezug auf eine homogene Schichtdicke und Kontaktfläche durch das manuelle Auftragen gefährdet ist. Darüber hinaus sind die Klebstoffe aufgrund der hohen Anforderungen an den Temperatureinsatzbereich, die Bruchdehnung und die Scherfestigkeit sowie das Ausgasverhalten häufig imitierend.
Aus Hillebrandt, M.; Meyer, S.; Zander, M.; Straubel, M.; Hühne, C.: „The boom design of the de-orbit sails satellite“ in: European Conference of Space Script structures, materials and mechanical testing, 01.-04.04.2014, Braunschweig, Deutschland sind aufrollbare Schalenmasten aus einem Faserverbundwerkstoff bekannt, wobei in diesem Forschungspaper vorgeschlagen wird, derartige aufrollbare Schalenmasten für Satellitenanwendungen in einem Co-Curing-Verfahren herzustellen. Dabei wird das Aushärten der einzelnen Halbschalen sowie das Fügen in einem gemeinsamen Prozessschritt durchgeführt.
Es hat sich allerdings gezeigt, dass bei der Integralfertigung von Schalenmasten aus Doppel-Omega-förmigen Faserverbund-Halbschalen ein zentrales Problem darin besteht, dass die an den Flanschen zusammenlaufenden Radien keine klare Abgrenzung der Fügestelle ermöglichen, da die Radien tangential aufeinander zulaufen. Bei der Fügung der Halbschalen durch Klebstoffe sowie bei einer konventionellen Integralfertigung besteht dabei das Problem, dass Klebstoff- oder Harzansammlungen in diesem tangential zulaufenden Bereich (Zwickelbereich) entstehen können. Für das Aufrollen der Masten müssen diese jedoch zu einem flachen Band zusammengedrückt werden, wobei Harzansammlungen bei diesem Prozess zu lokalen Schädigungen der Halbschalen führen würden.
Aus der DE 10 2012 109 737 A1 ist es bekannt, mit Hilfe eines Elastomerzwickels derartige Zwickelhohlräume durch ein elastomeres Material zu besetzen, um so Harzansammlungen in diesem Bereichen zu vermeiden. Allerdings eignet sich ein solcher Elastomerzwickel für aufrollbare Schalmasten allein schon aus dem Grunde nicht, da dann das Aufrollen und Zusammendrücken zu einem flachen Band ohne Beschädigung nicht mehr möglich wäre.
Aus der DE 10 2016 100 335 B3 ist des Weiteren ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines Faserzwickels sowie Verfahren und Anlage zur Herstellung eines solchen Faserzwickels bekannt, wobei ein derartiger Faserzwickel ebenfalls Hohlstellen in einem beschriebenen Zwickelbereich ersetzen soll. Allerdings würde dies prinzipiell dazu führen, dass ein solcher Zwickelbereich eine zu hohe Steifigkeit erhält, da das Matrixmaterial auch in diesem durch den Faserzwickel besetzten Bereich einpflegt und somit mit dem Faserzwickel eine integrale Einheit bildet. Auch dies würde letztlich die Aufrollbarkeit und das Zusammendrücken zu einem flachen Band deutlich erschweren oder zu lokalen Schäden im flachgedrückten Zwickelbereich führen.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines solchen aufrollbaren Schalenmastes aus einem Faserverbundwerkstoff anzugeben, bei dem das Problem von Harzansammlungen im Bereich der zulaufenden Halbschalen vermieden oder gänzlich eliminiert werden kann.
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Anspruch 1 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens finden sich in den entsprechenden Unteransprüchen.
Gemäß Anspruch 1 wird ein Verfahren zum Herstellen eines Faserverbund-Hohlbauteils aus einem Faserverbundwerkstoff vorgeschlagen, wobei der Faserverbundwerkstoff wenigstens ein Fasermaterial und ein Matrixmaterial enthält. Der Faserverbundwerkstoff weist somit zwei wesentliche Bestandteile auf, nämlich zum einen das Fasermaterial und zum anderen das Matrixmaterial. Je nach Anforderungsprofil für das Faserverbund-Hohlbauteil kann es auch erforderlich sein, dass der Faserverbundwerkstoff unterschiedliche Fasermaterialien aufweist, die an verschiedenen Stellen bzw. Positionen des Bauteils vorgesehen sind. Demzufolge ist weder der Begriff Fasermaterial noch Matrixmaterial hinsichtlich der Konkretisierung einschränkend.
Das Faserverbund-Hohlbauteil wird dabei gattungsgemäß aus wenigstens zwei Faserverbund-Halbschalen gebildet, die in einem Fügerandbereich der Faserverbund-Halbschalen miteinander verbunden werden, sodass zwischen den zusammengefügten Faserverbund-Halbschalen ein Hohlraum ausgebildet wird. Derartige Faserverbund-Hohlbauteile eignen sich zur Verwendung als Schalenmasten, insbesondere dünnwandige Schalenmasten und insbesondere als aufrollbare Schalenmasten.
Dabei werden zunächst die aus einem Fasermaterial des Faserverbundwerkstoffes gebildeten Faserverbund-Halbschalen bereitgestellt, wobei konkret eine erste Faserverbund-Halbschale, die aus dem Fasermaterial des Faserverbundwerkstoffes gebildet wurde und wenigstens eine zweite Faserverbund-Halbschale, die ebenfalls aus einem Fasermaterial des Faserverbundwerkstoffes gebildet wurde, bereitgestellt werden. Es ist denkbar und von dem Verfahren mit umfasst, dass mehrere Halbschalen für das gesamte Bauteil zur Verfügung gestellt werden, beispielsweise dann, wenn es sich um ein längliches Faserverbund-Hohlbauteil handelt, das aus mehrere Teilsegmenten zusammengesetzt wird.
Die bereitgestellten Faserverbund-Halbschalen werden dabei so bereitgestellt, dass sie noch nicht ausgehärtet sind. Mit anderen Worten, das Fasermaterial der Faserverbund-Halbschalen ist entweder noch nicht mit einem Matrixmaterial getränkt (trockene Faserhalbzeuge) oder bereits mit einem Matrixmaterial vorimprägniert (Prepregs), wobei das Matrixmaterial der vorimprägnierten Prepregs eben noch nicht (vollständig) ausgehärtet bzw. vernetzt ist. Mit anderen Worten, bei den bereitgestellten Faserverbund-Halbschalen aus dem Fasermaterial des Faserverbundwerkstoffes handelt es sich um Preformen, bei denen später noch das das Fasermaterial einbettende Matrixmaterial in einem Aushärteprozessschritt ausgehärtet werden muss. Gleichwohl ist es denkbar, dass die Preformen mit Hilfe eines applizierten Binders eine gewisse Formfestigkeit aufweisen, damit die in Form gebrachten Faserverbund-Halbschalen auch entsprechend konstruktiv weiterverarbeitet werden können. Dies spricht jedoch grundsätzlich dem vorgeschlagenen Co-Curing-Verfahren nicht seine gattungsgemäße Grundlage für das erfindungsgemäße Verfahren ab.
Im nächsten Schritt werden nun die beiden Faserverbund-Halbschalen zu einem Faserverbund-Hohlbauteil zusammengesetzt, wobei hierfür die beiden Halbschalen über ihre Fügerandbereiche miteinander gefügt werden. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass im Fügerandbereich zwischen der ersten Faserverbund-Halbschale und der wenigstens zweiten Faserverbund-Halbschale wenigstens ein Abstandselement eingesetzt wird, sodass die Halbschalen einen definierten Abstand voneinander aufweisen. Ein solches Abstandselement kann dabei vorzugsweise aus dem gleichen Fasermaterial bestehen, wie das Fasermaterial der Halbschalen. Denkbar ist aber auch, dass hierfür ein anderes Material verwendet wird. So sind als Abstandselemente auch Klebefilme mit einer definierten Dicke oder pastöse Klebstoffe mit Partikeln denkbar. Entscheidend ist, dass mit Hilfe der Abstandselemente eine definierte Stärke der Fügestellen erreicht wird.
Das Abstandselement, das in den Fügerandbereichen zwischen den Halbschalen eingesetzt ist, wird somit Bestandteil der Fügestelle, indem die beiden Halbschalen miteinander verbunden werden, wobei mit Hilfe des Abstandselementes die Halbschalen nicht direkt miteinander verbunden sind, sondern jeweils über das dazwischen gelegte Abstandselement. So ist die erste Faserverbund-Halbschale mit einer ersten Seite des Abstandselementes prozesstechnisch gefügt, während die zweite Faserverbund-Halbschale mit der gegenüberliegenden zweiten Seite des jeweiligen Abstandselementes gefügt ist.
Des Weiteren wird eine innere Vakuumabdeckung in den durch das Zusammensetzen der Faserverbund-Halbschalen gebildeten Hohlraumes eingebracht, wobei die zusammengesetzten Faserverbund-Halbschalen wiederum in eine äußere Vakuumabdeckung eingebracht werden, sodass zwischen der inneren Vakuumabdeckung und der äußeren Vakuumabdeckung eine Bauteilkavität mit dem Fasermaterial des herzustellenden Faserverbund-Hohlbauteiles gebildet wird. Diese innere Bauteilkavität wird dabei mit Hilfe der äußeren und inneren Vakuumabdeckung vakuumdicht abgedichtet bzw. versiegelt, sodass diese Bauteilkavität mit Hilfe einer Vakuumpumpe evakuiert werden kann. Das Einbringen der inneren Vakuumabdeckung kann dabei entweder nach dem Zusammensetzen der beiden Halbschalen eingebracht werden, indem die innere Vakuumabdeckung in den durch das Zusammensetzen der Halbschalen gebildeten Hohlraumes eingebracht wird. Es ist aber auch denkbar, dass die innere Vakuumabdeckung, beispielsweise in Form eines Vakuumsackes oder eines Vakuumschlauches, zunächst in eine der Halbschalen eingelegt und anschließend dann das Bauteil zusammengesetzt wird, sodass das Zusammensetzen der Halbschalen und das Einbringen der inneren Vakuumabdeckung mehr oder weniger in einem Prozessschritt erfolgt.
Nachdem die innere Vakuumabdeckung und die äußere Vakuumabdeckung entsprechend die gebildete Bauteilkavität mit dem Fasermaterial entsprechend abdichtet, wird die Bauteilkavität mit dem Fasermaterial mittels einer Vakuumpumpe evakuiert. Optional kann sich nun, je nach verwendeten Halbzeugen, ein Infusionsprozess anschließen, bei dem in das evakuierte Fasermaterial ein Matrixmaterial infundiert wird, um so das Fasermaterial des Bauteils entsprechend mit dem Matrixmaterial zu tränken. Werden hingegen vorimprägnierte Faserhalbzeuge, d.h. Prepregs, verwendet, so ist es denkbar, dass dieser Infusionsschritt entfällt.
Schließlich wird das das Fasermaterial einbettende Matrixmaterial in der Bauteilkavität ausgehärtet, beispielsweise durch eine entsprechende Temperaturbeaufschlagung und Temperierung des entsprechenden Aufbaus.
Durch das Verwenden der Abstandselemente in den Fügerandbereichen der Halbschalen kann erreicht werden, dass der sich in dem Hohlraum ausbildende Zwickel in diesem Bereich aufgebrochen wird, wodurch die innere Vakuumabdeckung vollständig an der Innenwandung des herzustellenden Faserverbund-Hohlbauteils anliegt. Bei der Herstellung des Hohlbauteils kann somit in diesem Zwickelbereich entsprechende Harzansammlungen oder Harzrückstände vermieden werden, die später beispielsweise ein Aufrollen und Zusammendrücken des Bauteils erschweren oder nahezu unmöglich machen.
Es hat sich dabei gezeigt, dass dieses Vorgehen ganz besonders vorteilhaft ist bei Doppel-Omega-förmigen Bauteilen, die aus jeweils zwei Omega-förmigen Halbschalen gebildet werden. An den Fügestellen verlaufen dabei die Radien nicht mehr tangential aufeinander zu, sondern werden durch das Abstandselement unterbrochen, das sowohl einen definierten Abstand der Halbschalen zueinander einerseits erzeugt als auch Teil der Innenwandung des Hohlbauteils bildet. Hierdurch kann sich die innere Vakuumabdeckung gleichmäßig an die Innenwandung des Hohlbauteils anschmiegen, ohne das hierbei Lücken entstehen oder entsprechende Zwickelbereiche, wie sie aus dem Stand der Technik bei derartigen Bauteilen bekannt sind, ausbilden.
Die Erfinder haben dabei erkannt, dass durch das Einsetzen der Abstandselemente das Problem mit den Harzansammlungen bei Hohlbauteilen und entsprechend verwendeten inneren Vakuumabdeckungen gelöst werden kann, ohne das die mechanischen Eigenschaften des Bauteils hierdurch beeinträchtigt werden. Die Erfinder haben insbesondere erkannt, dass trotz der verwendeten Abstandselemente nach wie vor ein Zusammendrücken des fertigen Hohlbauteils möglich und ein Aufrollen des zusammengedrückten Hohlbauteils nach wie vor durchgeführt werden kann. Daher eignen sich derartige Faserverbund-Hohlbauteile insbesondere als aufrollbare Schalenmasten, die beispielsweise bei Satelliten oder anderen raumfahrtbezogenen Objekten verwendet werden und einen entsprechenden Beitrag für den Leichtbau liefern.
Wie bereits angesprochen, ist es besonders vorteilhaft, wenn mit Hilfe des Verfahrens ein Doppel-Omega-förmiges Hohlbauteil hergestellt wird, das aus zwei Omega-förmigen Halbschalen gebildet wird. Eine solche Omega-förmige Halbschale weist dabei einen konvex gekrümmten Hauptschalenbereich auf, an denen sich jeweils an zwei gegenüberliegenden Seiten über konkav-gekrümmte Übergangsbereiche die Fügerandbereiche anschließen. Die Begriffe konvex und konkav beziehen sich hierbei auf die Bauteilaußenseite. Beim Zusammensetzen dieser so geformten Halbschalen laufen dabei die konkav gekrümmten Übergangsbereiche aufeinander zu, wodurch sich im Normalfall irgendein unerwünschter Zwickelbereich ergeben würde. Durch das Einsetzen der Abstandselemente kann hier dieses aufeinander zulaufen innerhalb der Übergangsbereiche unterbrochen werden, wodurch die unerwünschten Zwickelbereiche vermieden werden können.
Wie bereits angesprochen, ist es vorteilhaft, wenn das Abstandselement aus einem Fasermaterial eines Faserverbundwerkstoffes gebildet wird. Vorteilhafterweise wird das Abstandselement aus dem Fasermaterial gebildet, aus dem auch die Halbschalen gebildet sind. Denkbar ist aber auch, dass hier ein anderes Material verwendet wird, was für die Fügestelle und die entsprechenden Vorgaben geeignet ist.
Sowohl das Bauteil selber als auch die Fügestelle werden dabei in einem gemeinsamen Prozessschritt ausgehärtet, sodass sich integrales Bauteil ergibt. Integral meint hierbei, dass es keine nachträglichen Fügungen der Halbschalen gibt, sondern die Fügestelle durch Verkleben gemeinsam mit dem Aushärten des Bauteils erstellt wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird wenigstens eines der Faserverbund-Halbschalen durch Einbringen des Fasermaterials in ein Formwerkzeug bereitgestellt. Hierbei ist es denkbar, dass das undrapierte Fasermaterial in das Formwerkzeug eingelegt und somit in die entsprechende Form der jeweiligen Halbschale gebracht wird, sodass sich durch die formgebende Werkzeugoberfläche des Formwerkzeuges die entsprechende spätere Halbschalengeometrie ergibt. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist es weiterhin denkbar, dass beide Halbschalen durch Einbringen des Fasermaterials in ein Formwerkzeug bereitgestellt werden, wobei die erste Faserverbund-Halbschale in einer ersten Formwerkzeughälfte des Formwerkzeuges und die zweite Faserverbund-Halbschale durch Einbringen des Fasermaterials in eine zweite Formwerkzeughälfte des Formwerkzeuges bereitgestellt werden. Anschließend werden die Abstandselemente im Fügebereich auf das Fasermaterial der ersten Faserverbund-Halbschale und/oder der zweiten Faserverbund-Halbschale aufgelegt, sodass anschließend durch das Schließen der beiden Formwerkzeughälften dann im Fügebereich zwischen den beiden Halbschalen das Abstandselement eingesetzt ist.
Die innere Vakuumabdeckung kann hierbei entweder vor dem Zusammensetzen der beide Werkzeughälften in eine der Kavitäten der Halbschalen eingelegt werden, wobei dann anschließend die Werkzeughälften zusammengesetzt und dabei schlussendlich die innere Vakuumabdeckung in den Hohlraum des Bauteils eingebracht wird. Durch das Zusammensetzen der Werkzeughälften werden dabei die beiden Halbschalen im Bereich der Fügestellen bzw. Fügerandbereiche entsprechend zusam mengefügt.
Denkbar ist aber auch, dass die Formwerkzeughälften zunächst zusammengesetzt werden, wodurch die beiden Halbschalen in ihren Fügerandbereichen miteinander verbunden werden (zumindest kontaktieren sie sich über die Abstandselemente einander) wobei anschließend dann die innere Vakuumabdeckung in den Hohlraum, der sich durch das Zusammensetzen der Formwerkzeughälften bildet, eingesetzt wird. Hierfür ist es erforderlich, dass wenigstens eine Seite des Formwerkzeuges derart eine Öffnung aufweist, dass hierfür die innere Vakuumabdeckung eingesetzt werden kann.
Für das gesamte erfindungsgemäße Verfahren ist es darüber hinaus erforderlich, dass das herzustellende Faserverbund-Hohlbauteil an wenigstens einer Seite eine Öffnung aufweist, aus der dann die innere Vakuumabdeckung aus dem Hohlraum so herausgeführt werden kann, dass die zusammen mit der äußeren Vakuumabdeckung gebildete Bauteilkavität entsprechend abgedichtet und evakuierbar ist.
In einer vorteilhaften Ausführungsform hierzu wird die innere Vakuumabdeckung gegenüber dem Formwerkzeug vakuumabgedichtet, wobei die äußere Vakuumabdeckung durch das geschlossene Formwerkzeug gebildet wird. Die äußere Vakuumabdeckung ist somit das geschlossene Formwerkzeug, wobei die innere Vakuumabdeckung dabei gegenüber dem Formwerkzeug abgedichtet wird, sodass die Bauteilkavität zwischen Formwerkzeug und innerer Vakuumabdeckung vakuumdicht verschlossen ist und somit mit Hilfe der Vakuumpumpe evakuiert werden kann.
In einer alternativen Ausführungsform hierzu wird das geschlossene Formwerkzeug in die äußere Vakuumabdeckung eingebracht und zusammen mit der inneren Vakuumabdeckung vakuumdicht derart abgedichtet, dass zwischen der inneren Vakuumabdeckung und der äußeren Vakuumabdeckung die geschlossen Bauteilkavität gebildet wird. Hierbei ist die äußere Vakuumabdeckung beispielsweise eine sack- oder schlauchförmige Vakuumabdeckung, die in das Formwerkzeug hineingefahren werden kann. Die aus dem Formwerkzeug herausgeführte innere Vakuumabdeckung wird dann mit der äußeren Vakuumabdeckung so abgedichtet, dass zwischen innerer und äußerer Vakuumabdeckung dann die Bauteilkavität gebildet wird. Dabei ist das Formwerkzeug in dieser Ausführungsform mit Bestandteil der Bauteilkavität und verbleibt in dieser und wird auch beim Evakuieren der Bauteilkavität entsprechend insoweit mitevakuiert.
Die innere Vakuumabdeckung grenzt dabei die mithilfe der äußeren Vakuumabdeckung gebildete Bauteilkavität zu einem Außenbereich ab, sodass die Bauteilkavität entsprechend evakuierbar ist. Dabei ist es vorteilhaft, wenn der Außenbereich mit einem Überdruck bezüglich eines Umgebungsdruckes beaufschlagt wird, wodurch die insbesondere innere Vakuumabdeckung noch stärker an das in der Bauteilkavität eingebrachte Fasermaterial angepresst wird. Aufgrund der Tatsache, dass die innere Vakuumabdeckung im Inneren des herzustellenden Bauteils angeordnet ist, ist es darüber hinaus denkbar und auch vorteilhaft, wenn die innere Vakuumabdeckung in einem Endbereich verschlossen wird, sodass ein Hohlraum gebildet wird, der zuvor Teil des Außenbereiches war. Die innere Vakuumabdeckung ist somit zwischen diesem Hohlraum und der Bauteilkavität vorgesehen. Es kann nun dieser Hohlraum mit einem Überdruck beaufschlagt werden, um so die innere Vakuumabdeckung noch stärker an das in die Bauteilkavität eingebrachte Fasermaterial zu pressen, ohne dabei den gesamten Außenbereich vollständig mit einem Überdruck zu beaufschlagen. In dieser Ausgestaltung kann auf das Einbringen des gesamten Bauteils in einen Autoklaven verzichtet werden.
Die Aufgabe wird im Übrigen auch mit dem Faserverbund-Hohlbauteil gemäß Anspruch 10 erfindungsgemäß gelöst, wobei ein solches Faserverbund-Hohlbauteil hergestellt wird durch das zuvor beschriebene Verfahren. Ein solches Faserverbund-Hohlbauteil kann dabei ein Schalenmast sein, der insbesondere aufrollbar ist.
Es ist dabei auch ein Aspekt der Erfindung, dass ein derartig hergestelltes Faserverbund-Hohlbauteil, das insbesondere länglich und mastförmig ist, als aufrollbarer Mast verwendet wird.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Figuren beispielhaft erläutert. Es zeigen:

1 - schematische Querschnittsdarstellung eines aufrollbaren Schalenmastes;
2 - schematische Querschnittsdarstellung bei der Herstellung eines solchen Schalenmastes mit Hilfe eines Formwerkzeuges.

1 zeigt schematisch den Schalenmast 10, der aus einem Faserverbundwerkstoff mit Fasermaterial und Matrixmaterial hergestellt ist. Der Schalenmast 10 wird dabei aus einer ersten Faserverbund-Halbschale 11 und aus einer zweiten Faserverbund-Halbschale 12 hergestellt. Die beiden Halbschalen werden dabei zusammengefügt und dabei in einem einzigen Prozessschritt, der das Aushärten des Matrixmaterials der Halbschalen 11 und 12 als auch der Fügestelle beinhaltet, hergestellt.
Die Faserverbund-Halbschalen 11 und 12 weisen in ihren Randbereichen jeweils Fügerandbereiche 13 auf, in denen die erste Faserverbund- Halbschale 11 mit der zweiten Faserverbund-Halbschale 12 zusammengefügt ist. Hierfür befindet sich in dem Fügerandbereich 13 zwischen der ersten Faserverbund-Halbschale 11 und der zweiten Faserverbund-Halbschale 12 jeweils ein Abstandselement 14, wodurch die erste Halbschale 11 von der zweiten Halbschale 12 definiert in einem vorgegebenen Abstand wird.
Die Halbschalen 11 und 12 weisen jeweils einen konvex gekrümmten Hauptschalenbereich 15 auf, an den sich zu beiden Seiten des Querschnitts jeweils ein konkav gekrümmter Übergangsbereich 16 anschließt, der dann schließlich in dem Fügebereich 13 mündet. Durch das Abstandselement 14 wird dabei verhindert, dass die Übergangsbereiche 16 der ersten Halbschale 11 und der Übergangsbereich 16 der zweiten Halbschale 12 im gemeinsamen Fügebereich 13 zulaufen und somit ein spitzer Zwickelbereich gebildet wird, der Harzansammlungen begünstigt. Durch das Abstandselement 14 wird vielmehr dieses tangentiale Zulaufen der Übergangsbereiche 16 unterbrochen, wodurch entsprechende Zwickelbereiche vermieden werden.
2 zeigt die Herstellung einer solchen aus 1 bekannten Schalenmast 10 mit Hilfe eines Formwerkzeuges 20. Das Formwerkzeug 20 weist dabei eine erste Formwerkzeughälfte 21 und eine zweite Formwerkzeughälfte 22 auf, die jeweils eine entsprechende formgebende Werkzeugoberfläche derart haben, dass mit Hilfe jeder Formwerkzeughälfte 21 und 22 sich eine entsprechende Halbschale 11 und 12 herstellen lässt.
Das Formwerkzeug 20 ist dabei so ausgebildet, dass es von einem geöffneten Zustand in einen geschlossenen Zustand überführbar ist, wobei zunächst im geöffneten Zustand Fasermaterial in die geöffneten Formwerkzeughälften 21 und 22 eingebracht wird. Durch dieses Einbringen der Fasermaterialien wird dabei die jeweilige Halbschale 11 und 12 gebildet.
Anschließend wird auf die erste und/oder die zweite Halbschale das Abstandselement 14 aufgelegt, sodass sodann die Formwerkzeughälften 21 und 22 geschlossen werden können. Beim Schließen der Formwerkzeughälften kontaktieren die Halbschalen 11 und 12 in den jeweiligen Formwerkzeughälften im Fügebereich aneinander, und zwar über das dort eingebrachte Abstandselement 14.
Vor dem Schließen oder nach dem Schließen wird dabei eine innere Vakuumabdeckung 23 in dem gebildeten Hohlraum 17 des Schalenmastes 10 eingebracht, sodass die innere Wandung des Hohlraumes 17 durch eine solche innere Vakuumabdeckung 23 abgedeckt wird. Das gesamte Formwerkzeug 20 mit seinen geschlossenen Formwerkzeughälften 21 und 22 wird sodann in eine äußere Vakuumabdeckung 24 eingebracht, wobei die innere Vakuumabdeckung 23 und die äußere Vakuumabdeckung 24 dann so miteinander abgedichtet werden, dass eine Vakuumdichte Bauteilkavität 25 zwischen der inneren Vakuumabdeckung 23 und der äußeren Vakuumabdeckung 24 entsteht.
Durch das Evakuieren der Bauteilkavität 25 wird aufgrund des äußeren Umgebungsdruckes, beispielsweise Atmosphärendruck P_a , oder eines Überdruckes das Formwerkzeug und seine Formwerkzeughälften 21 und 22 zusammengedrückt, während die Halbschalen 11 und 12 von innen an die formgebende Werkzeugoberfläche der jeweiligen Formwerkzeughälften gedrückt wird. Dies ist durch die entsprechenden Pfeile gekennzeichnet.
Wie in der Vergrößerung des Zwickelbereiches ersichtlich, schmiegt sich dabei die innere Vakuumabdeckung nicht nur an die erste Halbschale 11 und an die zweite Halbschale 12 von innen heran, sondern auch an die Stirnseite des Abstandselementes 14, sodass in diesem Bereich eine Zwickelbildung vermieden wird. Es können somit in diesen Bereichen keine Harzansammlungen entstehen, wenn ein Matrixmaterial in das trockene Fasermaterial infundiert wird oder es können an dieser Stelle auch keine Harze bzw. Matrixmaterialien austreten, wenn das Bauteil evakuiert wird. Damit entsteht letztlich ein Schalenmast mit definierten Abständen und der Vermeidung von Harzansammlungen in derartigen kleinen Mikrohohlräumen.
Durch die inneren Vakuumabdeckung 23 und die äußere Vakuumabdeckung 24 wird die Bauteilkavität 25 von einem Außenbereich 26 abgegrenzt, sodass die Bauteilkavität 25 evakuierbar ist. Dabei kann auch der durch die innere Vakuumabdeckung 23 gebildete Innen-Hohlraum 27 Bestandteil des Außenbereiches 26 sein.
Im Ausführungsbeispiel der 2 wird hingegen dieser Innen-Hohlraum der inneren Vakuumabdeckung 23 so verschlossen, dass er mit einem zusätzlichen Druck beaufschlagbar ist. Dieser Druck ist als P'_a gekennzeichnet und ist größer als der Druck P_a . Hierdurch kann erreicht werden, dass die innere Vakuumabdeckung 23 an das in die Bauteilkavität 25 eingebrachte Fasermaterial der Halbschalen 11 und 12 entsprechend stärker angepresst wird, als unter normalem Atmosphärendruck.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich somit zur Herstellung von Doppel-Omega-förmigen Schalenmasten, die insbesondere aufrollbar seien sollen. Damit eignet sich damit hergestellte Schalenmasten insbesondere für entfaltbare Weltraumstrukturen, unter anderem Solar-Sails, entfaltbare Photovoltaik-Anwendungen, Antennen, Instrumentenmasten, Deorbiting-Segel usw.
Bezugszeichenliste

10 -: Schalenmast
11 -: erste Faserverbund-Halbschale
12 -: zweite Faserverbund-Halbschale
13 -: Fügebereich
14 -: Abstandselement
15 -: konvex gekrümmter Hauptschalenbereich
16 -: konkav gekrümmter Übergangsbereich
17 -: Hohlraum
20 -: Formwerkzeug
21 -: erste Formwerkzeughälfte
22 -: zweite Formwerkzeughälfte
23 -: innere Vakuumabdeckung
24 -: äußere Vakuumabdeckung
25 -: Bauteilkavität
26 -: Außenbereich
27 -: Innen-Hohlraum der inneren Vakkumabdeckung
P_a -: Atmosphärendruck
P'_a -: Überdruck

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012109737 A1 [0009]
DE 102016100335 B3 [0010]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Faserverbund-Hohlbauteils (10) aus einem Faserverbundwerkstoff, der wenigstens ein Fasermaterial und ein Matrixmaterial enthält, wobei das Faserverbund-Hohlbauteil (10) aus wenigstens zwei Faserverbund-Halbschalen (11, 12) gebildet wird, die in einem Fügerandbereich (13) der Faserverbund-Halbschalen (11, 12) miteinander verbunden werden, so dass zwischen den zusammengefügten Faserverbund-Halbschalen ein Hohlraum (17) ausgebildet wird, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: - Bereitstellen einer aus dem Fasermaterial des Faserverbundwerkstoffes gebildeten ersten Faserverbund-Halbschale (11) und wenigstens einer aus dem Fasermaterial des Faserverbundwerkstoffes gebildeten zweiten Faserverbund-Halbschale (12); - Zusammensetzen der ersten Faserverbund-Halbschale (11) und der wenigstens zweiten Faserverbund-Halbschale (12) zu dem Faserverbund-Hohlbauteil (10), - wobei im Fügerandbereich (13) zwischen der ersten Faserverbund-Halbschale (11) und der wenigstens zweiten Faserverbund-Halbschale (12) wenigstens ein Abstandselement (14) eingesetzt wird; - Einbringen einer inneren Vakuumabdeckung (23) in den durch das Zusammensetzen der Faserverbund-Halbschalen (11, 12) gebildeten Hohlraum (17) und Einbringen der zusammengesetzten Faserverbund-Halbschalen (11, 12) in eine äußere Vakuumabdeckung (24), so dass zwischen der inneren Vakuumabdeckung (23) und der äußeren Vakuumabdeckung (24) ein Bauteilkavität (25) mit dem Fasermaterial des herzustellenden Faserverbund-Hohlbauteils gebildet wird; - Evakuieren der Bauteilkavität (25) mit dem Fasermaterial und - Aushärten des Matrixmaterials, welches das Fasermaterial der Faserverbund-Halbschalen (11, 12) (14) einbettet, zur Herstellung des Faserverbund-Hohlbauteils (10).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass derart bereitgestellt werden, dass die Faserverbund-Halbschalen einen konvex gekrümmten Hauptschalenbereich (15) haben, an denen sich jeweils an zwei gegenüberliegenden Seiten über konkav gekrümmten Übergangsbereich (16) die Fügerandbereiche anschließen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass aus einem Fasermaterial eines Faserverbundwerkstoffes das oder die Abstandselemente (14) gebildet werden und die so gebildeten Abstandselemente (14) im Fügerandbereich eingesetzt werden, wobei das das Fasermaterial der Faserverbund-Halbschalen (11, 12) und das Fasermaterial des Abstandselementes (14) einbettende Matrixmaterial in einem Prozessschritt ausgehärtet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der Faserverbund-Halbschalen durch Einbringen des Fasermaterials in ein Formwerkzeug (20) bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - die erste Faserverbund-Halbschale (11) durch Einbringen des Fasermaterials in eine erste Formwerkzeughälfte (21) eines Formwerkzeuges (20) und die wenigstens zweite Faserverbund-Halbschale (12) durch Einbringen des Fasermaterials in eine zweite Formwerkzeughälfte (22) des Formwerkzeuges (20) bereitgestellt wird, - anschließend das oder die Abstandselemente (14) im Fügebereich (13) auf das Fasermaterial der ersten Faserverbund-Halbschale in der ersten Formwerkzeughälfte und/oder auf das Fasermaterial der zweiten Faserverbund-Halbschalte in der zweiten Formwerkzeughälfte abgelegt werden, und - anschließend die beiden Formwerkzeughälften geschlossen werden, so dass die erste Faserverbund-Halbschale (11) und die wenigstens zweite Faserverbund-Halbschale (12) mit dem oder den Abstandselementen (14) miteinander verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Vakuumabdeckung (23) gegenüber dem Formwerkzeug (20) vakuumdicht abgedichtet wird, wobei die äußere Vakuumabdeckung (24) durch das geschlossene Formwerkzeug (20) gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das geschlossene Formwerkzeug (20) in die äußere Vakuumabdeckung (24) eingebracht und zusammen mit der inneren Vakuumabdeckung vakuumdicht derart abgedichtet wird, dass zwischen der inneren Vakuumabdeckung und der äußeren Vakuumabdeckung (24) die Bauteilkavität (25) gebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schalenmast (10) als Faserverbund-Hohlbauteil hergestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Vakuumabdeckung (23) die gebildete Bauteilkavität (25) von einem Außenbereich (26) abgrenzt, wobei der Außenbereich (26) mit einem Überdruck (P'_a) bzgl. eines Umgebungsdruckes beaufschlagt wird.
Faserverbund-Hohlbauteil aus einem Faserverbundwerkstoff erhältlich mit dem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Faserverbund-Hohlbauteil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Faserverbund-Hohlbauteil ein Schalenmast (10) ist.
Faserverbund-Hohlbauteil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalenmast (10) ein aufrollbarer Schalenmast (10) ist.