DE102019005918A1

DE102019005918A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen eines Bauteils aus einem Faserverbundwerkstoff

Info

Publication number: DE102019005918A1
Application number: DE102019005918.2A
Authority: DE
Inventors: Fabian Köffers; Michael Schöler; Klaus Schürmann; Lothar Sebastian
Original assignee: Siempelkamp Maschinen und Anlagenbau GmbH and Co KG
Current assignee: Siempelkamp Maschinen und Anlagenbau GmbH and Co KG
Priority date: 2019-08-22
Filing date: 2019-08-22
Publication date: 2021-02-25
Also published as: WO2021032703A1

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen eines wenigstens teilweise gekrümmten Bauteils (1) mit einer konvexen Außenseite aus einem Faserverbundwerkstoff, mit den Schritten:Einbringen einer mit einer Matrix imprägnierten Faser (1) auf eine Innenform (7) eines zwischen der Innenform (7) und einer Außenform (8) gebildeten Formraums,Einbringen einer Trennmembran (14) auf die mit der Matrix imprägnierten Faser (1) derart, dass sich zwischen der Außenform (8) und der Trennmembran (14) eine sich entlang der Fläche (13) der Außenform (8) erstreckende Kavität (15) bildet, wobei die Trennmembran (14) auf ihrer der mit der Matrix imprägnierten Faser (1) zuwandten Seite eine Oberflächenstruktur aufweist, undBeaufschlagen der Kavität (15) mit einem Thermoöl (17) mit einer Temperatur größer dem Schmelzpunkt der Matrix und mit einem Druck größer Umgebungsdruck derart, dass das Thermoöl (17) mit dem Druck auf die Trennmembran (14) derart einwirkt, dass durch die Oberflächenstruktur der Trennmembran (14) eine Strukturierung der der Trennmembran (14) zugewandten Außenseitseite des Bauteils (1) bewirkt wird.Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Vorrichtung zur Durchführung des obigen Verfahrens.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines wenigstens teilweise gekrümmten Bauteils mit einer konvexen Außenseite aus einem Faserverbundwerkstoff mit dem Schritt Einbringen einer mit einer Matrix imprägnierten Faser auf eine Innenform eines zwischen der Innenform und einer Außenform gebildeten Formraums. Die Erfindung betrifft zudem eine Vorrichtung zum Herstellen des teilweise gekrümmten Bauteils aus dem Faserverbundwerkstoff mit der Innenform, auf der die mit der Matrix imprägnierte Faser aufgebracht ist.
Hintergrund der Erfindung
Zu Faserverbundwerkstoffen gehörende Organobleche sind aus dem Stand der Technik bekannt und werden vor allem im Flugzeug-, Schiffs- und Automobilbau verwendet, um gegenüber herkömmlichen Materialien bei vergleichbarer oder sogar besserer Steifigkeit wesentlich leichtere Bauteile zu erhalten. Derartige Organobleche weisen in der Regel ein Fasergewebe oder ein Fasergelege auf, welches in eine thermoplastische Kunststoffmatrix eingebettet ist. Oftmals liegen als Faserwerkstoffe in dem Faser-Matrix-Halbzeug Glas-, Aramid- oder Kohlenstofffasern vor. Da sich Organobleche in einfacher Weise mittels bekannter Methoden der Metallverarbeitung warm umformen lassen, resultieren im Vergleich zu konventionellen duroplastischen Faserverbundwerkstoffen kürzere Prozesszeiten.
In der Regel werden solche Organobleche im Bereich des Flugzeug-, Schiffs-, oder Fahrzeugbaus verwendet, um im Schnitt halbkreisförmige Rumpfsektionen aus Faserverbundwerkstoff als Unterschale und Oberschale einzeln vorzufertigen und in einer anschließenden Endmontage zu einem fertigen Bauteil zusammengesetzt. Die Rumpfsektionen werden oftmals mittels einer Innenform und einer Außenform in einer C-Rahmenpresse umgeformt, wobei die Innenform und die Außenform zylinderartig geformt sind.
Die Oberflächen der erhaltenen Bauteile sind naturgemäß durch ihre Nutzung im Flugzeug-, Schiffs-, oder Fahrzeugbau starken Beanspruchungen ausgesetzt. Oberflächen von Schiffsrümpfen werden im Wasser von Muscheln besiedelt, die einen Reibungswiderstand erzeugen und somit den Treibstoffverbrauch des Schiffes erhöhen. Oberflächen von Flugzeugen müssen hohen Temperaturschwankungen mit einhergehender Vereisung standhalten. Die Oberflächenstruktur der Bauteile beeinflusst also nicht nur das Erscheinungsbild sondern auch die technischen Eigenschaften, wie die Fahrdynamik, den Reibungswiderstand oder den Treibstoffverberbrauch. Oftmals werden die erhaltenen Bauteile somit nach ihrer Herstellung mit Lacken oder Folien versehen, um die Oberflächenstruktur des Bauteils zu modifizieren und beispielsweise besonders glatte Oberflächen zu erhalten. Allerdings haben derartige Lacke und Folien nur eine begrenzte Lebensdauer, da sich die Folie oder der Lack mit der Zeit ablösen.
Beschreibung der Erfindung
Ausgehend davon ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Lebensdauer der Oberflächenstruktur zu erhöhen. Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mittels derer ein Bauteil aus einem Faserverbundwerkstoff mit einem vermindertem Strömungswiederstand und/oder einer robusteren Oberflächenstruktur in besonders einfacher Weise herstellbar ist.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Demnach betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines wenigstens teilweise gekrümmten Bauteils mit einer konvexen Außenseite aus einem Faserverbundwerkstoff, mit den Schritten: Einbringen einer mit einer Matrix imprägnierten Faser auf eine Innenform eines zwischen der Innenform und einer Außenform gebildeten Formraums, Einbringen einer Trennmembran auf die mit der Matrix imprägnierten Faser derart, dass sich zwischen der Außenform und der Trennmembran eine sich entlang der Fläche der Außenform erstreckende Kavität bildet, wobei die Trennmembran auf ihrer der mit der Matrix imprägnierten Faser zuwandten Seite eine Oberflächenstruktur aufweist, und Beaufschlagen der Kavität mit einem Thermoöl mit einer Temperatur größer dem Schmelzpunkt der Matrix und mit einem Druck größer Umgebungsdruck derart, dass das Thermoöl mit dem Druck auf die Trennmembran derart einwirkt, dass durch die Oberflächenstruktur der Trennmembran eine Strukturierung der der Trennmembran zugewandten Außenseitseite des Bauteils bewirkt wird.
Im Gegensatz zu aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren wird die Strukturierung der Außenseite des Bauteils nicht nach dem Formen des Bauteils beispielsweise als zusätzliche Schicht auf die Oberfläche des Bauteils aufgebracht, sondern während des Formprozesses beim Herstellen des Bauteils gebildet. Die Strukturierung der Oberfläche des Bauteils ist somit integrativer Bestandteil des Bauteils. Die Lebensdauer einer derart erzeugten Strukturierung ist um ein Vielfaches höher als bei einem nachträglich aufgebrachten Strukturlack oder einer nachträglich aufgebrachten Strukturfolie, da sich die mit dem Bauteil erzeugte Strukturierung nicht vom Bauteil ablösen kann. Des Weiteren wird durch dieses Verfahren ein Arbeitsschritt, nämlich das nachträgliche Aufbringen der Strukturierung, sowie zusätzliches Material, wie beispielsweise Strukturlack oder Strukturfolie, eingespart. Zudem kann durch eine solche Strukturierung der Strömungswiderstand der Außenseite des Bauteils in vorteilhafter Weise verändert werden.
Die Außenseite des wenigstens teilweise gekrümmten Bauteils entspricht der konvexen Fläche und/oder nach außen gewölbten Oberfläche des Bauteils. Beispielsweise handelt es sich bei einem Schiffsrumpf als Bauteil um die Oberfläche als Außenseite, die bei dem fertig erstellten Schiff mit Wasser in Berührung kommt. Die Strukturierung der Oberfläche kann grundsätzlich über die gesamte Oberfläche des Bauteils erzeugt werden. Alternativ kann nur ein Teil der Oberfläche strukturiert werden.
Die Strukturierung findet beim erfindungsgemäßen Verfahren nach dem Prinzip des Stempelns oder Einprägens während des Umformprozesses des Bauteils statt. Die auf der Oberfläche des Bauteils erzeugte Strukturierung entspricht somit bevorzugt dem Negativ der Oberflächenstruktur der Trennmembran. Eine Vertiefung in der Oberflächenstruktur der Trennmembran führt bevorzugt zu einer Erhöhung auf der Oberfläche des Bauteils und umgekehrt. Durch Wahl der Oberflächenstruktur der Trennmembran können beliebige Strukturierungen der Oberfläche des Bauteils erzeugt werden. Beispielsweise kann das Bauteil derart auch mit einem Schriftzug oder einer Identifikationskennung versehen werden.
Strukturierung im Sinne der Erfindung bedeutet, dass die Oberfläche des Bauteils nicht glatt ist, sondern einen Mittenrauwert Ra von wenigstens 0.05 µm aufweist. Es besteht die Möglichkeit, dass die Strukturierung einen derart hohen Mittenrauwert aufweist, dass die Strukturierung von Auge oder haptisch von einem Menschen wahrgenommen wird. Alternativ kann die Strukturierung einen derart geringen Mittenrauwert aufweisen, dass sich die Oberfläche für einen Menschen glatt anfühlt, obwohl die Oberfläche den vorgenannten Mittenrauwert aufweist.
Bei dem vorliegenden Umformverfahren wirkt der Pressdruck, aufgrund des Thermoöls, an jeder Stelle der Trennmembran in Richtung der Normalen der Trennmembran und damit ebenso in Richtung der Normalen des zu erhaltenen Bauteils bzw. der mit der thermoplastischen Kunststoffmatrix getränkten Faser. Somit wird nicht nur ein Pressdruck mit ausschließlicher Vertikalkomponente erzeugt, wie sonst bei aus dem Stand der Technik bekannten Pressen, beispielsweise einer C-Rahmenpresse mit ortsfester Innenform und sich ausschließlich in vertikaler Richtung verfahrbaren Außenform. Gegenüber einer bekannten Presse wird der zum Umformen notwendige Press- bzw. Konsolidierungsdruck jedoch nicht oder nur zum Teil durch die Presse sondern stattdessen vollständig oder zum Wesentlichen durch das Thermoöl bewirkt. Um die Kavität für das Thermoöl zu erzeugen wird die Trennmembran in die Außenform eingebracht. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Trennmembran auf die mit der Matrix imprägnierten Faser derart eingebracht wird, dass sich zwischen der Außenform und der Trennmembran die Kavität bildet. Die Trennmembran dient der Trennung von Thermoöl und Organoblech einerseits sowie andererseits zur Ausbildung der Kavität zum Aufnehmen des Thermoöls. Bevorzugt weist die Trennmembran eine besonders gute Wärmeleitung und Druckübertragung auf. Da der Pressdruck, aufgrund des Thermoöls, an jeder Stelle der Trennmembran in Richtung der Normalen der Trennmembran und damit ebenso in Richtung der Normalen des zu erhaltenen Bauteils wirkt, lässt sich auf besonders einfacher Weise die Trennmembran als Prägestempel nutzten, um die Strukturierung der Oberfläche des Bauteils zu erzeugen. Das vorgeschlagene Verfahren ermöglicht somit in besonders einfacher Weise, ein Bauteil mit einer strukturierten Oberfläche zu erzeugen, wobei die Strukturierung integrativer Bestandteil des Bauteils und somit sehr langlebig ist.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung weist die die Oberflächenstruktur pilzartige, wabenartige, rillenartige und/oder fingerartige Oberflächenstrukturen im Mikrometer oder Millimeterbereich auf und/oder das Verfahren umfasst den Schritt Erzeugen einer pilzartigen, wabenartigen, rillenartigen und/oder fingerartigen Strukturierung im Mikrometerbereich oder Millimeterbereich auf der Außenseitseite des Bauteils. Wie bereits erwähnt, kann die Strukturierung der Trennmembran grundsätzlich beliebig sein. Bevorzugt ist allerdings vorgesehen, dass die Trennmembran pilzartige, wabenartige, rillenartige und/oder fingerartige Oberflächenstrukturen umfasst, wobei diese als Vertiefungen und/oder als Erhebungen in der Trennmembran ausgeführt sein können. Die pilzartigen, wabenartigen, rillenartigen und/oder fingerartigen Oberflächenstrukturen weisen Größenordnungen im Bereich von Mikrometern bis Millimetern auf. Dies bedeutet bevorzugt, dass eine Ausdehnung der Oberflächenstruktur der Trennmembran, also die Höhe bzw. Tiefe der Erhebung bzw. Vertiefung der Strukturierung zwischen 0.05 µm und 5 mm +/- 10% beträgt. Besonders bevorzugt beträgt die Höhe bzw. Tiefe der Erhebung bzw. Vertiefung der Strukturierung zwischen 0.5 µm und 500 µm +/- 10%. Da die Oberflächenstruktur mittels des Prinzips des Stempelns bzw. Einprägens beim Herstellen des Bauteils auf die Außenseite des Bauteils eingebracht wird, entspricht dies auch den Ausdehnungen der auf der Außenseite des Bauteils erzeugten Strukturierung.
Grundsätzlich kann die Oberflächenstruktur als eine singuläre Erhebung oder Vertiefung auf der Außenseite des Bauteils erzeugt werden. Bevorzugt ist allerdings vorgesehen, dass die Oberflächenstruktur ein regelmäßiges Muster aufweist und/oder als Haifischhaut ausgebildet ist und/oder das Verfahren den Schritt Erzeugen einer Strukturierung mit einem regelmäßigen Muster und/oder als Haifischhaut auf der Außenseitseite des Bauteils umfasst. Es ist also insbesondere vorgesehen, dass die Oberflächenstruktur nicht nur eine einzige Erhöhung oder Vertiefung der Oberfläche umfasst, sondern eine Vielzahl Erhöhungen und/oder Vertiefungen umfasst. Diese Erhöhungen und/oder Vertiefungen sind bevorzugt nicht zufällig über die Oberfläche des Bauteils verteilt, sondern weisen eine regelmäßig Anordnung auf. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Strukturierung eine Translationssymmetrie aufweist, es sich also um ein sich regelmäßig widerholendes Muster handelt.
Bevorzugt handelt es sich um eine wabenartige Strukturierung, wobei eine sechseckige Erhöhung und/oder Vertiefung translationssymmetrisch die Fläche ausfüllt. Weiter bevorzugt handelt es sich um eine fingerartige oder pilzartige Erhöhung und/oder Vertiefung, wobei das Muster der Erhöhungen und/oder Vertiefungen durch eines der fünf zweidimensionalen Bravais-Gitter beschrieben werden kann. Die fingerartigen oder pilzartigen Strukturen bilden ein schiefwinkliges, ein quadratisches, ein rechteckiges, ein hexagonales oder ein rechteckig-flächenzentriertes Gitter. Weiter bevorzugt umfasst die Strukturierung feine Rippen mit scharfen Spitzen. Die Außenfläche des Bauteils ist bevorzugt derart gerippt, dass die Strukturierung einem Riblet entspricht, ebenso als Haifischhaut bezeichnet. Demnach umfasst das Verfahren bevorzugt den Schritt Erzeugen einer Strukturierung als Haifischhaut auf der Außenseitseite des Bauteils. Weiter bevorzugt umfassen die Haufischhaut u-förmige Längsrillen. Bevorzugt sind die Rippen der Längsrillen ca. 10 bis 100 µm voneinander beabstandet. Weiter bevorzugt beträgt die Höhe der Rippen 10 bis 100 µm. Besonders bevorzugt entspricht die Höhe der Rippen dem Abstand zwischen den Rippen +/-20%.
Im Hinblick auf die Strukturierung ist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung vorgesehen, dass die Strukturierung des Bauteils ausgeführt ist, einen Reibungswiderstand, eine Hydrophilie, eine Hydrophobie und/oder eine Lärmemission des Bauteils zu reduzieren und/oder eine Stabilität des Bauteils zu erhöhen. Insbesondere sind die fingerartigen und/oder pilzartigen Strukturen geeignet die Affinität der Oberfläche des Bauteils zu Wasser zu verändern. So kann beispielsweise eine wasserabperlende und/oder wasserabweisende Oberfläche (hydrophob) erzeugt werden. Insbesondere ist die Oberflächenstruktur derart gestaltet, dass ein Wassertopfen auf der Oberfläche im Wesentlichen kugelförmig ist. Weiterhin ist ein Kontaktwinkel, also der Winkel, den ein Wassertropfen auf der Oberfläche zu dieser Oberfläche bildet, bevorzugt größer als 120°. Bevorzugt ist die Oberflächenstruktur derart gestaltet, dass ein Lotoseffekt erzielt wird. Eine hydrophobe Struktur kann beispielsweise die Besiedlung eines Schiffrumpfes mit Muscheln reduzieren, wodurch Treibstoff eingespart werden kann.
Alternativ kann die Strukturierung des Bauteils ausgeführt sein, die Hydrophilie der Oberfläche des Bauteils zu verändern. Bevorzugt ist die Strukturierung derart gestaltet, dass die Oberfläche des Bauteils aufgrund der Strukturierung mit einem dünnen, bevorzugt nicht von Auge sichtbaren Wasserfilm bedeckt ist. Weiter ist der Kontaktwinkel bevorzugt nahe 0°, insbesondere 0° +/- 20°.
Weiter alternativ kann die Strukturierung des Bauteils ausgeführt sein, einen Reibungswiderstand des Bauteils in vorteilhafter Weise zu verringern, oder gegebenenfalls auch zu erhöhen. Dies kann insbesondere mit der Riblet-Struktur, auch Haifischhaut genannt, ermöglicht werden. So kann beispielsweise durch die u- oder schuppenförmigen Rillen der Reibungswiderstand beeinflusst werden, da an der Oberfläche bevorzugt eine laminare Strömung erzeugt wird. Die Dimensionierung der Riblet-Struktur kann auf die Viskosität des Mediums, beispielsweise Luft oder Wasser, sowie auf die zu erwartende Fortbewegungsgeschwindigkeit des Flugzeugs, Fahrzeugs oder Schiffes abgestimmt werden.
Des Weiteren kann die Strukturierung die Stabilität des Bauteils in vorteilhafter Weise beeinflussen. Insbesondere mit wabenartigen Erhöhungen und/oder Vertiefungen kann die Stabilität des Bauteils erhöht werden. Die wabenartigen Strukturen weisen bevorzugt Vertiefungen und/oder Erhöhungen im Millimeterbereich, besonders bevorzugt 1 bis 3 mm, auf. Weiter bevorzugt misst eine Längsseite der sechseckigen wabenartigen Struktur bevorzugt zwischen 0,1 bis 20 mm.
Weiter bevorzug lässt sich durch die Strukturierung der Oberfläche die Lärmemission des Bauteils verringern. Eine Verringerung der Lärmemission ist insbesondere für Flugzeuge oder Rotorblätter von Windkraftanlagen vorteilhaft. Bevorzugt ist die Strukturierung der Oberfläche derart ausgestaltet, dass eine Position des Grenzschichtumschlags von einer laminaren Grenzschicht zu einer turbulenten Grenzschicht verändert wird. Alternativ kann die Position und die Art der Strukturierung auf dem Bauteil derart gewählt werden, dass die Strukturierung einem Turbulator entspricht, womit ermöglicht wird, die Grenzschichtströmung gezielt turbulent werden zu lassen.
Wie bereits erwähnt wird die Strukturierung auf der Außenseite des Bauteils nach dem Prinzip des Stempelns oder Einprägens mittels der Oberflächenstruktur der Trennmembran erzeugt. Im Zuge dessen ist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung vorgesehen, dass die Trennmembran aus Metall ausgeführt ist und dass das Verfahren den Schritt Erzeugen der Oberflächenstruktur der Trennmembran mittels eines mechanischen und/oder eines chemischen Verfahrens umfasst. Zur einfachen Umsetzung können alle aus der Bearbeitung von Metallen bekannten Strukturierungsverfahren eingesetzt werden. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Trennmembran mit einer Walze zur Ausbildung der Oberflächenstruktur strukturiert wird. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Trennmembran ziseliert, punziert und/oder mittels Treiben zur Ausbildung der Oberflächenstruktur strukturiert wird. Weiter bevorzugt können chemische Verfahren wie Ätzen, elektrochemisches Mikrofräsen und/oder elektrochemisches Abtragen zur Erhalten der Oberflächenstruktur der Trennmembran verwendet werden.
Zwecks Lösen des fertigen Bauteils nach dem Umformprozess umfasst das Verfahren gemäß einer bevorzugten Weiterbildung den Schritt Aufbringen insbesondere Sprühen eines Trennmittels auf die Innenform, die Außenform und/oder die Trennmembran, insbesondere vor dem Einbringen der mit der Matrix imprägnierten Faser. Das Trennmittel wirkt als Antihaftschicht und ermöglicht, nach dem Kühlen der mit der Matrix imprägnierten Faser, ein einfaches Lösen der Trennmembran, der Außenform und der mit der Matrix imprägnierten Faser voneinander.
Während das Verfahren grundsätzlich mit beliebigen mit der Matrix imprägnierten Faser durchgeführt werden kann, sind die Fasern bevorzugt als Glasfasern, Aramidfasern und/oder Karbonfasern bzw. Kohlefasern ausgeführt. Ganz besonders bevorzugt ist die mit der Matrix getränkte Faser als Faser-Matrix-Halbzeug, als Faserverbundwerkstoff und/oder als Organoblech ausgeführt, wobei diese Begriffe im Rahmen der Erfindung teils synonym verwendet werden. Die mit der Matrix imprägnierte Faser ist bevorzugt als eine mit einer thermoplastischem Kunststoffmatrix getränkte Faser und/oder als glasfaserverstärktes Aluminium, auch GLARE, als Hybridwerkstoff ausgeführt. Glasfaserverstärktes Aluminium weist in der Regel viele, jeweils nur wenige Zehntel Millimeter dicke Schichten auf, welche abwechselnd aus Aluminium und einem Glasfaserlaminat, beispielsweise glasfaserverstärkter Kunststoff, ausgeführt sind.
Die Faser kann ein sogenanntes Prepregmaterial umfassen und/oder als Tape ausgebildet sein. Bevorzugt wird die Faser als Endlosmaterial bereitgestellt. Bei der Matrix kann es sich um eine Epoxidharz- oder Thermoplastmatrix wie auch Mischungen derselben handeln. Beispielsweise kann die Matrix Polyphenylensulfide, Polyaryletherketone, oder Polyetheretherketone als Thermoplaste umfassen. Bevorzugt ist die Temperatur wenigstens 10 °C, 20 °C, 50 °C, 100 °C oder 200 °C größer dem Schmelzpunkt der Matrix. Der Druck ist während des Verfahrens bevorzugt wenigstens 10 bar, 20 bar, 30 bar oder 40 bar größer dem Umgebungsdruck. Die Temperatur wird während des Verfahrens bevorzugt der verwendeten Matrix angepasst. Weiter bevorzugt wird die Faser vor dem Einbringen oder Ablegen in die Innenform mit der Matrix imprägniert und/oder getränkt. Im Rahmen der Erfindung, beispielsweise in der Figurenbeschreibung, werden die Begriffe mit der thermoplastischen Kunststoffmatrix getränkte Faser und mit der Matrix imprägnierte Faser synonym verwendet. Das Prepregmaterial hat bevorzugt eine Dicke von 180 µm, wobei darin enthaltene Kohlefasern bevorzugt eine Dicke zwischen 6 und 9 µm aufweisen. Eine Deckschicht der Außenseite kann so gelegt sein, dass bei nachfolgender Verwendung des Bauteils die Fasern in Richtung einer zu erwartenden Strömungshauptrichtung ausgerichtet sind. Ferner kann die Deckschicht aus einem anderen Material gebildet sein als wenigstens eine andere Schicht der mit der Matrix imprägnierte Faser und/oder keine Fasern insbesondere keine durchgehend verlaufenden Kohlefasern aufweist. Beispielsweise kann die Deckschicht aus einem hochfesten Kunststoff gebildet sein, der eine hohe Formbeständigkeit und keinen oder nun einen geringen Armierungsanteil aufweist, beispielsweise PEEK. Ferner kann diese Deckschicht mit der darunter liegenden Schicht über eine Haftvermittlerschicht verbunden sein, da keine Gefahr einer Delaminierung der auf eine Strukturfestigkeit des Bauteils besonderen Einfluss nehmenden Deckschicht besteht.
Weiter bevorzugt kann die mit der Matrix imprägnierte Faser als Fasergelege oder Gewebe ausgestaltet sein, bei dem Verstärkungsfasern in einer Kunststoffmatrix eingebettet sind. Ebenso kann ein Fadengelege als Faser vorgesehen sein, insbesondere als monoaxiales oder unidirektionales Fadengelege, welches durch Fixieren einer Schar von parallelen Fäden erhalten werden kann, als biaxiales Fadengelege, bei welchem zwei Scharen von parallelen Fäden in Richtung von zwei Achsen fixiert werden sind, oder als multiaxiales Fadengelege, bei dem mehrere Scharen aus parallelen Fäden in Richtung verschiedener Achsen fixiert werden. Gegenüber Geweben zeichnen sich Gelegen durch eine höhere Festigkeit bedingt durch Wegfall der bei Geweben unvermeidbaren Ondulation aus. Ferner kann bei Geweben eine Mehrzahl von Bindungsarten wie Leinenbindung oder Köperbindung beinhaltet sein.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist die Matrix des Faserverbundwerkstoffes aus einem Thermoplasten, vorzugsweise aus einem Polyaryletherketon (PAEK), ausgeführt und/oder die Faser im Faserverbundwerkstoff einen Massenanteil von wenigstens 50% bezogen auf den Faserverbundwerkstoff umfasst. Bevorzugt wird als Faser Karbonfaser verwendet. Diese Zusammensetzung hat sich als besonders vorteilhaft zum Erzeugen der strukturierten Oberfläche des Bauteils mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens erwiesen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist das gekrümmte Bauteil auf seiner Außenseite einen geringeren Faseranteil als auf seiner Innenseite auf. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass die Strukturierung der Oberfläche nicht durch die Ausmaße bzw. Dimensionierung der verwendeten Faser beeinflusst wird. So kann beispielsweise eine Karbonfaser mit einem Durchmessen von etwa 6 µm verwendet werden und trotzdem fingerartige Strukturen mit einem Durchmesser < 6 µm in die Außenfläche des Bauteils eingebracht werden. Beispielsweise können die fingerartigen Strukturen 3 µm als Durchmesser aufweisen.
Hinsichtlich des zu formenden Bauteils ist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung vorgesehen, dass das Verfahren mit einer die Innenform und die Außenform aufweisenden Presse durchgeführt wird, wobei die Innenform und/oder die Außenform ausgebildet ist, ein Flugzeugbauteil, ein Schiffsbauteil oder ein Fahrzeugbauteil auszuformen. Innenform und Außenform können grundsätzlich eine beliebige Form aufweisen, insbesondere eine Negativform des zu erhaltenen Bauteils, als Ebene, als Zylinder und/oder im Querschnitt als Halbkreis oder halbkreisartig, wobei im Folgenden oftmals angenommen wird, dass Innenform und Außenform zum Herstellen eines Bauteils eines Flugzeugs, eines Schiffes oder eines Fahrzeuges ausgebildet sind. Des Weiteren kann es sich beim Bauteil um ein Rotorblatt eines Flugzeuges oder einer Windkraftanlage handeln.
Im Falle einer Presse kann die Innenform das Unterwerkzeug und die Außenform das Oberwerkzeug darstellen. Noch weiter bevorzugt schließen aufeinander aufliegende Innenform und Außenform an ihren Rändern druckdicht und/oder abdichtend ab und/oder liegen an ihren Rändern berührend aufeinander auf. In diesem Zusammenhang weist das Verfahren bevorzugt den weiteren Schritt Aufsetzen der Außenform auf die Innenform derart, dass Außenform und Innenform an ihren Rändern abdichtend zum Ausbilden des Formraums aufeinander aufliegen und/oder Fixieren und/oder Verspannen der aufeinander aufliegenden Außenform und Innenform gegeneinander, insbesondere mittels der Presse.
Nach einer bevorzugten Weiterbildung ist eine die Innenform und die Außenform aufweisende Presse vorgesehen, insbesondere eine C-Rahmenpresse, und/oder das Verfahren den Schritt, nach dem Einbringen der Trennmembran, Verspannen der Innenform und der Außenform gegeneinander, bis dass der Formraum ausgebildet ist, aufweist. Außenform und Innenform sind bevorzugt ausgeführt, dass der Formraum nach dem Verspannen druckdicht ist. Die Presse weist bevorzugt ein Pressengestell auf, insbesondere ein C-Gestell, welches einen oberen horizontalen C-Schenkel, einen unteren horizontalen C-Schenkel und eine vertikale C-Basis aufweist, die den oberen C-Schenkel und den unteren C-Schenkel miteinander verbindet.
Die Innenform ist bevorzugt ortsfest an dem unteren horizontalen C-Schenkel als Unterwerkzeug und die Außenform über einen Presszylinder an dem oberen C-Schenkel als Oberwerkzeug derart abgestützt, dass durch Betätigen des Presszylinders die Innenform und die Außenform gegeneinander verspannt werden können, bis dass der Formraum ausgebildet ist. Das C-Gestell ist bevorzugt in Rahmenbauweise ausgeführt, wobei in Längsrichtung hintereinander mehrere C-förmig ausgebildete und miteinander verbundene Pressenrahmen vorgesehen sein können. Die einzelnen Pressenrahmen sind bevorzugt mit Spannelementen miteinander verbunden. Neben einer zuvor beschriebenen Oberkolbenpresse, bei der der Presszylinder an dem oberen C-Schenkel abgestützt ist, kann die Presse ebenso in Unterkolben-Bauweise ausgeführt sein, so dass die Innenform durch die Presszylinder gegen die an dem oberen C-Schenkel vorgesehene Außenform verspannbar ist.
Nach einer weiteren bevorzugten Weiterbildung umfasst das Verfahren den weiteren Schritt Beaufschlagen der Kavität mit dem Thermoöl mit der Temperatur ≥ 250 °C, ≥ 300 °C oder ≥ 400 °C, derart, dass das Thermoöl mit dem Druck ≥ 20 bar, ≥ 30 bar oder ≥ 40 bar auf die Trennmembran einwirkt, und/oder, nach einer vorgegebenen Zeitspanne, Kühlen des Thermoöls auf eine Temperatur ≤ 150 °C, ≤ 200 °C oder ≤ 250 °C. Bevorzugt wird die Kavität mit dem Thermoöl mit der Temperatur ≥ 300 °C, ≥ 350 °C, ≥ 400 °C oder ≥ 500 °C beaufschlagt. Das Thermoöl wirkt bevorzugt mit dem Druck von ≥ 30 bar, ≥ 40 bar oder ≥ 50 bar auf die Trennmembran ein. Die vordefinierte Zeitspanne kann 1 Minute, 10 Minuten, 1 Stunde oder 5 Stunden umfassen. Beim Kühlen des Thermoöls zum Aushärten des Bauteils hat das Thermoöl bevorzugt eine Temperatur von ≤ 150 °C oder ≤ 100 °C. Ganz besonders bevorzugt wird zum Erhitzen bzw. Aufschmelzen des Organoblechs, also beim Beaufschlagen der Kavität mit dem Thermoöl mit der Temperatur größer dem Schmelzpunkt der Matrix und beim darauffolgenden Kühlen des Organoblechs das gleiche Thermoöl verwendet. Mit anderen Worten wird das in der Kavität befindliche Thermoöl bevorzugt während eines Pumpvorgangs gekühlt und wiederum der Kavität zugeführt, während das Thermoöl weiterhin mit dem Druck ≥ 20 bar auf die Trennmembran einwirkt. Druck- und/oder Temperaturkurve steigen während des Erhitzens und/oder Abkühlens bevorzugt parallel an und ab.
Nach einer bevorzugten Weiterbildung umfasst das Verfahren den Schritt Vorheizen der Außenform und/oder der Innenform auf eine Grundtemperatur, insbesondere vor dem Einbringen der mit der Matrix imprägnierten Faser. Dazu können in der Außenform und/oder der Innenform Heiz- und/oder Kühlkanäle zum Temperieren der jeweiligen Form vor und/oder während des Aushärtens vorgesehen sein. Die Heizkanäle und/oder Kühlkanäle verlaufen bevorzugt in axialer Richtung in regelmäßigen Abständen und/oder verteilt über die gesamte Mantelfläche der jeweiligen Form. Zum Beaufschlagen der Kavität mit dem Thermoöl sind bevorzugt Zuführkanäle für das Thermoöl vorgesehen, welche sich in radialer Richtung durch die Außenform hindurch erstrecken.
Nach einer noch weiter bevorzugten Ausgestaltung umfasst das Verfahren den Schritt Beaufschlagen der Mantelfläche der Innenform mit einem Unterdruck. Bevorzugt ist die Innenform in regelmäßigen Abständen entlang der Mantelfläche mit einer Mehrzahl Unterdruckkanäle versehen, die sich in radialer Richtung durch die Unterform hindurch erstrecken können und/oder mit einer Vakuumpumpe verbunden sind, durch die der Unterdruck erzeugbar ist. In analoger Weise kann eine Heiz- und/oder Kühleinrichtung vorgesehen sein, um die Außenform und/oder die Innenform mittels der Heiz- und/oder Kühlkanäle auf die Grundtemperatur vorzuheizen bzw. zu kühlen.
Nach einer noch weiter bevorzugten Ausgestaltung umfasst das Verfahren den Schritt Einbringen eines Stringers, eines Spants und/oder einer Aufdickung in eine Aussparung der Innenform, insbesondere vor dem Einbringen der mit der Matrix imprägnierten Faser. Stringer, Spanten bzw. Aufdickungen können lokale Verstärkungen, beispielsweise für Fenster-, Türen- und/oder Klappenöffnungen bei einem Flugzeug, und/oder Strukturaussteifungen darstellen, die durch den vorgeschlagenen Verfahrensschritt beim Herstellen des Formteils mit eingebracht werden können. Beim Aufschmelzen des Organoblechs durch Beaufschlagen der Kavität mit dem Thermoöl mit der Temperatur größer dem Schmelzpunkt der Matrix werden Verbindungskontaktflächen der Stringer, Spanten bzw. Aufdickungen aufgeschmolzen und derart mit dem Organoblech verbunden. Die Aussparung ist bevorzugt derart beispielsweise durch einen Fräsvorgang ausgestaltet, dass bei in die Aussparung eingelegtem Stringer, Spant bzw. Aufdickung dieser bündig mit der Mantelfläche der Innenform abschließt. Der Stringer, der Spant bzw. die Aufdickung wird bevorzugt als vorgefertigtes und konsolidiertes Bauteil in die Aussparung eingesetzt.
Nach einer bevorzugten Weiterbildung umfasst das Verfahren den Schritt Kühlen der Innenform auf eine Temperatur ≤ 150 °C, ≤ 200 °C oder ≤ 250 °C oder nach dem vorhergehenden Schritt Kühlen der Innenform auf eine Temperatur ≤ 150 °C, ≤ 200 °C oder ≤ 250 °C im Bereich des Stringers, des Spants und/oder der Aufdickung. Bevorzugt sind dazu im Bereich des Stringers, des Spants und/oder der Aufdickung eine Mehrzahl sich axial durch die Innenform erstreckende Zuführkanäle vorgesehen, die sich um die Aussparung herum anordnen. Derart lässt sich sicherstellen, dass der in der Aussparung vorgesehene Stringer, Spant und/oder die Aufdickung durch das erhitzte Thermoöl bedingt zwar an der jeweiligen Verbindungskontaktfläche aufschmilzt der verbleibende Teil des Stringers, des Spants bzw. der Aufdickung jedoch unterhalb einer Aufweichungstemperatur verbleibt.
Bezüglich weiterer Vorteile und technischer Merkmale des Verfahrens zum Herstellen des wenigstens teilweise gekrümmten Bauteils mit einer konvexen Außenseite aus dem Faserverbundwerkstoff wird auf die Vorrichtung zum Herstellen des teilweise gekrümmten Bauteils mit einer konvexen Außenseite aus dem Faserverbundwerkstoff, die Figuren und die weitere Beschreibung verwiesen.
Die Aufgabe der Erfindung wird weiterhin durch eine Vorrichtung zum Herstellen eines wenigstens teilweise gekrümmten Bauteils mit einer konvexen Außenseite aus einem Faserverbundwerkstoff gelöst, mit einer Innenform, auf der eine mit einer Matrix imprägnierten Faser aufgebracht ist, einer Trennmembran, die auf der mit der Matrix imprägnierten Faser aufgebracht ist, wobei die Trennmembran auf ihrer der mit der Matrix imprägnierten Faser zugewandten Seite eine Oberflächenstruktur aufweist, einer Außenform, die auf der Innenform mit der darauf aufgebrachten mit der Matrix imprägnierten Faser und der Trennmembran derart abdichtend aufliegt, dass entlang der Fläche der Au-ßenform eine Kavität gebildet ist, und einer Thermoöltemperier- und Druckeinrichtung, welche ausbildet ist, die Kavität mit einem Thermoöl mit einer Temperatur größer dem Schmelzpunkt der Matrix und mit einem Druck größer Umgebungsdruck derart zu beaufschlagen, dass das Thermoöl mit dem Druck auf die Trennmembran einwirkt, so dass durch die Oberflächenstruktur der Trennmembran eine Strukturierung der der Trennmembran zugewandten Außenseitseite des Bauteils bewirkt wird.
Bevorzugt wird mit der hier beschriebenen Vorrichtung das Verfahren zum Herstellen des teilweise gekrümmten Bauteils aus dem Faserverbundwerkstoff durchgeführt. Die Grundidee besteht darin, dass die Trennmembran auf ihrer der mit der Matrix imprägnierten Faser zugewandten Seite die Oberflächenstruktur aufweist, die sich dann auf der Außenseite des Bauteils einprägt, so dass die Strukturierung entsteht. Durch die vorgeschlagene Vorrichtung lassen sich auf besonders einfache Weise Bauteile mit teilweise gekrümmter Oberfläche erzeugen, dessen Oberfläche strukturiert ist. Beispielsweise lassen sich Bauteile für Flugzeuge, Schiffe oder Fahrzeuge herstellen. Die mit der Vorrichtung erzeugte Oberflächenstrukturierung des Bauteils ist besonders robust und langlebig, da sie integrativer Bestandteil des Bauteils ist. Die insbesondere mit einer thermoplastischen Kunststoffmatrix getränkte Faser wird, eingebettet zwischen der Innenform und der Außenform, durch das Thermoöl einerseits erhitzt und andererseits mit Druck beaufschlagt, so dass sich nach dem darauf folgenden Abkühlen die Strukturierung der Trennmembran in der Oberfläche des erhaltenen Bauteils abbildet. Die Vorrichtung kann als Presse ausgestaltet sein, um ein präzises Bewegen, das heißt Öffnen und Schließen, der Innenform und Außenform zu erreichen. Die Innenform und die Außenform sind bevorzugt ausgestaltet, dass bei geschlossener Presse die Formen an ihren Rändern berührend aufeinander aufliegen und derart den durch die Formen gebildeten Formraum abdichtend abschließen. Ebenso können Innenform und Außenform mit Spannseilen umwickelt oder anderweitig fixiert werden, um den Formraum auszubilden.
Hinsichtlich der Trennmembran ist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung vorgesehen, dass die Oberflächenstruktur pilzartige, wabenartige, rillenartige und/oder fingerartige Oberflächenstrukturen im Mikrometer oder Millimeterbereich aufweist und/oder durch die Beaufschlagung eine pilzartige, wabenartige, rillenartige und/oder fingerartige Strukturierung im Mikrometerbereich oder Millimeterbereich auf der Außenseitseite des Bauteils bewirkt wird. Die pilzartigen, wabenartigen, rillenartigen und/oder fingerartigen Oberflächenstrukturen weisen dabei Größenordnungen im Bereich von Mikrometern bis Millimetern auf. Dies bedeutet bevorzugt, dass eine Ausdehnung der Oberflächenstruktur der Trennmembran, also die Höhe bzw. Tiefe der Erhebung bzw. Vertiefung der Strukturierung zwischen 0.05 µm und 5 mm +/- 10% beträgt. Besonders bevorzugt beträgt die Höhe bzw. Tiefe der Erhebung bzw. Vertiefung der Strukturierung zwischen 0.5 µm und 500 µm +/- 10%.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Oberflächenstruktur ein regelmäßiges Muster auf und/oder ist als Haifischhaut ausgebildet und/oder wird durch die Beaufschlagung eine Strukturierung mit einem regelmäßigen Muster und/oder als Haifischhaut auf der Außenseitseite des Bauteils bewirkt. Es ist bevorzugt vorgesehen, dass die Oberflächenstruktur nicht nur eine einzige Erhöhung oder Vertiefung der Oberfläche umfasst, sondern eine Vielzahl Erhöhungen und/oder Vertiefungen umfasst. Diese Erhöhungen und/oder Vertiefungen sind bevorzugt nicht zufällig über die Trennmembran bzw. die Außenseite des Bauteils verteilt, sondern weisen eine regelmäßig Anordnung auf. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Strukturierung der Trennmembran eine Translationssymmetrie aufweist, es sich also um ein sich regelmäßig widerholendes Muster handelt. Somit wird auch auf der Außenseite eine Strukturierung mit einer Translationssymmetrie bzw. ein sich regelmäßiges widerholendes Muster erzeugt. Bevorzugt handelt es sich um eine wabenartige Strukturierung, wobei eine sechseckige Erhöhung und/oder Vertiefung translationssymmetrisch die Fläche ausfüllt. Weiter bevorzugt handelt es sich um eine fingerartige oder pilzartige Erhöhung und/oder Vertiefung, wobei das Muster der Erhöhungen und/oder Vertiefungen durch eines der fünf zweidimensionalen Bravais-Gitter beschrieben werden kann. Die fingerartigen oder pilzartigen Strukturen der Trennmembran bzw. der Außenseite des Bauteils bilden ein schiefwinkliges, ein quadratisches, ein rechteckiges, ein hexagonales oder ein rechteckig-flächenzentriertes Gitter. Weiter bevorzugt umfasst die Strukturierung der Trennmembran hügelartige Erhöhungen mit scharfen spitzen Vertiefungen. Die Trennmembran ist bevorzugt derart strukturiert, dass die Strukturierung einem Abdruck bzw. Negativ eines Riblet entspricht.
Nach einer bevorzugten Weiterbildung umfasst die mit der Matrix imprägnierte Faser eine vorkonsolidierte Halbzeugschale und/oder vorkonsolidierte Einzellagen. Die insbesondere mit der thermoplastischen Kunststoffmatrix getränkte Faser kann zudem ein Fasergewebe und/oder ein Fasergelege umfassen, die in die thermoplastische Kunststoffmatrix eingebettet sind. Bei Geweben und Gelegen können Fasern rechtwinkelig zueinander verlaufen, um mechanische Eigenschaften wie Steifigkeit, Festigkeit und/oder Wärmeausdehnung gegenüber als aus dem Stand der Technik bekannten Materialien wie Metallblechen besser zu definieren.
Zur Ausgestaltung der Innenform und/oder der Außenform existieren grundsätzlich verschiedene Möglichkeiten. Nach einer besonders bevorzugten Weiterbildung des vorbeschriebenen Verfahrens sowie der Vorrichtung sind die Innenform und/oder die Außenform aus Invar ausgestaltet. Invar ist eine Eisen-Nickel-Legierung mit einem sehr geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten, so dass sich eine so gestaltete Innenform und/oder Außenform durch eine äußerst geringe Ausdehnung aufgrund der durch das Thermoöl hervorgerufenen Temperaturänderung auszeichnet.
Nach einer besonders bevorzugten Weiterbildung entspricht die Außenseite des Bauteils einer konvexen Fläche des Bauteils. Die Innenform und/oder die Außenform sind bevorzugt ausgebildet, ein Bauteil eines Flugzeuges, Schiffes oder Fahrzeuges auszuformen, das teilweise eine gekrümmte Außenseite aufweist, wobei diese Außenseite strukturiert ist. Die Außenseite dieses Bauteils ist bevorzugt die konvexe Fläche, also die sich nach außen wölbende Fläche des Bauteils. Die Innenform und/oder die Außenform sind dazu bevorzugt als Negativform ausgebildet und die Trennmembran weist ebenfalls das Negativ der Strukturierung der Oberfläche des Bauteils auf.
Des Weiteren ist bevorzugt, dass die Kavität zwischen der Außenform und der Trennmembran entlang der Mantelfläche eine Dicke von ≥ 1 mm und ≤ 10 mm, insbesondere ≥ 2 mm und ≤ 5 mm, aufweist und/oder die Kavität an jeder Stelle der Trennmembran eine gleich große Dicke aufweist. Derart lässt sich erreichen, dass an jeder Stelle auf die mit der Matrix imprägnierte Faser ein gleich großer oder annähernd gleich großer Druck ausgeübt wird, der im Wesentlichen in Richtung der jeweiligen Normalen der Trennmembran, der mit der Matrix imprägnierte Faser und/oder der Mantelfläche der Innenform wirkt. Somit wird die Strukturierung der Trennmembran besonders genau auf die Oberfläche des Bauteils geprägt.
Da sowohl beim Aufschlagen des Thermoöls mit der Temperatur größer dem Schmelzpunkt, ≥ 250 °C, ≥ 300 °C oder ≥ 400 °C sowie beim darauf folgenden Kühlen des Thermoöls auf ≤ 150 °C, ≤ 200 °C oder ≤ 250 °C der Druck größer Umgebungsdruck, ≥ 20 bar, ≥ 30 bar oder ≥ 40 bar beträgt, existiert während des Umformens bevorzugt keine drucklose Phase. Die insbesondere mit der thermoplastischen Kunststoffmatrix getränkte Faser weist bevorzugt eine vergleichbare Dicke wie die Kavität auf, so dass das Thermoöl aufgrund seiner wesentlich höheren thermischen Kapazität ausreicht, um den Schmelzvorgang zum Umformen der insbesondere mit der thermoplastischen Kunststoffmatrix getränkten Faser herbeizuführen. Die Thermoöltemperier- und Druckeinrichtung weist bevorzugt eine Heizeinrichtung, eine Kühleinrichtung und/oder eine Pumpe auf, um das Thermoöl auf die vorgenannten Temperaturen zu erhitzen bzw. zu kühlen, das in die Kavität eingeführte, erhitzte Thermoöl abzupumpen, abzukühlen und wiederum in die Kavität gekühlt einzuführen, und/oder um den vorgenannten Druck aufzubauen.
Figurenliste
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
In den Zeichnungen zeigen

1 eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens zum Herstellen eines wenigstens teilweise gekrümmten Bauteils mit einer konvexen Außenseite gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer schematischen Perspektivansicht,
2 einen Ausschnitt der in 1 gezeigten Vorrichtung mit Innenform und Außenform in einer schematischen Schnittansicht, und
3 zwei Beispiele einer Oberflächenstruktur einer Trennmembran sowie einer Strukturierung der Außenseite des teilweise gekrümmten Bauteils.

Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbespiele
1 zeigt eine Vorrichtung in Form einer C-Rahmenpresse zum Ausführen eines Verfahrens zum Herstellen des wenigstens teilweise gekrümmten Bauteils 1 mit einer konvexen Außenseite aus Organoblech als Faserverbundwerkstoff. Die C-Rahmenpresse weist ein als C-Gestell 2 ausgestaltetes Pressengestell mit einem oberen horizontalen C-Schenkel 3, einem unteren horizontalen C-Schenkel 4 sowie einer vertikalen C-Basis 5 auf, die den oberen C-Schenkel 3 und den unteren C-Schenkel 4 miteinander verbindet. Die Presse ist in Rahmenbauweise ausgeführt und weist eine Mehrzahl in Längsrichtung der Presse hintereinander angeordneten und jeweils C-förmig ausgebildeten und miteinander verbundenen Pressenrahmen 6 auf.
Auf den unteren C-Schenkel 4 aufgestützt ist eine zylinderartige Innenform 7 vorgesehen. Die Innenform 7 ist im Querschnitt halbkreisartig mit einem Zylinderdurchmesser von 6 m ausgestaltet. In Längsrichtung erstreckt sich die Innenform 7 zwischen ihren Enden mit einer Zylinderhöhe von 15 m. Oberhalb der Innenform 7 ist eine zu der Innenform 7 kongruente also ebenso zylinderartige ausgeführte Außenform 8 vorgesehen. Somit wird durch das Zusammenwirken der Außenform 8 und der Innenform 7 das Bauteil 1 mit einer konvexen Außenseite erzeugt. Mehrere Presszylinder 9, sind an den oberen C-Schenkeln 3 abgestützt und wirken auf die Außenform 8 ein. Derart lässt sich die Außenform 8 durch die Presszylinder 9 im Sinne eines Laufholms in vertikale Richtung bewegen, um den Formraum zwischen der Innenform 7 und der Außenform 8 zu öffnen bzw. zu schließen. Im offenen Zustand, wie in 1 abgebildet lässt sich das Bauteil 1 aus der so ausgestalteten Vorrichtung herauszunehmen, angedeutet durch Pfeil 10.
Unter Verweis auf den in 2 dargestellten Ausschnitt von aufeinander aufliegender Innenform 7 und Außenform 8 als schematische Schnittansicht wird zunächst in der in 1 gezeigten Situation, in der die Außenform 8 beabstandet zu der Innenform 7 ist, ein Trennmittel 11, angedeutet in 2, auf die Innenform 7 aufgesprüht. Daraufhin wird eine mit einer thermoplastischen Kunststoffmatrix getränkte Faser, insbesondere eine Glasfaser, Aramidfaser und/oder Kohlefaser, als vorkonsolidierte Halbzeugschale oder in vorkonsolidierten Einzellagen als sogenanntes Organoblech auf die Innenform 7 aufgebracht, so dass das Organoblech die gesamte Mantelfläche 12 der zylinderartigen Innenform 7 bis zu den Rändern der Innenform 7 bedeckt. Auf die mit der thermoplastischen Kunststoffmatrix getränkte Faser wird nochmals das Trennmittel 11 gesprüht.
Ebenfalls in geöffnetem Zustand wird die Trennmembran 14 auf die mit der thermoplastischen Kunststoffmatrix getränkte Faser aufgebracht, wobei die Trennmembran 14 ebenso die komplette Mantelfläche 12 der Innenform 7 bedeckt. Die Trennmembran 14 ist aus Metall, im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel aus Edelstahl ausgeführt. Die Oberfläche der Trennmembran 14 ist mit einer Oberflächenstruktur versehen, wobei die Struktur auf der der mit der Matrix imprägnierten Faser zugewandten Seite der Trennmembran 14 vorhanden ist. Somit prägt sich die Struktur der Trennmembran 14 beim Herstellen des Bauteils 1 auf die Außenseite des Bauteils 1 als Strukturierung ein. Im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel entspricht die Struktur der Trennmembran 14 einem Negativ bzw. einem Abdruck einer Riblet-Struktur. Das Negativ der Riblet-Struktur sowie die Riblet-Struktur sind in 3a) gezeigt. Die Außenseite des Bauteils 1 wird als Riblet-Struktur, also eine Haifischhaut, geprägt.
Mantelfläche 13 der Außenform 8 und der Trennmembran 14 bilden eine Kavität 15 aus, die sich über die gesamte Mantelfläche 13 der Außenform 8 erstreckt und eine annähernd gleichbleibende Dicke zwischen 2 und 5 mm aufweist. Innenform 7 und Außenform 8 sind aus Invar Eisen-Nickel-Legierung ausgeführt und ausgestaltet, dass, wenn die Außenform 8 wie in 2 gezeigt auf der Innenform 7 unter Ausbildung der Kavität 15 aufliegt, Innenform 7 und Außenform 8 an den Rändern ihrer jeweiligen Mantelflächen 12, 13 abdichtend abgeschlossen sind bzw. berührend aufeinander aufliegen.
Die Vorrichtung weist eine Thermoöltemperier- und Druckeinrichtung 16 auf, welche zum einen ausgebildet ist, die Kavität 15 mit einem Thermoöl 17 mit einer Temperatur > 400 °C zu beaufschlagen, so dass aufgrund des Thermoöls 17 ein Druck von etwa 40 bar auf die Trennmembran 14 ausgeübt wird. Da sich das Thermoöl 17 innerhalb der Kavität 15 entlang der gesamten Mantelfläche 13 der Außenform 8 frei verteilen kann, wirkt an jeder Stelle der Trennmembran 14 der Druck von 40 bar in Richtung der Normalen der Mantelfläche 12 der Innenform 7 bzw. zur Erstreckungsrichtung der mit der thermoplastischen Kunststoffmatrix getränkten Faser 1.
Das Thermoöl 17 dient also als Druck- und Heizmedium, um allseitig über die Trennmembran 14 einen gleich bleibenden Konsolidierungsdruck auf die mit der thermoplastischen Kunststoffmatrix getränkten Faser auszuüben sowie um eine gezielte, gleichmäßige Erwärmung der mit der thermoplastischen Kunststoffmatrix getränkten Faser 1. Durch das Thermoöl mit seiner gegenüber mit der thermoplastischen Kunststoffmatrix getränkten Faser 1 wesentlich höheren thermischen Kapazität wird derart der Schmelzvorgang des mit der thermoplastischen Kunststoffmatrix getränkten Faser herbeigeführt. Nach einer vorgegeben Zeitspanne wird das Thermoöl 17 durch die Thermoöltemperier- und Druckeinrichtung 16 auf eine Temperatur < 200 °C bei gleich bleibendem Druck abgekühlt, um das Bauteil 1 zu erhalten. Die Oberflächenstruktur der Trennmembran 14 prägt sich in die Außenseite des Bauteils 1 als Strukturierung ein. Da die Strukturierung beim Herstellen des Bauteils 1 erzeugt wird und somit integrativ mit dem Bauteil 1 verbunden ist, ist die Oberflächenstruktur des Bauteils 1 sehr robust.
In 3 ist jeweils ein Ausschnitt der Trennmembran 14 sowie das fertige Bauteil 1 gezeigt, wobei 3a) als Beispiel die Riblet-Struktur bzw. Haifischhaut des Bauteils 1 zeigt. Durch die Riblet-Struktur weist das Bauteil 1 einen geringen Strömungswidersand auf. Die Ribelt-Struktur weist regelmäßig beabstandete Rippen 24 mit scharfen Spitzen auf, wobei die Spitzen im vorliegenden Ausführungsbeispiel jeweils 50 µm voneinander entfernt sind. Die Höhe der Rippen 24, bzw. die Tiefe der durch die beabstandeten Rippen gebildeten Rillen beträgt im vorliegenden Ausführungsbeispiel jeweils 70 µm. Die Riblet-Strutkur auf der Außenseite des Bauteils 1 wird durch eine Strukturierung auf der Trennmembran 14 geprägt, die einem Negativ der Riblet-Struktur entspricht. In 3b) ist als weiteres Beispiel eine fingerartige Strukturierung der Außenseite des Bauteils 1 gezeigt. Diese Strukturierung erzeugt einen Lotos-Effekt, lässt also Wasser auf der Oberfläche der Außenseite des Bauteils 1 abperlen. Die Finger 25 der fingerartigen Strukturierung sind etwa 100 µm lang, 20 µm breit und jeweils 30 µm voneinander beabstandet. Werden die fingerartigen Strukturen 25 von oben betrachtet sind sie regelmäßig angeordnet, wobei sie ein hexagonales Gitter bilden.
Zum Einbringen des Thermoöls 17 in die Kavität 15 sind in der Außenform 8 verschiedene Zufuhrkanäle 18 vorgesehen, die sich radial durch die Außenform 8 hindurch erstrecken. Zum Heizen bzw. Kühlen sind in der Innenform 7 sowie in der Außenform 8 sich axial erstreckende Heiz- und/oder Kühlkanäle 19 vorgesehen, wodurch eine Vorheizung, Kühlung und/oder Temperaturführung der entsprechenden Form möglich ist. Durch einen in der Innenform 7 vorgesehenen, sich radial durch die Innenform 7 erstreckenden Vakumierkanal 20 lässt sich die Mantelfläche 12 der Innenform 7 mit Unterdruck beaufschlagen.
In der Innenform 7 sind Aussparungen 21 vorgesehen, in die, wie aus 2 zu erkennen ist, ein Stringer 22, links, sowie eine Aufdeckung 23, rechts, eingebracht sind. Angrenzend an die jeweiligen Aussparungen 21 sind mehrere Kühlkanäle 19 angeordnet, die die jeweilige Aussparung 19 umgrenzen. Während Verbindungskontaktflächen des Stringers 22 bzw. der Aufdeckung 23 durch das Thermoöl 17 aufschmelzen und sich mit der mit der thermoplastischen Kunststoffmatrix getränkten Faser 1 verbinden können, dienen die um die Aussparung 21 herum angeordneten Kühlkanäle 19 zur Kühlung des Stringers 22 bzw. der Aufdeckung 23, damit diese unter einer Aufweichungstemperatur verbleiben.
Nach Aushärten des Formteils 1 lässt sich, wie in 1 gezeigt, die Außenform 8 anheben und das Formteil 1 aus dem durch Innenform 7 und Außenform 8 gebildeten Formraum entnehmen. Innenform 7 und Außenform 8 können ausgestaltet sein, ein Bauteil eines Flugzeugs, Fahrzeugs oder Schiffes auszuformen.
Die beschriebenen Ausführungsbeispiele sind lediglich Beispiele, die im Rahmen der Ansprüche auf vielfältige Weise modifiziert und/oder ergänzt werden können. Jedes Merkmal, das für ein bestimmtes Ausführungsbeispiel beschrieben wurde, kann eigenständig oder in Kombination mit anderen Merkmalen in einem beliebigen anderen Ausführungsbeispiel genutzt werden. Jedes Merkmal, dass für ein Ausführungsbeispiel einer bestimmten Kategorie beschrieben wurde, kann auch in entsprechender Weise in einem Ausführungsbeispiel einer anderen Kategorie eingesetzt werden.
Bezugszeichenliste

1: Bauteil, mit einer Matrix imprägnierte Faser
2: C-Gestell
3: Oberem C-Schenkel
4: Unteren C-Schenkel
5: C-Basis
6: Pressenrahmen
7: Innenform
8: Außenform
9: Presszylinder
10: Pfeil
11: Trennmittel
12: Mantelfläche (der Innenform)
13: Mantelfläche (der Außenform)
14: Trennmembran
15: Kavität
16: Thermoöltemperier- und Druckeinrichtung
17: Thermoöl
18: Zuführkanal
19: Heiz- und/oder Kühlkanal
20: Vakumierkanal
21: Aussparung
22: Stringer
23: Aufdickung
24: Rippe
25: Finger

Claims

Verfahren zum Herstellen eines wenigstens teilweise gekrümmten Bauteils (1) mit einer konvexen Außenseite aus einem Faserverbundwerkstoff, mit den Schritten: Einbringen einer mit einer Matrix imprägnierten Faser (1) auf eine Innenform (7) eines zwischen der Innenform (7) und einer Außenform (8) gebildeten Formraums, Einbringen einer Trennmembran (14) auf die mit der Matrix imprägnierten Faser (1) derart, dass sich zwischen der Außenform (8) und der Trennmembran (14) eine sich entlang der Fläche (13) der Außenform (8) erstreckende Kavität (15) bildet, wobei die Trennmembran (14) auf ihrer der mit der Matrix imprägnierten Faser (1) zuwandten Seite eine Oberflächenstruktur aufweist, und Beaufschlagen der Kavität (15) mit einem Thermoöl (17) mit einer Temperatur größer dem Schmelzpunkt der Matrix und mit einem Druck größer Umgebungsdruck derart, dass das Thermoöl (17) mit dem Druck auf die Trennmembran (14) derart einwirkt, dass durch die Oberflächenstruktur der Trennmembran (14) eine Strukturierung der der Trennmembran (14) zugewandten Außenseitseite des Bauteils (1) bewirkt wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Oberflächenstruktur pilzartige, wabenartige, rillenartige und/oder fingerartige Oberflächenstrukturen im Mikrometer oder Millimeterbereich aufweist und/oder mit dem Schritt Erzeugen einer pilzartigen, wabenartigen, schuppenartig, haifischhautartig, rillenartigen und/oder fingerartigen Strukturierung im Mikrometerbereich oder Millimeterbereich auf der Außenseitseite des Bauteils (1).
Verfahren nacheinem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Oberflächenstruktur ein regelmäßiges Muster aufweist und/oder als Haifischhaut ausgebildet ist und/oder mit dem Schritt Erzeugen einer Strukturierung mit einem regelmäßigen Muster und/oder als Haifischhaut auf der Außenseitseite des Bauteils (1).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Strukturierung des Bauteils (1) ausgeführt ist, einen Reibungswiderstand, eine Hydrophilie, eine Hydrophobie und/oder eine Lärmemission des Bauteils (1) zu reduzieren und/oder eine Stabilität des Bauteils (1) zu erhöhen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Trennmembran (14) aus Metall ausgeführt ist und mit dem Schritt: Erzeugen der Oberflächenstruktur der Trennmembran (14) mittels eines mechanischen und/oder eines chemischen Verfahrens.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit dem Schritt Aufbringen insbesondere Sprühen eines Trennmittels (11) auf die Innenform (7), die Außenform (8) und/oder die Trennmembran (14), insbesondere vor dem Einbringen der mit der Matrix imprägnierten Faser (1).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Matrix des Faserverbundwerkstoffes aus einem Thermoplasten ausgeführt ist und/oder die Faser (1) im Faserverbundwerkstoff einen Massenanteil von wenigstens 50% bezogen auf den Faserverbundwerkstoff umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das gekrümmte Bauteil (1) auf seiner Außenseite einen geringeren Faseranteil aufweist als auf seiner Innenseite.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Innenform (7) und/oder die Außenform (8) ausgebildet ist, ein Flugzeugbauteil, ein Schiffsbauteil oder ein Fahrzeugbauteil auszuformen.
Vorrichtung zum Herstellen eines wenigstens teilweise gekrümmten Bauteils (1) mit einer konvexen Außenseite aus einem Faserverbundwerkstoff, mit einer Innenform (7), auf der eine mit einer Matrix imprägnierten Faser (1) aufgebracht ist, einer Trennmembran (14), die auf der mit der Matrix imprägnierten Faser (1) aufgebracht ist, wobei die Trennmembran (14) auf ihrer der mit der Matrix imprägnierten Faser (1) zugewandten Seite eine Oberflächenstruktur aufweist, einer Außenform (8), die auf der Innenform (7) mit der darauf aufgebrachten mit der Matrix imprägnierten Faser (1) und der Trennmembran (14) derart abdichtend aufliegt, dass entlang der Fläche (13) der Außenform (8) eine Kavität (15) gebildet ist, und einer Thermoöltemperier- und Druckeinrichtung (16), welche ausbildet ist, die Kavität (15) mit einem Thermoöl (17) mit einer Temperatur größer dem Schmelzpunkt der Matrix und mit einem Druck größer Umgebungsdruck derart zu beaufschlagen, dass das Thermoöl (17) mit dem Druck auf die Trennmembran (14) einwirkt, so dass durch die Oberflächenstruktur der Trennmembran (14) eine Strukturierung der der Trennmembran (14) zugewandten Außenseitseite des Bauteils (1) bewirkt wird.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Vorrichtungsanspruch, wobei die Oberflächenstruktur pilzartige, wabenartige, rillenartige und/oder fingerartige Oberflächenstrukturen im Mikrometer oder Millimeterbereich aufweist und/oder durch die Beaufschlagung eine pilzartige, wabenartige, rillenartige und/oder fingerartige Strukturierung im Mikrometerbereich oder Millimeterbereich auf der Außenseitseite des Bauteils (1) bewirkt wird.
Vorrichtung nacheinem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüchen, wobei die Oberflächenstruktur ein regelmäßiges Muster aufweist und/oder als Haifischhaut ausgebildet ist und/oder durch die Beaufschlagung eine Strukturierung mit einem regelmäßigen Muster und/oder als Haifischhaut auf der Außenseitseite des Bauteils (1) bewirkt wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, wobei die mit der Matrix imprägnierten Faser (1) eine vorkonsolidierte Halbzeugschale und/oder vorkonsolidierte Einzellagen umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, wobei die Innenform (7) und/oder die Außenform (8) aus Invar ausgestaltet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, wobei die Außenseite des Bauteils (1) einer konvexen Fläche des Bauteils (1) entspricht.