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Die Erfindung betrifft ein Fügeverfahren zum Zusammenfügen eines ersten Werkstücks aus Faserverbundwerkstoff mit einem zweiten Werkstück aus Faserverbundwerkstoff. Weiter betrifft die Erfindung ein Herstellverfahren zum Herstellen einer Großstruktur aus Faserverbundwerkstoff unter Verwendung eines solchen Fügeverfahrens. Weiter betrifft die Erfindung ein durch solche Verfahren erhältliches Bauteil sowie ein Luftfahrzeug mit einem solchen Bauteil.
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Die Erfindung liegt insbesondere auf dem Gebiet der Herstellung von Bauteilen aus Faserverbundwerkstoffen. Faserverbundwerkstoffe werden zum Beispiel immer mehr für Bauteile von Fahrzeugen, wie insbesondere Luftfahrzeugen eingesetzt.
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Besonders bewährt haben sich lastoptimierte faserverstärkte Faserverbundwerkstoffe, bei denen aus Endlosfasern hergestellte Fasergefüge lastoptimiert das Bauteil verstärken.
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Aus der
EP 2 781 342 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen eines lastoptimierten endlosfaser-verstärktem Bauteils durch addtive Fertigung bekannt.
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Aus der
EP 3 231 592 A1 ist ein Verfahren sowie ein damit hergestelltes Bauteil aus einem lastoptimierten endlosfaser-verstärktem Verbundwerkstoff bekannt, wobei ein Polymerwerkstück mit lastorientierten röhrenartigen Öffnungen versehen wird und anschließend eine Endlosfaser in die Öffnung eingefügt und dort fixiert wird.
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Andere in der Technik bekannte und auf dem Markt erhältliche Verfahren sind Pultrusionsverfahren, Drahtbiegeverfahren und Spritzgießen, wie sie beispielsweise von der Firma „Carbon Armors“ angeboten werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Herstellung von lastoptimierten Bauteilen, insbesondere Großstrukturen, mit verbesserter Widerstandskraft gegenüber eingeleiteten Lasten zu vereinfachen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Fügeverfahren nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Verwendungen des Fügeverfahrens sind Gegenstand der Nebenansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die Erfindung betrifft gemäß einem ersten Aspekt davon ein Fügeverfahren zum Zusammenfügen eines ersten Werkstücks aus Faserverbundwerkstoff mit einem zweiten Werkstück aus Faserverbundwerkstoff, umfassend:
- a) Bereitstellen des ersten Werkstücks mit Endlosfasern und/oder durchgängigen Fasern, die in einer Matrix eingebettet sind, und einem ersten Fügebereich, der mit dem zweiten Werkstück zu verbinden ist, so dass Faserbereiche der Endlosfasern und/oder der durchgängigen Fasern an dem Fügebereich hervorstehen,
- b) Bereitstellen des zweiten Werkstücks an dem ersten Fügebereich und Einbetten der aus dem ersten Werkstück vorstehenden Faserbereiche in eine Matrix des zweiten Werkstücks.
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Es ist bevorzugt, dass Schritt b) enthält:
- ba1) Herstellen des zweiten Werkstücks mit einem zweiten Fügebereich, der mit dem ersten Fügebereich zu verbinden ist, und mit rohrförmigen Öffnungen für die Faserbereiche an dem zweiten Fügebereich.
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Es ist bevorzugt, dass Schritt b) enthält:
- ba2) Einfügen der Faserbereiche in die rohrförmigen Öffnungen und Verbinden der eingefügten Faserbereiche mit der Matrix des zweiten Werkstücks.
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Es ist bevorzugt, dass Schritt b) enthält:
- bb) Herstellen des zweiten Werkstücks an dem ersten Fügebereich.
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Es ist bevorzugt, dass Schritt bb) enthält:
- bb1) Bereitstellen eines Fasergerüsts des zweiten Werkstücks an dem ersten Fügebereich.
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Es ist bevorzugt, dass Schritt bb) enthält:
- bb2) Einbetten des Fasergerüsts und der vorstehenden Faserbereiche in die Matrix des zweiten Werkstücks.
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Es ist bevorzugt, dass Schritt bb), insbesondere Schritt bb2), enthält:
- bb2i) Additive Fertigung der Matrix des zweiten Werkstücks.
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Es ist bevorzugt, dass Schritt bb), insbesondere Schritt bb2), enthält:
- bb2ii) Spritzgießen der Matrix des zweiten Werkstücks.
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Es ist bevorzugt, dass Schritt bb) enthält:
- bc1) Additive Fertigung des zweiten Werkstücks um die vorstehenden Faserbereiche herum.
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Vorzugsweise sind wenigstens einer, mehrere oder alle der vorstehenden Faserbereiche durch ein Faserende gebildet. Die vorstehenden Faserbereiche können aber auch durch Faserschlaufen gebildet sein.
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Es ist bevorzugt, dass Schritt a) enthält:
- aa) Herstellen des ersten Werkstücks mit Hilfe eines Faserbiegeverfahrens.
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Vorzugsweise umfasst Schritt aa):
- aa1) Bereitstellen wenigstens eines Faserrohlings aus Endlosfaser und Matrixmaterial, Biegen und/oder Zusammenfügen des wenigstens eines Faserrohlings zu einem Fasergerüst, so dass Faserbereiche des Fasergerüsts an wenigstens einer Seite exponiert sind, und
- aa2) Einbetten des Fasergerüsts in die Matrix des ersten Werkstücks, so dass die exponierten Faserbereiche vorstehen.
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Es ist bevorzugt, dass Schritt a) enthält:
- ab) Herstellen des ersten Werkstücks durch ein Faserinjektionsverfahren.
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Vorzugsweise umfasst Schritt ab):
- ab1) Bereitstellen eines Rohlings aus Matrixmaterial mit rohrförmigen Öffnungen und
- ab2) Einfügen von Endlosfasern oder durchgängigen Fasern in die rohrförmigen Öffnungen, so dass Faserbereiche aus den Öffnungen hervorstehen.
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Es ist bevorzugt, dass Schritt a) enthält:
- ac) Herstellen des ersten Werkstücks durch additive Fertigung, so dass aus einem Matrixmaterial Faserbereiche vorstehen.
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Es ist bevorzugt, dass Schritt aa1) enthält:
- aa1 i) Bereitstellen des Faserrohlings durch Pultrusion.
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Es ist bevorzugt, dass Schritt aa1) enthält:
- aa1 ii) Biegen eines oder mehrerer der Faserrohlinge durch eine Biegemaschine, um eine lastflussgerechte Fasergerüstform zu erzielen.
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Es ist bevorzugt, dass Schritt aa2) enthält:
- aa2i) Umspritzen des Fasergerüsts mit Matrixmaterial.
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Es ist bevorzugt, dass Schritt aa2) enthält:
- aa2ii) Additive Fertigung der Matrix um das Fasergerüst.
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Es ist bevorzugt, dass Schritt ab1) enthält:
- ab1 i) Herstellen des Rohlings durch additive Fertigung.
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Es ist bevorzugt, dass Schritt ab2) enthält:
- ab2i) Einfügen von Endlosfasern und eines aushärtbaren Bindermaterials in die Öffnungen und Aushärten des Bindermaterials zum Verbinden der Endlosfasern mit dem Matrixmaterial des Rohlings.
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Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Herstellverfahren zur Herstellung einer Großstruktur aus Faserverbundwerkstoff, umfassend Herstellen von Kleinstrukturen und Durchführen des Fügeverfahrens nach einer der voranstehenden Ausgestaltungen, um die Kleinstrukturen zum Bilden der Großstruktur zusammenzufügen.
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Es ist bevorzugt, dass als erstes Werkstück ein Anbauteil hergestellt wird und als zweites Werkstück eine Grundstruktur bereitgestellt wird.
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Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Bauteil, zusammengefügt aus einem ersten Werkstück aus Faserverbundwerkstoff und einem zweiten Werkstück aus Faserverbundwerkstoff, wobei das erste Werkstück Endlosfasern oder durchgängige Fasern in einer Matrix aufweist und das zweite Werkstück ein Fasergefüge in einer Matrix aufweist, wobei mehrere der Endlosfasern oder durchgängigen Fasern über einen Fügebereich zwischen dem ersten und dem zweiten Werkstück hinaus in das zweite Werkstück hineinreichen und dort in die Matrix des zweiten Werkstücks eingebettet sind.
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Insbesondere ist das Bauteil ein Bauteil, das durch ein Füge- oder Herstellverfahren nach einer der voranstehenden Ausgestaltungen erhältlich ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Luftfahrzeug, umfassend ein solches Bauteil.
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Ausführungsformen der Erfindung schaffen eine lastoptimierte endlosfaserverstärkte Verbindung von faserverstärkten Verbund-Werkstücken.
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Es sind bereits Techniken auf dem Markt, um integrale dreidimensional verstärkte Großstrukturen aus Faserverbundwerkstoff herzustellen. Je größer die Strukturen sind, umso höher wird hierzu der apparative und fertigungstechnische Aufwand. Ausgestaltungen der Erfindung sehen dagegen eine günstigere Herstellung von Kleinstrukturen und eine Verbindung von Kleinstrukturen zu einer Großstruktur vor. Mit Ausgestaltungen der Erfindung lässt sich diese günstigere Herstelltechnik mit einer verbesserten Lastübertragung an Verbindungsstellen schaffen.
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Derzeitige Technologien zum Zusammenfügen von Werkstücken aus Faserverbundwerkstoff sehen zum Beispiel zusätzliche Verbindungsverstärkungen wie RHEA-Verbindungen - eine Verbindung von dünnen Stachelblechen zwischen durch Co-Bonden oder Co-Curing zusammengefügten Laminaten -, Verstärkungsstifte, Nieten oder dergleichen vor. Diese Verbindungen bieten eine Verstärkung.
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Andere Verbindungstechniken wie Verkleben, Interdiffusion oder Schweißen fügen die jeweiligen Matrixmaterialien zu einer Verbindung zusammen.
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Besonders bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung gehen dagegen den Weg, eine Fügestelle zwischen einem ersten Werkstück und einem Werkstück vorzusehen, wobei die Verstärkungsfasern in dem ersten Werkstück in das zweite Werkstück laufen und dort lastflussgerecht angebunden werden. Beispielsweise ist ein Anbauteil an eine Grundstruktur zu befestigen. Das zum Beispiel als Anbauteil ausgebildete erste Werkstück weist eine vorzugsweise aus Endlosfasern gebildete lastflussgerechte Faserverstärkung auf. Faserbereiche, wie insbesondere Enden der Endlosfasern, stehen über das erste Werkstück (zum Beispiel das Anbauteil) hervor und laufen in das zweite Werkstück (beispielsweise die Grundstruktur).
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Das erste Werkstück wie beispielsweise das Anbauteil, kann über neuartige Techniken zur Herstellung von endlosfaser-verstärkten und volllastoptimierten Faserverbundbauteilen hergestellt werden. Zum Beispiel wird das erste Werkstück mittels eines Faserinjektionsprozesses - Carbon Fiber Injection Process - hergestellt, wie er in der
EP 3 231 592 A1 gezeigt und beschrieben ist. Bei einem anderen Beispiel wird ein dreidimensionales Verstärkungsskelett - beispielsweise hergestellt durch Biegen von Faserrohlingen aus Endlosfaser und Binder ähnlich wie bei Drahtbiegeverfahren von Stahlbetonarmierungen - durch Matrixmaterial umspritzt, oder das Matrixmaterial wird um ein solches Verstärkungsskelett herum additiv gefertigt. Bei einem weiteren Beispiel wird das erste Werkstück durch addtive Fertigung der gesamten Faserverbundstruktur des gesamten ersten Werkstücks hergestellt. Ein Beispiel für ein derartiges additives Fertigungsverfahren ist in der
EP 2 781 342 A1 beschrieben und gezeigt.
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Das Herstellen des ersten Werkstücks geschieht dabei vorzugsweise so, dass lastoptimierte Verstärkungsfasern an dem ersten Werkstück überstehen und in das zweite Werkstück - beispielsweise die Grundstruktur - überfließen bzw. dort vorzugsweise lastflussgerecht angedockt werden.
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Vorteilhaft kann eine günstigere Herstellung einer Großstruktur durch Herstellung von Kleinstrukturen und verbessertes Zusammenfügen erreicht werden.
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Vorteilhaft erfolgt eine Lastübertragung über Verstärkungsfasern und nicht (nur) mittels Adhäsion oder Kohesion.
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Ein Vorteil ist eine deutlich gesteigerte Belastbarkeit. Es gibt keine Probleme bezüglich Temperaturen oder Medienbeständigkeit von Klebern oder sonstigen Verbindungsmedien.
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Ein Vorteil ist, dass ein reduziertes Gewicht in den Werkstücken erreichbar ist. Beispielsweise ist ein reduziertes Gewicht sowohl in einem Anbauteil als auch in einer Grundstruktur erreichbar.
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Vorteilhaft sind die Kosten bei der Herstellung reduziert, insbesondere können die Kosten hinsichtlich des Zusammenfügens verringert werden. Beispielsweise lassen sich Klebezeiten vermeiden.
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Es entstehen Verbindungen, die auch in besonders sicherheitsrelevanten Bauteilen ohne Weiteres eingesetzt werden können und dort auch Bauteile aus Monostrukturen ersetzen können, wobei trotz günstigerer Herstellung und leichterer Fertigung Zulassungsverfahren für sicherheitsrelevante Bereiche einfacher absolviert werden können.
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Zudem sind die durch die Verfahren hergestellten Verbindungen sehr schadenstolerant.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
- 1 eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines Bauteils, welches aus einem ersten Werkstück und einem zweitem Werkstück durch ein Fügeverfahren zusammengefügt worden ist;
- 2 eine schematische Darstellung einer Seitenansicht auf das Bauteil von 1, wobei innere Strukturen verdeutlicht sind
- 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein erstes Werkstück, welches für das Bauteil nach den 1 oder 2 verwendbar ist,
- 4 einen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines Faserrohlings zum Herstellen eines ersten Werkstücks von 3;
- 5 eine perspektivische Ansicht eines Fasergerüsts für das erste Werkstück von 3, welches aus einem Faserrohling gemäß 4 hergestellt worden ist;
- 6 eine Seitenansicht eines Rohlings aus Matrixmaterial mit rohrförmigen Öffnungen im Zuge der Herstellung des ersten Werkstücks gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, wie es in den 1 und 2 verwendet ist;
- 7 eine schematische Darstellung des Rohlings aus 6 während einer Injektion von Endlosfasern im Zuge der Herstellung des ersten Werkstücks;
- 8 eine perspektivische Darstellung des ersten Werkstücks nach der Injektion der Endlosfasern;
- 9 eine perspektivische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels des ersten Werkstücks, hergestellt durch additive Fertigung
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In den 1 und 2 sind unterschiedliche Ansichten eines Ausführungsbeispiels für ein Bauteil 10 eines Luftfahrzeugs 12 dargestellt. Das Bauteil 10 ist ein Beispiel für eine Großstruktur 14 eines aus endlosfaserverstärktem Faserverbundwerkstoff gebildeten Bauelements oder Teils oder Zubehörteils des Luftfahrzeugs 12. Anstelle jedoch die Großstruktur 14 in einem Stück mit entsprechend apparativem Aufwand herzustellen, ist die Großstruktur 14 aus mehreren Kleinstrukturen 16, 18 durch ein Fügeverfahren zusammengefügt.
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In dem Ausführungsbeispiel der 1 und 2 weist das Bauteil 10 als erste Kleinstruktur 16 ein erstes Werkstück 20 und als zweite Kleinstruktur 18 ein zweites Werkstück 22 auf.
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Das erste Werkstück 20 ist aus einem endlosfaserverstärktem Faserverbundwerkstoff hergestellt und weist demnach, durchgängige Fasern 26 auf, die in eine erste Matrix 24 aus einem geeigneten Matrixmaterial, wie insbesondere thermoplastischen Kunststoff, eingebettet sind.
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Das zweite Werkstück 22 ist ebenfalls aus Faserverbundwerkstoff, vorzugsweise ebenfalls aus endlosfaserverstärktem Faserverbundwerkstoff, gebildet. Das zweite Werkstück 22 weist in eine zweite Matrix 28 aus geeignetem Matrixmaterial, wie insbesondere thermoplastischem Kunststoff, eingebettete Fasern, insbesondere durchgängige Fasern 30 auf.
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Das erste Werkstück 20 weist einen ersten Fügebereich 32 auf, und das zweite Werkstück 22 weist einen zweiten Fügebereich 34 auf. Die Werkstücke 20, 22 sind mit ihren Fügebereichen 32, 34 aneinanderliegend zusammengefügt. Hierzu stehen die durchgängigen Fasern 26 des ersten Werkstücks 20 an dem Fügebereich 32 aus dem ersten Werkstück 20 hervor und sind in der zweiten Matrix 28 des zweiten Werkstücks 22 eingebettet. Beispielsweise reichen die durchgängigen Fasern 26 des ersten Werkstücks 20, wie in 2 gezeigt, über ein Fasergerüst aus durchgängigen Fasern 30 des zweiten Werkstücks 22 hinaus und können so Kräfte in das Stützgerüst des zweiten Werkstücks 22 einleiten.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel für das Bauteil 10 handelt es sich zum Beispiel um eine Grundstruktur 36 des Luftfahrzeugs 12 mit einem Anbauteil 38. Beispielsweise ist das zweite Werkstück 22 als Grundstruktur 36 in Form eines Paneels 40, zum Beispiel eines Bodenpaneels oder eines Wandpaneels einer Kabine des Luftfahrzeugs 12 ausgebildet, wobei an dem Paneel 40 als Anbauteil 38 eine Befestigungsöse 42 so angebracht und ausgebildet ist, dass an der Befestigungsöse 42 angreifende Kräfte lastoptimiert aufgenommen werden. Beispielsweise könnte an der in 2 dargestellten Befestigungsöse 42 - Beispiel für das erste Werkstück 20 - eine Befestigungsstrebe (nicht dargestellt) durch Schrauben oder dergleichen befestigt werden, die Kraft in Richtung zur und von der oberen linken Ecke der Darstellung von 2 in die Befestigungsöse 42 einleitet. Die durchgängigen Fasern 26 des als Befestigungsöse 42 ausgebildeten ersten Werkstücks 20 sind zur Aufnahme von derartigen Kräften lastoptimiert.
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Hierzu ist beispielsweise eine erste Endlosfaser 44 von dem zweiten Werkstück 22 ausgehend in das erste Werkstück 20 geführt, dann wenigstens einmal um eine Befestigungsöffnung 46 der Befestigungsöse 42 herumgeführt und dann wieder schräg zur Seite und nach unten in das zweite Werkstück 22 hineingeführt. Eine zweite Endlosfaser 48 verläuft relativ zu einer Längsmittelebene spiegelsymmetrisch zu der ersten Endlosfaser 44. Eine dritte Endlosfaser startet mit einem Anfangsbereich ebenfalls in dem zweiten Werkstück 22, ist in dem Fügebereich 32 in das erste Werkstück 20 geführt, umrundet dort einmal die Befestigungsöffnung 46 und ist auf der gegenüberliegenden Seite des ersten Werkstücks 20, spiegelsymmetrisch zu dem Anfangsbereich wieder aus dem ersten Werkstück 20 in das zweite Werkstück 22 hineingeführt.
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So sind die durchgängigen Fasern 26 des ersten Werkstücks 20 mit aus dem ersten Werkstück 20 herausragenden Faserbereichen 52 in dem zweiten Werkstück 22 verankert.
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Die Ausführungsform des Bauteils 10, wie sie in den 1 und 2 dargestellt ist, ist lediglich ein Ausführungsbeispiel für eine komplexere Großstruktur 14 aus Faserverbundwerkstoff. Anstelle einer Ausbildung als Paneel 40 und Befestigungsöse 42 sind selbstverständlich sehr unterschiedliche Formen denkbar. Das Prinzip der Herstellung der Großstruktur 14 aus mehreren Kleinstrukturen 16, 18 die mittels aus den Kleinstrukturen in die jeweils andere Kleinstruktur hineinragenden durchgängigen Fasern 26 aneinander verankert sind, lässt sich auf vielfältige Bauteile an einem Luftfahrzeug 12 übertragen.
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Das Zusammenfügen des ersten Werkstücks 20 und des zweiten Werkstücks 22 erfolgt bei einem Ausführungsbeispiel durch:
- a) Bereitstellen des ersten Werkstücks 20 mit den Endlosfasern 44, 48, 50 oder den durchgängigen Fasern 26, die in der ersten Matrix 24 eingebettet sind, so dass Faserbereiche 52 der Endlosfasern 44, 48, 50 bzw. der durchgängigen Fasern 26 an dem ersten Fügebereich 32 aus dem ersten Werkstück 20 hervorstehen und
- b) Bereitstellen des zweiten Werkstücks 22 an dem ersten Fügebereich 32 und Einbetten der aus dem ersten Werkstück 20 hervorstehenden Faserbereiche 52 in die zweite Matrix 28 des zweiten Werkstücks 22.
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Die Schritte a) und b) können nacheinander oder gleichzeitig durchgeführt werden.
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Im Folgenden werden unterschiedliche Ausführungsbeispiele für eine Herstellverfahren zum Herstellen von Ausführungsformen des Bauteils 10 gemäß den 1 und 2 näher erläutert.
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Bei einer Ausgestaltung, wie sie anhand der 3 bis 5 erläutert wird, und einer weiteren Ausgestaltung, wie sie anhand der 9 erläutert wird, erfolgt zunächst eine Herstellung des ersten Werkstücks 20 und somit zunächst eine Durchführung des Schrittes a).
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Bei einer weiteren Ausführungsform, wie sie im Folgenden anhand der 6 bis 8 erläutert wird, werden zunächst Rohlinge 60 für die erste und zweite Matrix bereitgestellt, um dann die Endlosfasern 44, 46, 50 bzw. durchgängigen Fasern 26 in röhrenförmige Öffnungen 62, 64 zu injizieren. Dies kann zunächst nur an dem ersten Werkstück 20 durchgeführt werden, so dass Schritt a) alleine durchgeführt wird. Es kann aber auch bereits unter Zusammenfügen der Fügebereiche 32, 34 erfolgen, so dass dies ein Ausführungsbeispiel dafür darstellt, dass die Schritte a) und b) gemeinsam durchgeführt werden.
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Zunächst wird anhand der 3 bis 5 eine erste Variante zur Herstellung des ersten Werkstücks 20 näher erläutert. 3 zeigt hierbei eine weitere Ausführungsform für das als Befestigungsöse 42 ausgebildete Anbauteil 38 als Beispiel für das zweite Werkstück 22, welches aus endlosverstärktem Faserverbundmaterial derart bereitgestellt wird, dass in die erste Matrix 24 eingebettete durchgängige Fasern 26 der Endlosfaserverstärkung mit Faserbereichen 50 an dem Fügebereich 32 hervorstehen.
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Um dieses erste Werkstück 20 mit vorstehenden Faserbereichen 52 und der Endlosfaserverstärkung auszubilden, wird zunächst durch ein Pultrusionsverfahren ein in 4 dargestellter Faserrohling 56 aus Endlosfaser 44 und Bindermaterial oder Matrixmaterial 54 hergestellt. Das Matrixmaterial 54 ist insbesondere ein Thermoplast. Dieser Faserrohling 56 wird anschließend unter Anwendung einer entsprechenden Temperatur zur Erweichung des Matrixmaterials 54 und unter Anwendung von Biegeverfahren, wie sie beispielsweise bei einer Drahtbiegung zum Einsatz kommen, zu einem Fasergerüst 58 geformt, wie es in 5 dargestellt ist. Das Fasergerüst 58 ist hierzu aus vier Stücken Endlosfaser 44, 48, 50 geformt, die um einen später die Befestigungsöffnung 56 bildenden Bereich herumgebogen sind und an einem später den Fügebereich 32 bildenden Bereich mit Faserbereichen 52 vorstehen.
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Um dieses Fasergerüst 58 herum wird anschließend die erste Matrix 24 des ersten Werkstücks 20 ausgebildet.
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Dies kann durch Umspritzen des Fasergerüsts 58 in einem Spritzgussverfahren erfolgen, das so durchgeführt wird, dass die Enden der Stücke Endlosfaser 44, 48, 50 an dem Fügebereich vorstehen, wie dies in 3 angedeutet ist.
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Bei einer anderen Ausgestaltung wird die erste Matrix 24 an dem Fasergerüst 58 durch additive Herstellung (3D-Druck) um das Fasergrüst 58 hergestellt.
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Zum Zusammenfügen des so ausgebildeten ersten Werkstücks
20 mit dem zweiten Werkstück
22 kann dieses zweite Werkstück
22 mit Öffnungen an dem zweiten Fügebereich
34 ausgebildet sein, in die dann die Faserbereiche
52 zusammen mit einem Binder, vorzugsweise einem duroplastischen Binder eingefügt werden, um so die Faserbereiche in der zweiten Matrix
28 des zweiten Werkstücks
22 zu fixieren. Die Technik des Einführens der Faserbereiche
52 ist der Technik der Faserinjektion nachgebildet, wie sie im Einzelnen in der
EP 3 231 592 A1 beschrieben und gezeigt ist.
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Bei einer anderen Variante wird das zweite Werkstück 22 am dem ersten Fügebereich 32 hergestellt.
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Hierzu kann analog, wie dies für das erste Werkstück in den 3 bis 5 erläutert ist, erst ein Fasergerüst 58 des zweiten Werstücks 22 bereitgestellt werden, und dann die zweite Matrix zum Beispiel additiv oder durch Spritzgießen hinzugefügt werden.
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Bei einer anderen Variante wird das zweite Werkstück 22 an dem ersten Fügebereich 32 um die vorstehenden Faserbereiche 52 herum additiv gefertigt.
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Die 3 bis 5 zeigen somit ein Beispiel für die Herstellung des ersten Werkstücks durch Warmbiegen in Verbindung mit Spritzgusstechniken zum Herstellen der Werkstücke 20, 22.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Warmbiege-Spritzgussverfahren werden folgende Schritte durchgeführt:
- 1. Erzeugung von einer Verstärkungsstruktur mit Verlängerungen - Fasergerüst 58 mit heraustehenden Faserbereiche 52 - an dem ersten Werkstück 20
- 2. Überspritzen der Verstärkungsstruktur
- 3. Einfügen der Faserbereiche 52 in Hohlräume des zweiten Werkstücks 22
- 4. Verbinden der vorstehenden Faserbereiche 52 mit einer Verstärkungsstruktur des zweiten Werkstücks 22 (zum Beispiel durch Formschluss, Schweißen, usw.)
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Bei einem konkreten Ausführungsbeispiel werden unidirektionale Kohlenstofffaserbündel - Rovings - in Kombination mit einem thermoplastischen Matrixmaterial zu einem „Draht“ in Form des Faserrohlings 56 geformt. Der Faserrohling 56 hat zum Beispiel einen Durchmesser von 2 mm bis 12 mm, insbesondere 8 mm.
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Anschließend erfolgt eine „Drahtbiegung“. Durch lokales Erwärmen in Kombination mit konventionellen Drahtbiegetechnologien, werden die Faserrohlinge 56 in dreidimensionale Bewehrungen geformt.
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Die Bewehrungen aus dem vorangegangenen Schritt werden in einer Spritzgussform fixiert und dort überspritzt. Dadurch entsteht das Teil, wie es in einem Ausführungsbeispiel in 3 dargestellt ist.
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Eine andere mögliche Ausgestaltung der Herstellweise der Werkstücke 20, 22 wird im Folgenden anhand der 6 bis 8 näher erläutert. Hierbei werden die durchgängigen Fasern 26 oder Endlosfasern 44, 48, 50 in einen vorher gefertigten Rohling 60 aus Matrixmaterial injiziert. Ein solches Endlosfaser-Injektions-Formverfahren hat vorzugsweise folgende Schritte:
- 1. Bereitstellen des Rohlings 60 aus Matrixmaterial mit röhrenförmigen Öffnungen 62 für die durchgängigen Fasern 26
- 2. Injizieren der Endlosfaser mit Bindermaterial
- 3. Aushärten
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Beispielsweise wird als Rohling 60 ein Polymerteil mit lastorientierten Hohlräumen durch additive Fertigung, insbesondere durch 3D-Druck hergestellt.
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Bei einem in den 6 bis 8 dargestellten Ausführungsbeispiel wird auch das zweite Werkstück 22 bereits mit Hohlräumen - zweite röhrenförmigen Öffnungen 64 - bereitgestellt. Das zweite Werkstück 22 kann bereits mit seinen durchgängigen Fasern 30 und der zweiten Matrix 28 bereitgestellt werden, wobei noch zweite röhrenförmige Öffnungen 64 zum Einfügen der vorstehenden Faserbereiche 52 vorgesehen sind. Die zweiten röhrenförmigen Öffnungen 64 des zweiten Werkstücks 22 sind zu den ersten röhrenförmigen Öffnungen 62 des ersten Werkstücks 20 ausgerichtet, wenn die Werkstücke 20, 22 mit ihren Fügebereichen 32, 34 aneinander ausgerichtet sind.
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Anschließend werden Fasern 26 in das zweite Werkstück 22 und das erste Werkstück 20 injiziert, dies erfolgt zusammen mit einem warmhärtenden Material Harz. Dieses dient als Binder oder Kleber für die Fasern.
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6 zeigt hierzu den Rohling 60 aus Matrixmaterial für das erste Werkstück 20 und das zweite Werkstück 22 mit den zweiten röhrenförmigen Öffnungen 64. 7 zeigt den Schritt der Injektion der Endlosfasern 44, 48, 50 in die röhrenförmigen Öffnungen 62, 64. 8 zeigt dann das fertige erste Werkstück 20 mit dem endgültigen Faserverlauf von dessen Endlosfasern 44, 48, 50.
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Bei einer anderen Variante wird eines der Werkstücke 20, 22 durch das Warmbiege-Spritzgussverfahren (wie gemäß den 3 bis 5 erläutert) hergestellt, während das andere Werkstück 20, 22 durch das Endlosfaser-Injektions-Verfahren hergestellt wird.
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Ausführungsbeispiele des Faserinjektionsformverfahrens, insbesondere Kohlenstofffaserinjektionsformverfahren (kurz CFIP) umfassen beispielsweise die folgenden Schritte:
- 1. Entwerfen eines Werkstücks 20, 22 mit röhrenförmigen Hohlräumen oder Öffnungen 62, 64;
- 2. Herstellung dieses Teils - Rohling 60 - durch additive Fertigungsverfahren
- 3. Injizieren von Endlosfasern
- 4. Aushärten
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Schritt 1 enthält zum Beispiel das Ausbilden von Faserhohlräumen, insbesondere von röhrenförmigen Öffnungen 62, 64 von 2 mm bis 4 mm Querschnittsdurchmesser.
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Der Faserweg - Verlauf der röhrenförmigen Öffnungen 62, 64 - kann sehr komplex und gebogen sein, er muss nicht gerade sein. Es können dadurch Verstärkungen mit durchgängigen Fasern 26, z. B. von 40 bis 60cm Länge, auch in kleineren Anbauteilen verwirklicht werden.
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In dem Schritt kann der Rohling 60 aus Matrixmaterial als Struktur hergestellt werden. Es kann aber auch eine additive Herstellung eines Polymerteils als Werkzeug zur Faserinjektion erfolgen. In dem Ausführungsbeispiel der 6 und 7 wird beispielsweise das zweite Werkstück 22 mit zweiten röhrenförmigen Öffnungen 64 ausgeformt, wodurch dann die Injektion der ersten durchgängigen Fasern 26 des ersten Werkstücks 20 erfolgen kann.
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In Schritt 3 können Endlosfasern
44,
48,
50 injiziert werden. Nähere Einzelheiten zum möglichen Verfahren können der
EP 3 231 592 A2 entnommen werden. Vorzugsweise enthält Schritt 3 nicht nur die Injektion von Fasern, sondern auch eines warmhärtenden Harzes in die röhrenförmigen Öffnungen
62.
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Es kann die Injektion von trockenen Fasern mit einem flüssigen Harzsystem erfolgen. Hierdurch ist man in der Auswahl der Fasern und in der Auswahl des Harzes frei.
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In Schritt 4 wird dann das Harzmaterial ausgehärtet. Es bildet so eine mechanische Schnittstelle zwischen den Fasern und dem Rohling 60 bzw. auch dem zweiten Werkstück 22.
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Der Rohling 60 kann beispielsweise aus PEEK durch additive Fertigung hergestellt werden.
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In 9 ist eine weitere Möglichkeit der Herstellung eines der Werkstücke 20, 22 und insbesondere des ersten Werkstücks 20 mit herausragenden Faserbereichen 52 angedeutet.
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Die Herstellung erfolgt hier durch 3D-Druck sowohl der durchgängigen Fasern 26 als auch der ersten Matrix 24. Es sind bereits Technologien für den 3D-Druck von endlosfaserverstärkten Bauteilen auf dem Markt. Hierzu lassen sich zum Beispiel zunächst ein Fasergerüst - ähnlich wie das Fasergerüst 58 oder wie das Fasergerüst aus den Endlosfasern 44, 48, 50 drucken und es lässt sich auch die Matrix drucken.
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Bei einem möglichen Verfahren wird durch ein solches 3D-Druckverfahren das zweite Werkstück 22 mit der zweiten Matrix 28 und den zweiten durchgängigen Fasern 30 und mit röhrenförmigen Öffnungen 64 wie in den 6 und 7 angedeutet gedruckt.
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Anschließend wird die Plastikphase - der Rohling 60 aus Matrixmaterial - des ersten Werkstücks 20 direkt auf das zweite Werkstück 22 gedruckt. Faserverstärkungen können in Hohlräume in dem zweiten Werkstück 22 eingefügt werden. Dann wird die Plastikphase des ersten Werkstücks 20 direkt auf das zweite Werkstück gedruckt, wobei auch die in dem ersten Werkstück 20 verlaufenden durchgängigen Fasern 26 als Verlängerungen der in die röhrenförmige Öffnungen 62, 64 eingefügten Faserbereiche 52 durch 3D-Druck hergestellt werden.
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Der 3D-Druck des ersten Werkstücks und/oder des zweiten Werkstücks lässt sich auf unterschiedliche Art und Weise durchführen. Hierzu gibt es bereits einige Technologien von unterschiedlichen Herstellern auf dem Markt.
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Ein 3D-Druck sowohl der Kunststofffaser als auch der Verstärkungsfaser des ersten und/oder des zweiten Werkstücks 20, 22 bietet die Möglichkeit einer vollen Optimierung anisotropischer Materialeigenschaften und die Möglichkeit der automatisierten Herstellung.
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Beispielsweise lassen sich Endlosfaserverstärkungen drucken, wobei das Fasergerüst aus Matrixmaterial wie PEEK, Endloskohlenstofffasern und Nanofüllstoffen gebildet sind. Die Stärke in 0 Grad zur unidirektionalen Richtung kann so mehr als 1.400 MPA betragen, das Modul kann so größer als eine 20 GPa betragen.
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Die Herstellung kann auf einem Mehrachsen-Roboterarm-3D-Drucker erfolgen. Es können sowohl eine Endlosfaserherstellung als auch eine Polymerherstellung erfolgen. Auch können laserbasierte Aktivierungssysteme mit höchster Lagen-zu-Lagen-Adhäsion verwendet werden.
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Viele weitere Verfahren zur Herstellung der Werkstücke 20, 22 sind möglich.
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Bei allen gleich ist, dass Faserbereiche 52 - dies können Endbereiche oder Schlaufen sein - der durchgängigen Fasern 26 der Faserverstärkung des ersten Werkstücks 20 aus dem ersten Werkstück 20 hervorstehen und in dem zweiten Werkstück 22 eingebettet sind und dort vorzugsweise lastoptimiert sind.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Bauteil
- 12
- Luftfahrzeug
- 14
- Großstruktur
- 16
- erste Kleinstruktur
- 18
- zweite Kleinstruktur
- 20
- erstes Werkstück
- 22
- zweites Werkstück
- 24
- erste Matrix
- 26
- durchgängige Faser (erstes Werkstück)
- 28
- zweite Matrix
- 30
- durchgängige Faser (zweites Werkstück)
- 32
- erster Fügebereich
- 34
- zweiter Fügebereich
- 36
- Grundstruktur
- 38
- Anbauteil
- 40
- Paneel
- 42
- Befestigungsöse
- 44
- erste Endlosfaser
- 46
- Befestigungsöffnung
- 48
- zweite Endlosfaser
- 50
- dritte Endlosfaser
- 52
- Faserbereich
- 54
- Matrixmaterial
- 56
- Faserrohling
- 58
- Fasergerüst
- 60
- Rohling aus Matrixmaterial
- 62
- röhrenförmige Öffnungen (erstes Werkstück)
- 64
- röhrenförmige Öffnungen (zweites Werkstück)
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2781342 A1 [0004, 0040]
- EP 3231592 A1 [0005, 0040, 0069]
- EP 3231592 A2 [0088]
