DE102019116817A1

DE102019116817A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines Profilbauteils

Info

Publication number: DE102019116817A1
Application number: DE102019116817.1A
Authority: DE
Inventors: Erik Kappel; Michael Albrecht
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2019-06-21
Filing date: 2019-06-21
Publication date: 2020-12-24
Anticipated expiration: 2039-06-22
Also published as: DE102019116817B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Profilbauteils aus einem Faserverbundwerkstoff aufweisend ein Fasermaterial und ein das Fasermaterial einbettendes Matrixmaterial, wobei das Profilbauteil zumindest abschnittsweise einen profilierten Querschnitt hat, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:- Bereitstellen mindestens eines keilförmigen Hilfswerkzeuges, bei dem eine erste Seitenfläche und eine zweite Seitenfläche unter einem spitzen Winkel zusammenlaufen;- Einlegen des mindestens einen keilförmigen Hilfswerkzeuges in das bereitgestellte Formwerkzeug derart, dass das keilförmige Hilfswerkzeug mit der ersten Seitenfläche auf der Werkzeugoberfläche aufliegt,- Bereitstellen eines Faserlagenstapels, der aus einer Mehrzahl von einzelnen Faserlagen des Fasermaterials gebildet ist;- Auflegen des bereitgestellten Faserlagenstapels auf das bereitgestellte Formwerkzeug derart,- Umformen des aufgelegten Faserlagenstapels, indem eine durch eine Vakuumabdeckung gebildeten Vakuumkavität, unter der der aufgelegte Faserlagenstapel eingeschlossen ist, evakuiert wird, so dass der aufgelegte Faserlagenstapel auf die Werkzeugoberfläche gedrückt und dabei umgeformt wird;- Entfernen des keilförmigen Hilfswerkzeuges nach dem Umformen des Faserlagenstapels; und- Aushärten des das Fasermaterial einbettende Matrixmaterials des umgeformten Faserlagenstapels zur Herstellung des Profilbauteils.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Profilbauteils aus einem Faserverbundwerkstoff aufweisend ein Fasermaterial und ein das Fasermaterial einbettendes Matrixmaterial, wobei das Profilbauteil zumindest abschnittsweise einen profilierten Querschnitt hat. Die Erfindung betrifft ebenso eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens hierzu.
Aufgrund der gewichtsspezifischen Festigkeit und Steifigkeit sind Faserverbundwerkstoffe aus der Luft- und Raumfahrt sowie aus anderen gewichtskritischen Bereichen kaum mehr wegzudenken. Faserverbundwerkstoffe weisen dabei hauptsächlich zwei wesentliche Bestandteile auf, nämlich zum einen ein Fasermaterial und zum anderen ein das Fasermaterial einbettendes Matrixmaterial. Bei der Herstellung von Faserverbund-Bauteilen aus einem solchen Faserverbundwerkstoff wird dabei in der Regel das Fasermaterial in die entsprechende spätere Bauteilform gebracht und anschließend dann das Matrixmaterial ausgehärtet. Das Aushärten geschieht in den allermeisten Fällen durch Temperatur- und gegebenenfalls Druckbeaufschlagung, wobei durch das Aushärten die lasttragenden Fasern des Fasermaterials in ihre vorbestimmte Richtung gezwungen werden und dabei zusammen mit dem ausgehärteten Matrixmaterial eine integrale Einheit zur Lastabtragung bilden.
Das Matrixmaterial, welches das Fasermaterial des Faserverbundwerkstoffes entsprechend einbettet, kann dabei bereits in dem Fasermaterial enthalten sein (sogenannte Prepregs) oder später in eine sogenannte Faserpreform, die aus trockenen Fasermaterialien aufgebaut wurde, in einem Infusionsprozess infundiert werden. Eine Faserpreform stellt dabei eine Art Vorbauteil (Preform) dar, das aus dem Fasermaterial des Faserverbundwerkstoffes gebildet und dabei zumindest teilweise die spätere Bauteilform des herzustellenden Faserverbundbauteils enthält. Durch das Aushärten des Matrixmaterials, welches in dem Fasermaterial der Faserpreform eingebettet ist, kann so das Faserverbundbauteil hergestellt werden. Die Faserpreform kann demzufolge sowohl aus trockenem Fasermaterial als auch aus vorimprägnierten Fasermaterialien eines Faserverbundwerkstoffes hergestellt werden.
Faserverbundbauteile weisen bei der Herstellung gegenüber isotropen Werkstoffen einige Nachteile auf, da die Bauteilform eines Faserverbundbauteils in der Regel durch entsprechende Formwerkzeuge gebildet werden muss, welche eine Art Negativabdruck des späteren Bauteils darstellen. Die Herstellung komplexer Bauteilgeometrien kann dabei werkstoffbedingt sehr kosten- und zeitintensiv werden, was die Stückkosten deutlich erhöht.
Ein Flugzeugrumpf, der aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt werden soll, wird dabei in der Regel aus schalen- oder röhrenförmigen Teilsegmenten zusammengesetzt. Die Teilsegmente bestehen dabei aus einer dünnen Haut, die eine gekrümmte Form aufweist und so dem späteren Flugzeugrumpf seine röhrenförmigen Form verleiht. Die dünne Haut wird im Inneren durch gekrümmte Spante in Umfangsrichtung und durch gerade Stringerversteifungen in Längsrichtung gestützt, sodass die dünne Haut des Flugzeugsrumpfes durch die Stringerversteifungen und durch die gekrümmten Spante seine Stabilität verliehen bekommt. Sowohl Spante als auch Stringer sind dabei Profilbauteile, die einen profilierten Querschnitt haben, um auch Lasten aus der Faserebene heraus (bspw. Biegebelastungen, Torsionsbelastungen, etc.) aufnehmen zu können.
Aus der DE 10 2016 124 966 A1 ist eine Bauteilstruktur mit wenigstens einem gekrümmten Flächenbauteil bekannt, wobei an dem gekrümmten Flächenbauteil in Umfangsrichtung der Krümmung des gekrümmten Flächenbauteils entsprechende Versteifungsbauteile angeordnet sind. Das gekrümmte Versteifungsbauteil ist aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt und bildet Biegeabschnitte aus, die mit Stegversteifungen gefestigt werden.
Solche Profilbauteile, wie beispielsweise Stringer oder Spante von Flugzeugrümpfen, werden in der Regel aus einer Vielzahl von Einzellagen eines Fasermaterials des verwendeten Faserverbundwerkstoffes hergestellt. Insbesondere bei Profilbauteilen, deren profilierte Querschnitte mehrfache Krümmungen in verschiedene Krümmungsrichtungen (d. h. sowohl Krümmungen in eine konvexe Krümmungsrichtung als auch Krümmungen in eine konkave Krümmungsrichtungen) aufweisen, erfolgt die Herstellung derartiger Profilbauteile in der Regel weitgehend manuell, was bedeutet, dass Faserlage für Faserlage händisch nacheinander auf einem Werkzeug abgelegt werden muss.
Bei einfachen Querschnittsformen, wie beispielsweise L-Profile oder C-Profile, die lediglich Krümmungen in eine einzige Krümmungsrichtung aufweisen, hat sich in der Praxis das Thermoforming etabliert, bei dem ein vorkonfektionierter Faserlagenstapel bestehend aus einer Mehrzahl von einzelnen Faserlagen auf die notwendige Prozesstemperatur erwärmt und mittels einer hochelastischen Membran unter Einsatz von Vakuum aus der ebenen Form in die gekrümmte Form gebracht wird. Die Membran dichtet dabei die Vakuumkavität mittels Kontakt zum Werkzeug gegenüber der Umgebung ab, wobei durch Evakuieren der Vakuumkavität ein Differenzdruck erzeugt wird, der den Faserlagenstapel auf die Werkzeugoberfläche des Formwerkzeuges drückt. Hierdurch wird der Faserlagenstapel aus der ebenen Form in die gewünschte Bauteilform gebracht.
Allerdings ist dieser Prozess des Thermoformings nur möglich, wenn ausschließlich Positivformen verwendet werden. Eine Formung in eine Negativform ist mit dieser Art des Umformens bei Faserverbundwerkstoffen insbesondere zur Herstellung von Profilbauteilen technologisch nicht möglich, da durch den zunehmenden Differenzdruck aufgrund der voranschreitenden Evakuierung sich die Reibungskräfte zwischen der Werkzeugoberfläche und des Fasermaterials erhöhen und der Umformung entgegen wirken. Gerade das Anformen an konvexe Krümmungsrichtungen des Formwerkzeuges ist oftmals mit dem Thermoforming nicht zu realisieren, da die Reibungskräfte aufgrund des Differenzdruckes ein vollständiges Anliegen des Fasermaterials im Krümmungsbereich verhindern. Es prägt sich dann das sogenannte „Corner Bridging“ aus, was die unvollständige Anformung an das Werkzeug beschreibt. Hier bilden sich dann im späteren Prozessverlauf Matrixansammlungen oder Lagenondulationen aus, die aus struktureller Sicht ebenfalls kritisch sind und zur Unbrauchbarkeit des Bauteils führen.
Daher können heutzutage Profilbauteile mit komplexer mit Querschnittsgeometrie und wechselnden Krümmungsrichtungen nur händisch hergestellt werden, indem jede einzelne Faserlage in das entsprechende Formwerkzeug eingebracht wird. Allerdings muss dabei aufgrund der Herstellervorgaben der Lagenaufbau mehrmals zwischenkompaktiert werden, um sogenannte „Bulking-Effekte“ zu verhindern. Hierzu ist meist ein temporärer Vakuumaufbau nötig, was zeit- und kostenintensiv ist, wobei das Zwischenkompaktieren bei derzeitigen Stringern für Flugzeugrümpfen bis zu 30 Minuten in Anspruch nehmen kann.
Es besteht daher ein Bedürfnis, solche Profilbauteile mit komplexer Querschnittsgeometrie mithilfe von automatisierten Ablegeprozessen herzustellen, bei denen das Fasermaterial mithilfe von an Robotern angeordneten Faserlegeköpfen automatisiert abgelegt wird. Hierdurch ließe sich die Prozesszeit deutlich verringern. Eine derartige automatisierte Fertigungsanlage ist beispielsweise aus der DE 10 2010 015 027 A1 bekannt.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Verfahren sowie Vorrichtung anzugeben, mit dem sich auch Profilbauteile mit komplexer Querschnittsgeometrie, insbesondere Z-Profile und Ω-Profile, weitestgehend automatisiert herstellen lassen.
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie der Vorrichtung gemäß Anspruch 9 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung finden sich in den entsprechenden Unteransprüchen.
Gemäß Patentanspruch 1 wird ein Verfahren zur Herstellung eines Profilbauteils aus einem Faserverbundwerkstoff aufweisend ein Fasermaterial und ein das Fasermaterial einbettendes Matrixmaterial vorgeschlagen, wobei das Profilbauteil zumindest abschnittsweise einen profilierten Querschnitt hat. Unter einem profilierten Querschnitt im Sinne der vorliegenden Erfindung wird eine Querschnittsform verstanden, die durch Extrusion zu einem Profilkörper wird. Ein Profilbauteil weist dabei insbesondere mehrere Krümmungen auf, sodass ein solches Profilbauteil auch Belastungen aus der Faserebene heraus aufnehmen und abtragen kann. Solche profilierten Querschnitte können dabei insbesondere Z-Profile oder Ω-Profile sein.
Gattungsgemäß wird zunächst ein Formwerkzeug bereitgestellt, das eine Werkzeugoberfläche hat, die mindestens einen formgebenden Profilabschnitt zur Ausformung des profilierten Querschnittes des Profilbauteils hat. Die formgebende Werkzeugoberfläche ist dabei so ausgebildet, dass durch Drapieren von Fasermaterial des Faserverbundwerkstoffes auf die formgebende Werkzeugoberfläche des Formwerkzeuges die spätere Geometrie des Profilbauteils erzeugt wird. Die formgebende Werkzeugoberfläche weist in ihrem formgebenden Profilabschnitt demnach eine Form auf, die dem profilierten Querschnitt des herzustellenden Profilbauteils entspricht.
Erfindungsgemäß wird nun vorgeschlagen, dass mindestens ein keilförmiges Hilfswerkzeug bereitgestellt wird, bei dem eine erste Seitenfläche und eine zweite Seitenfläche unter einem spitzen Winkel zusammenlaufen. Die erste Seitenfläche ist dabei so ausgebildet, dass sie auf die formgebende Werkzeugoberfläche in einem vorgesehenen Abschnitt aufgelegt werden kann. Die zweite Seitenfläche bildet dabei hilfsweise einen Teil der Werkzeugoberfläche und ändert demnach die Form der Werkzeugoberfläche ab. Die zweite Seitenfläche verläuft dabei unter dem spitzen Winkel von der Werkzeugoberfläche weg.
Während die erste Seitenfläche des keilförmigen Hilfswerkzeuges zumindest ansatzweise, bevorzugt vollständig, der Form der formgebenden Werkzeugoberfläche entsprechen sollte, damit das keilförmige Hilfswerkzeug auf das Werkzeug aufgelegt werden kann, muss die zweite Seitenfläche des keilförmigen Hilfswerkzeug nicht zwingend eine ebene bzw. plane Form aufweisen. Vielmehr ist entscheidend, dass der spitze Winkel durch eine Mittelung der Form der beiden Seitenflächen definiert wird. Insbesondere verläuft die zweite Seitenfläche schräg.
Dieses so bereitgestellte keilförmige Hilfswerkzeug wird nun in das bereitgestellte Formwerkzeug derart eingelegt, dass das keilförmige Hilfswerkzeug mit der ersten Seitenfläche auf der Werkzeugoberfläche aufliegt, die zweite Seitenfläche einen Teil der Werkzeugoberfläche bildet und der spitze Winkel zwischen den beiden zusammenlaufenden Seitenflächen in Richtung des formgebenden Profilabschnittes des Formwerkzeuges zeigt. Ausgehend von dem formgebenden Profilabschnitt des Formwerkzeuges in Richtung Außenbereich des Formwerkzeuges wird die formgebende Werkzeugoberfläche ab dem keilförmigen Hilfswerkzeug durch die zweite Seitenfläche des keilförmigen Hilfswerkzeuges verändert, insbesondere nach oben verlaufend verändert.
Zur Herstellung des Profilbauteils wird nun ein Faserlagenstapel bereitgestellt, der aus einer Mehrzahl von einzelnen Faserlagen des Fasermaterials gebildet ist. Ein solcher Faserlagenstapel ist dabei insbesondere eben bzw. plan und durch geeignete Maßnahmen im Wesentlichen biegesteif ausgebildet. Dies kann beispielsweise durch das Aktivieren eines Bindermaterials erfolgen. Dies kann aber auch durch eine geeignete Auswahl eines entsprechenden Matrixmaterials erfolgen, dass bei Raumtemperatur den Faserlagenstapel eine gewisse Festigkeit und Steifigkeit verleiht, ohne jedoch vollständig ausgehärtet zu sein. Ein solcher Lagenstapel kann in einer ebenen Kontur abgelegt werden, so dass die Herstellung des Lagenstapels an sich automatisierbar ist.
Dieser so bereits gelegte Faserlagenstapel wird nun auf das bereitgestellte Formwerkzeug aufgelegt, sodass sich der Faserlagenstapel von dem formgebenden Profilabschnitt hin zu dem keilförmigen Hilfswerkzeug erstreckt. Mit anderen Worten, der so aufgelegte Faserlagenstapel berührt in diesem Verfahrensschritt den formgebenden Profilabschnitt des Formwerkzeuges sowie das mindestens eine keilförmige Hilfswerkzeug.
Anschließend erfolgt der Prozessschritt des Umformens des aufgelegten Faserlagenstapels in die vorgegebene Form des Profilbauteils, indem eine durch eine Vakuumabdeckung gebildete Vakuumkavität, unter der der aufgelegte Faserlagenstapel luftdicht eingeschlossen ist, evakuiert wird, sodass der aufgelegte Faserlagenstapel auf die Werkzeugoberfläche aufgrund des Differenzdruckes gedrückt und dabei umgeformt wird. Durch das Andrücken des Faserlagenstapels an den formgebenden Profilabschnitt des Formwerkzeuges aufgrund des Differenzdruckes nimmt der Faserlagenstapel die Form des Formwerkzeuges an, wodurch die Form des Profilbauteils hergestellt wird.
Durch das keilförmige Hilfswerkzeug wird dabei der Bereich des Faserlagenstapels zwischen dem formgebenden Profilabschnitt und dem Hilfswerkzeug derart vorgekrümmt, dass durch weitere Evakuierung der Faserlagenstapel vollständig an den formgebenden Profilabschnitt zur Ausformung des profilierten Querschnittes des Profilbauteils angedrückt wird. Je nach Größe des Faserlagenstapels gleiten die Randbereiche des Faserlagenstapels an der zweiten Seitenfläche des keilförmigen Hilfswerkzeuges in Richtung Werkzeugoberfläche, wodurch erreicht wird, dass der Faserlagenstapel an sämtliche Krümmungen des Profilabschnittes angeformt wird.
Anschließend wird das mindestens eine keilförmige Hilfswerkzeug nach dem Umformen des Faserlagenstapels entfernt, sodass nunmehr der an das Formwerkzeug und seine Werkzeugoberfläche angeformte Faserlagenstapel die vollständige Bauteilgeometrie angenommen hat. Im letzten Wesentlichen Prozessschritt wird dann das Matrixmaterial, welches das Fasermaterial des umgeformten Faserlagenstapels einbettet, zur Herstellung des Profilbauteils ausgehärtet.
Mithilfe der vorliegenden Erfindung wird es möglich, auch komplexe Querschnittsformen von Profilbauteilen aus einem Faserverbundwerkstoff in einem nahezu vollständig automatisierten Herstellungsverfahren herzustellen, da die Verwendung der keilförmigen Hilfswerkzeuge temporär auf der Werkzeugoberfläche des Formwerkzeuges zur Unterstützung der Anformung dazu führt, dass vorkonfektionierte Faserlagenstapel verwendet werden können, die beispielsweise in einem automatisierten Prozess hergestellt wurden. Es hat sich gezeigt, dass die Verwendung der keilförmigen Hilfswerkzeuge eine Umformung vorkonfektionierter Faserlagenstapel ermöglichen, ohne dass die Reibkräfte der Umformung entgegen wirken und sich das sogenannte „Corner Bridging“ ausbildet. Die Verwendung vorkonfektionierter Faserlagenstapel in dem erfindungsgemäßen Umformprozess führt des Weiteren dazu, dass auf das mehrmalige Zwischenkompaktieren verzichtet werden kann, wodurch eine nicht unerhebliche Verkürzung der Herstellungszyklen erreicht werden kann. Das lagenweise, händische Ablegen der Einzellagen entfällt.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass für den Schritt des Umformens des Faserlagenstapels dieser mittels einer Temperiereinrichtung auf eine vorgegebene Prozesstemperatur erwärmt wird. Die Prozesstemperatur hängt dabei insbesondere von den verwendeten Materialien des Faserverbundwerkstoffes ab, vor allem von den Werkstoffeigenschaften des Matrixmaterials.
Hierdurch kann das erfindungsgemäße Verfahren auch im Bereich des Thermoformings eingesetzt werden, um Profilbauteile mit einem komplexen Querschnitt (mehrfache Krümmungen in wechselnden Krümmungsrichtungen) basierend auf vorkonfektionierten Faserlagenstapeln herstellen zu können.
Gemäß einer Ausführungsform kann es sich bei dem profilierten Querschnitt des Profilbauteils um ein Z-Profil oder ein Ω-Profil handeln. Geometrisch betrachtet handelt es sich bei Profilbauteilen um vergleichsweise einfache Extrusionskörper mit meist konstantem Querschnitt, was jedoch nicht zwingend ist.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das mindestens eine keilförmige Hilfswerkzeug derart in das bereitgestellte Formwerkzeug eingelegt wird, dass zwischen dem formgebenden Profilabschnitt des Formwerkzeuges und dem eingelegten keilförmigen Hilfswerkzeug eine Kavität gebildet wird, wobei der Faserlagenstapel so auf das Formwerkzeug gelegt wird, dass sich der Faserlagenstapel von dem formgebenden Profilabschnitt über die gebildete Kavität bis hin zu dem keilförmigen Hilfswerkzeug erstreckt.
Der Faserlagenstapel überdeckt demnach die durch das eingelegte keilförmige Hilfswerkzeug und dem formgebenden Profilabschnitt des Formwerkzeuges gebildete Kavität, wobei basierend auf dem Differenzdruck beim Evakuieren der Vakuumkavität der Faserlagenstapel in diese durch Hilfswerkzeug und Profilabschnitt gebildete Kavität hineingedrückt wird. Beim Hineindrücken des Faserlagenstapels formt sich das Fasermaterial des Faserlagenstapels an die Kontur der Kavität an und nimmt dabei deren Form an, um so die Form des herzustellenden Profilbauteils zu bilden. Da auch ein Teil des Faserlagenstapels die Form des Hilfswerkzeuges annimmt, genauer gesagt den Teil, der durch die zweite Seitenfläche des keilförmigen Hilfswerkzeuges gebildet wird, muss das keilförmige Hilfswerkzeug nach dem Umformprozess so entfernt werden, dass es den umgeformten Faserlagenstapel nicht weiter kontaktiert. Der Teil des Faserlagenstapels, der das Hilfswerkzeug zuvor kontaktiert hat, wird nun zurück auf die Werkzeugoberfläche des Formwerkzeuges geführt, sodass während des Aushärtens des Matrixmaterials die Form des herzustellenden Profilbauteils ausschließlich durch die formgebende Werkzeugoberfläche des Formwerkzeuges definiert wird.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein Formwerkzeug bereitgestellt wird, welches einen symmetrischen formgebenden Profilabschnitt mit zwei Symmetrieseiten hat, um einen symmetrischen profilierten Querschnitt des Profilbauteils zu bilden. Dies ist beispielsweise für Profilbauteile mit einem Ω-Profil notwendig, bei dem der Querschnitt des Profilbauteils gespiegelt an einer Symmetrieachse symmetrisch ist (innerhalb von Fertigungstoleranzen). Jede Symmetrieseite des formgebenden Profilabschnittes hat dabei wenigstens zwei Krümmungen mit voneinander verschiedenen Krümmungsrichtungen, wobei gegenüber jeder Symmetrieseite jeweils ein keilförmiges Hilfswerkzeug eingelegt wird, sodass sich der Faserlagenstapel nach dem Auflegen auf das Formwerkzeug von dem ersten keilförmigen Hilfswerkzeug über den formgebenden Profilabschnitt bis hin zum zweiten keilförmigen Hilfswerkzeug erstreckt. Dabei wird zwischen dem ersten keilförmigen Hilfswerkzeug und dem formgebenden Profilabschnitt eine erste Kavität gebildet, während zwischen dem zweiten keilförmigen Hilfswerkzeug und dem formgebenden Profilabschnitt eine zweite Kavität gebildet wird. Beide Kavitäten werden dabei durch den aufgelegten Faserlagenstapel abgedeckt und beim Evakuieren der Vakuumkavität wird der Faserlagenstapel in diese beiden Kavitäten hineingeformt.
Jede Symmetrieseite, der ein entsprechendes keilförmiges Hilfswerkzeug zugeordnet ist, weist dabei sowohl eine konkave als auch eine konvexe Krümmung auf, sodass sich entlang des Querschnittes die Krümmungsrichtung ändert und von einer ersten Krümmungsrichtung in eine zweite Krümmungsrichtung wechselt. Mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens wird es dabei möglich, einen vorkonfektionierten Faserlagenstapel in eine derartige Querschnittsform mit wechselnden Krümmungsrichtungen umzuformen, wodurch der Vorteil erreicht wird, dass der Faserlagenstapel automatisiert hergestellt werden kann und anschließend nahezu automatisiert umgeformt werden kann. Es ist nicht mehr erforderlich, den Faserlagenstapel händisch in dem Formwerkzeug herzustellen.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein Formwerkzeug bereitgestellt wird, bei dem der formgebende Profilabschnitt ein Positivwerkzeug ist und aus einer neutralen Werkzeugebene der Werkzeugoberfläche heraussteht, wobei das mindestens eine keilförmige Hilfswerkzeug mit seiner ersten Seitenfläche auf die neutrale Werkzeugebene der Werkzeugoberfläche aufgelegt wird. Die zweite Seitenfläche des keilförmigen Hilfswerkzeuges bildet dann einen Teil der formgebenden Werkzeugoberfläche und ist Teil der entsprechenden Kavität zwischen Hilfswerkzeug und Profilabschnitt.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Faserlagenstapel durch Herstellen bereitgestellt wird, indem einzelne Faserlagen des Fasermaterials lagenweise übereinander gelegt werden. Das lagenweise übereinander legen kann dabei mithilfe einer automatisierten Faser-Legevorrichtung bzw. Faserlegeanlage erfolgen.
Hierbei kann vorgesehen sein, dass der Faserlagenstapel auf einem separaten zweiten Formwerkzeug, welches eine ebene Werkzeugoberfläche hat, durch einbringen der einzelnen Faserlagen in das zweite Formwerkzeug hergestellt wird, um einen ebenen, flächigen Faserlagenstapel zu bilden. Dieser Faserlagenstapel ist nach der Herstellung insbesondere biegesteif derart, dass er auf das Formwerkzeug zur Herstellung des Profilbauteils abgelegt werden kann.
Die Aufgabe wird im Übrigen auch mit der Vorrichtung gemäß Anspruch neun zur Herstellung eines Profilbauteils aus einem Faserverbundwerkstoff aufweisend ein Fasermaterial und ein das Fasermaterial einbettendes Matrixmaterial gelöst, wobei das Profilbauteil zumindest abschnittsweise einen profilierten Querschnitt hat. Die Vorrichtung hat ein Formwerkzeug mit einer Werkzeugoberfläche, die einen formgebenden Profilabschnitt zur Ausformung des profilierten Querschnittes des Profilbauteils hat, sowie mindestens ein keilförmiges Hilfswerkzeug, bei dem eine erste Seitenfläche und eine zweite Seitenfläche unter einem spitzen Winkel zusammenlaufen.
Die Vorrichtung ist dabei zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens ausgebildet. Insbesondere ist das mindestens eine keilförmige Hilfswerkzeug lösbar mit der Werkzeugoberfläche verbindbar.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

1 perspektivische Darstellung eines Profilbauteils mit Ω-Profil;
2 schematische Darstellung des Umformprozesses ist, wie aus dem Stand der Technik bekannt ist;
3 schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Umformprozesses.

1 zeigt in einer perspektivischen Darstellung ein Profilbauteil 10 mit einem Ω-Profil. Das Profil des Profilbauteils 10 weist dabei eine Symmetrie mit einer ersten Symmetrieseite 11 und einer zweiten Symmetrieseite 12 auf. Jede Symmetrieseite 11 und 12 hat dabei mindestens zwei Krümmungen 13, deren Krümmungsrichtung wechselt. So hat die erste Symmetrieseite 11 sowohl eine konkave als auch eine konvexe Krümmung 13, während die zweite Symmetrieseite ebenfalls eine konkave und eine konvexe Krümmung 13 hat. Durch diese sich ab wechselnden Krümmungsrichtungen wird schließlich das Q-Profil des Profilbauteils 10 gebildet.
Hergestellt wird ein solches Profilbauteil 10 aus einem vorkonfektionierten, ebenen Faserlagenstapel, der aus einer Mehrzahl von einzelnen Faserlagen, die übereinander gelegt werden, besteht.
2 zeigt in einer schematisch stark vereinfachten Form das Wirkprinzip beim Umformen ohne Keileinleger. Es wird zunächst ein Formwerkzeug 100 bereitgestellt, das in 2 nur ausschnittsweise mit der rechten Symmetrieseite gezeigt ist. Das Formwerkzeug 100 hat einen formgebenden Profilabschnitt 110, mit dem die aus der 1 gezeigten Krümmungen 13 einer entsprechenden Symmetrieseite hergestellt werden sollen.
Auf das Formwerkzeug 100 wurde ein vorkonfektionierter Faserlagenstapel 20 aufgelegt, der aus einer Vielzahl von einzelnen Faserlagen eines Fasermaterials eines Faserverbundwerkstoffes besteht. Aufgrund der Verwendung eines Prepreg-Fasermaterials und der Vielzahl von einzelnen Faserlagen weist der Faserlagenstapel 20 eine gewisse Eigensteifigkeit auf, sodass der Faserlagenstapel 20 auf das Formwerkzeug 100 und dem herausstehenden Profilabschnitt 110 aufgelegt werden kann.
Der Faserlagenstapel 20 wird sodann mit einer Vakuumabdeckung 120 verschlossen, wobei sich bei der Vakuumabdeckung 120 um eine hochflexible Vakuumfolie handeln kann. Durch das Abdecken des Faserlagenstapels 20 mit der Vakuumabdeckung 120 wird eine Vakuumkavität 130 ausgebildet die im Folgenden nun mittels einer Vakuumpumpe evakuiert wird.
Dabei wird der Faserlagenstapel auf die formgebende Werkzeugoberfläche des Formwerkzeuges 100 angedrückt. Bei dem in 2 gezeigten Prozess entstehen dabei aufgrund des Differenzdruckes Reibungskräfte zwischen dem Faserlagenstapel 20 und der formgebenden Werkzeugoberfläche des Formwerkzeuges 100 derart, dass in einer konvexe Krümmung 13 des formgebenden Profilabschnittes 110 sich das Fasermaterial des Faserlagenstapels 20 nicht vollständig an die Oberfläche anformt. Es bildet sich in diesem Bereich eine unvollständige Anformung an das Werkzeug aus, sodass das spätere herzustellende Bauteil eine Formabweichung hat. Ebenso bilden sich in diesem Bereich Harzansammlungen und Faserwelligkeiten, die aus strukturelle sich ebenfalls kritisch sind und zur Unbrauchbarkeit des Bauteils führen können.
3 zeigt in einer schematisch stark vereinfachten Darstellung das erfindungsgemäße Verfahren mithilfe eines keilförmigen Hilfswerkzeuges 200 das keilförmige Hilfswerkzeug 200 weist eine erste Seitenfläche 210 und eine zweite Seitenfläche 220 auf, die unter einem spitzen Winkel 230 zusammenlaufen. Von diesem spitzen Winkel 230 erstreckt sich sowohl die erste Seitenfläche 210 als auch die zweite Seitenfläche 220.
Das keilförmige Hilfswerkzeug 200 wird dabei mit der ersten Seitenfläche 210 auf die formgebende Werkzeugoberfläche des Formwerkzeuges 100 gelegt, sodass ab dem spitzen Winkel 230 die zweite Seitenfläche 220 des keilförmigen Hilfswerkzeuges 200 einen Teil der formgebenden Werkzeugoberfläche des Formwerkzeuges 100 bildet.
Wird nun der Faserlagenstapel 20 sowie die Vakuumabdeckung 120 aufgelegt, so bildet sich zwischen dem formgebenden Profilabschnitt 110 des Formwerkzeuges 100 und dem keilförmigen Hilfswerkzeug 200 eine Kavität 140, die Teil der Vakuumkavität 130 ist. Der Faserlagenstapel 20 erstreckt sich dabei von dem formgebenden Profilabschnitt 110 bis zu dem keilförmigen Hilfswerkzeug 200 und liegt dabei an dem keilförmigen Hilfswerkzeug 200 an, insbesondere an dessen zweiter Seitenfläche 220.
Wird nun die Vakuumkavität 130 und damit auch die gebildete Kavität 140 evakuiert, so wird aufgrund des Differenzdruckes der Faserlagenstapel 20 in die Kavität 140 hineingedrückt. Aufgrund des keilförmigen Hilfswerkzeuges 200 und dessen abgeschrägter zweiter Seitenfläche 220 wird der Faserlagenstapel 200 im Bereich der Kavität 140 vorgekrümmt derart, dass trotz der Reinigungskräfte beim Kontakt mit dem Formwerkzeug 100 das Fasermaterial des Faserlagenstapels 20 auch in den konvexen Krümmungen 13 formschlüssig auf der Werkzeugoberfläche aufliegt. Mithilfe des keilförmigen Hilfswerkzeuges 200 somit erreicht, dass der vorkonfektionierte Faserlagenstapel 20 sich vollständig an die formgebende Werkzeugoberfläche anformt und sich keine unvollständige Anformung ausbildet.
Ist dieser Umformprozess abgeschlossen, so wird das keilförmige Hilfswerkzeug 200 entfernt. Der an dem keilförmigen Hilfswerkzeug 200, genauer gesagt an der zweiten Seitenfläche 220, anliegende Rest des Faserlagenstapels 20 formt sich dann nach dem Entfernen des keilförmigen Hilfswerkzeuges 200 an das Formwerkzeug 100 an, sodass die gewünschte Bauteilgeometrie erzielt werden kann.
Mithilfe der vorliegenden Erfindung wird es somit möglich, einen vorkonfektionierte Faserlagenstapel 20 zu verwenden, um Bauteile mit komplexer Geometrie herzustellen. Insbesondere Profilbauteile mit unterschiedlichen Krümmungsrichtungen lassen sich auf diese Weise herstellen. Dadurch kann der Herstellungsprozess in Teilen automatisiert werden.
Bezugszeichenliste

10: Profilbauteil
11: erste Symmetrieseite
12: zweite Symmetrieseite
13: Krümmungen
20: Faserlagenstapel
100: Formwerkzeug
110: Profilabschnitt
120: Vakuumabdeckung
130: Vakuumkavität
140: Kavität
200: keilförmiges Hilfswerkzeug
210: erste Seitenfläche
220: zweite Seitenfläche
230: spitzer Winkel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102016124966 A1 [0006]
DE 102010015027 A1 [0011]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Profilbauteils (10) aus einem Faserverbundwerkstoff aufweisend ein Fasermaterial und ein das Fasermaterial einbettendes Matrixmaterial, wobei das Profilbauteil (10) zumindest abschnittsweise einen profilierten Querschnitt hat, mit - Bereitstellen eines Formwerkzeuges (100) mit einer Werkzeugoberfläche, die einen formgebenden Profilabschnitt (110) zur Ausformung des profilierten Querschnittes des Profilbauteils (10) hat; dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: - Bereitstellen mindestens eines keilförmigen Hilfswerkzeuges (200), bei dem eine erste Seitenfläche (210) und eine zweite Seitenfläche (220) unter einem spitzen Winkel (230) zusammenlaufen; - Einlegen des mindestens einen keilförmigen Hilfswerkzeuges (200) in das bereitgestellte Formwerkzeug (100) derart, dass das keilförmige Hilfswerkzeug (200) mit der ersten Seitenfläche (210) auf der Werkzeugoberfläche aufliegt, die zweite Seitenfläche (220) einen Teil der Werkzeugoberfläche bildet und der spitze Winkel (230) zwischen den beiden zusammenlaufenden Seitenflächen (210, 220) in Richtung des formgebenden Profilabschnittes (110) des Formwerkzeuges (100) ausgerichtet ist; - Bereitstellen eines Faserlagenstapels (20), der aus einer Mehrzahl von einzelnen Faserlagen des Fasermaterials gebildet ist; - Auflegen des bereitgestellten Faserlagenstapels (20) auf das bereitgestellte Formwerkzeug (100) derart, dass sich der Faserlagenstapel (20) von dem formgebenden Profilabschnitt (110) hin zu dem keilförmigen Hilfswerkzeug (200) erstreckt; - Umformen des aufgelegten Faserlagenstapels (20), indem eine durch eine Vakuumabdeckung (120) gebildeten Vakuumkavität (130), unter der der aufgelegte Faserlagenstapel (20) eingeschlossen ist, evakuiert wird, so dass der aufgelegte Faserlagenstapel (20) auf die Werkzeugoberfläche gedrückt und dabei umgeformt wird; - Entfernen des keilförmigen Hilfswerkzeuges (200) nach dem Umformen des Faserlagenstapels (20); und - Aushärten des das Fasermaterial einbettende Matrixmaterials des umgeformten Faserlagenstapels (20) zur Herstellung des Profilbauteils (10).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für den Schritt des Umformens des Faserlagenstapels (20) dieser mittels einer Temperiereinrichtung auf eine vorgegebene Prozesstemperatur erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der profilierte Querschnitt des Profilbauteils (10) ein Z-Profil oder ein Ω-Profil ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine keilförmige Hilfswerkzeug (200) derart in das bereitgestellte Formwerkzeug (100) eingelegt wird, dass zwischen dem formgebenden Profilabschnitt (110) des Formwerkzeuges (100) und dem eingelegten keilförmigen Hilfswerkzeug (200) eine Kavität (140) gebildet wird, wobei der Faserlagenstapel (20) so auf das Formwerkzeug (100) gelegt wird, dass sich der Faserlagenstapel (20) von dem formgebenden Profilabschnitt (110) über die gebildete Kavität (140) bis hin zu dem keilförmigen Hilfswerkzeug (200) erstreckt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Formwerkzeug (100) bereitgestellt wird, welches einen symmetrischen formgebenden Profilabschnitt (110) mit zwei Symmetrieseiten (11, 12) hat, um einen symmetrischen profilierten Querschnitt des Profilbauteils (10) zu bilden, wobei jede Symmetrieseite (11, 12) des formgebenden Profilabschnittes (110) wenigstens zwei Krümmungen (13) mit voneinander verschiedenen Krümmungsrichtungen hat, und wobei gegenüber jeder Symmetrieseite (11, 12) jeweils ein keilförmiges Hilfswerkzeug (200) eingelegt wird, so dass sich der Faserlagenstapel (20) nach dem Auflegen auf das Formwerkzeug (100) von dem ersten keilförmigen Hilfswerkzeug (200) über den formgebenden Profilabschnitt (110) bis hin zum zweiten keilförmigen Hilfswerkzeug (200) erstreckt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Formwerkzeug (100) bereitgestellt wird, bei dem der formgebende Profilabschnitt (110) ein Positivwerkzeug ist und aus einer neutralen Werkzeugebene der Werkzeugoberfläche heraussteht, wobei das mindestens eine keilförmige Hilfswerkzeug (200) mit seiner ersten Seitenfläche (210) auf die neutrale Werkzeugebene der Werkzeugoberfläche aufgelegt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserlagenstapel (20) durch Herstellen bereitgestellt wird, indem einzelne Faserlagen des Fasermaterials lagenweise übereinander gelegt werden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserlagenstapel (20) auf einem separaten zweiten Formwerkzeug (100), welches eine ebene Werkzeugoberfläche hat, durch Einbringen der einzelnen Faserlagen in das zweite Formwerkzeug (100) hergestellt wird, um einen ebenen, flächigen Faserlagenstapel (20) zu bilden.
Vorrichtung zur Herstellung eines Profilbauteils (10) aus einem Faserverbundwerkstoff aufweisend ein Fasermaterial und ein das Fasermaterial einbettendes Matrixmaterial, wobei das Profilbauteil (10) zumindest abschnittsweise einen profilierten Querschnitt hat, mit einem Formwerkzeug (100) mit einer Werkzeugoberfläche, die einen formgebenden Profilabschnitt (110) zur Ausformung des profilierten Querschnittes des Profilbauteils (10) hat, und mindestens einem keilförmigen Hilfswerkzeug (200), bei dem eine erste Seitenfläche (210) und eine zweite Seitenfläche (220) unter einem spitzen Winkel (230) zusammenlaufen, wobei die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.