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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Herstellen eines Strukturbauteils für ein Luftfahrzeug aus einem Verbundwerkstoff. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Strukturbauteils für ein Luftfahrzeug aus einem Verbundwerkstoff, sowie ein Luftfahrzeug.
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Zum Bau moderner Flugzeuge werden zunehmend Verbundwerkstoffe verwendet. Insbesondere kommen kohlenstofffaserverstärkte Materialien zum Einsatz, um Strukturbauteile von Flugzeugen herzustellen, die insbesondere für die Herstellung des Rumpfes aber auch für die Herstellung der Tragflächen und der Leitwerke vorgesehen sind. Derartige Materialien sind besonders leicht, so dass damit Gewicht eingespart und somit der Treibstoffverbrauch reduziert wird. Andererseits müssen sie aber eine sehr hohe Festigkeit aufweisen. Die Bauteile sind oftmals komplex geschichtet und können eine komplexe Form haben, weshalb ihre Herstellung einen hohen Zeitaufwand und hohe Kosten verursacht.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die Herstellung komplexer Strukturbauteile aus Verbundmaterial für Flugzeuge und insbesondere für den Rumpf zu ermöglichen, und dabei die Produktionszeit und die Produktionskosten zu verringern.
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Die Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Die Erfindung schafft eine Anordnung zum Herstellen eines Strukturbauteils für ein Luftfahrzeug aus einem Verbundwerkstoff, umfassend:
- einen Schichtaufbau, der eine erste Schicht aus einem Verbundwerkstoff und eine zweite Schicht umfasst, wobei zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht ein vorgeformtes, flexibles Folienelement angeordnet ist, und wobei die erste Schicht einen Zustand annehmen kann, in dem sie plastisch verformbar und konsolidierbar ist;
- und eine Pressvorrichtung, die mindestens zwei gegeneinander bewegbare Presselemente umfasst, zum Pressen des Schichtaufbaus, wobei das flexible Folienelement ein Formwerkzeug für die erste Schicht bildet, und wobei die zweite Schicht ein Gegendruckelement beim Anpressen der ersten Schicht an das formgebende flexible Folienelement bildet.
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Durch die Erfindung können unter Einsparung von Produktionszeit und -kosten komplex geschichtete Strukturen oder Bauteile für Luftfahrzeuge aus Verbundwerkstoffen und insbesondere aus mit Kohlenstofffasern verstärkten Verbundwerkstoffen hergestellt werden, beispielsweise für den Flugzeugrumpf, die Tragflächen, Höhen- und Seitenleitwerke, usw.
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Durch die Erfindung wird es zudem möglich, derartige Bauteile oder Strukturen mit variierender Dicke und variierender Oberflächengeometrie bzw. Topografie herzustellen.
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Insbesondere kann die Pressvorrichtung so ausgestaltet sein, dass die beiden Presselemente kontinuierlich und/oder semikontinuierlich, das heißt mit einer oder mit mehreren Unterbrechungen der Bewegung bzw. der Druckerzeugung, gegeneinander bewegbar bzw. gegeneinander fahrbar sind.
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Insbesondere kann die Pressvorrichtung so ausgestaltet sein, dass beim Pressen eine Relativbewegung des Schichtaufbaus zur Pressvorrichtung stattfindet.
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Die Pressvorrichtung kann insbesondere als eine Doppelbandpresse ausgestaltet sein oder eine Doppelbandpresse umfassen. Auch kann die Pressvorrichtung zum Beispiel als eine Intervallheißpresse ausgestaltet sein oder eine Intervallheißpresse umfassen.
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Das Pressen mittels Intervall-Heißpressen zeichnet sich dadurch aus, dass dabei ortsfeste Bearbeitungszonen mit Temperaturzonen und mit festen Werkzeugen Verwendung finden. Der Materialfluss wird während des Pressvorgangs unterbrochen, so dass der Vorschub des Schichtaufbaus in Intervallen verläuft.
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Bevorzugt umfasst die erste Schicht thermoplastisches Material oder ein mit Fasern und insbesondere mit Kohlenstofffasern versehenes thermoplastisches Material.
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Vorteilhaft umfasst die zweite Schicht ein thermoplastisches Material oder ein mit Kohlenstofffasern versehenes thermoplastisches Material.
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Insbesondere bildet das thermoplastische Material der ersten Schicht und/oder der zweiten Schicht eine Matrix. Die erste Schicht und/oder die zweite Schicht bzw. das thermoplastische Material sind insbesondere durch Wärmeeinwirkung bzw. durch Anhebung der Temperatur plastifizierbar. Die Fließfähigkeit des thermoplastischen Materials bzw. der Kunststoffmasse unter kombinierter Einwirkung von Temperatur und Druck wird für die Warmverformbarkeit genutzt. Der fließfähige faserverstärkte Thermoplast (Laminat, Patch, etc.) wird im Prozess in die gewünschte Form gebracht und wird nach der Formgebung abgekühlt.
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Zum Beispiel umfasst die zweite Schicht das gleiche Material wie die erste Schicht.
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Insbesondere ist die zweite Schicht aus einem Material gebildet, das eine höhere Schmelztemperatur hat als die erste Schicht.
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Bevorzugt umfasst die zweite Schicht ein mit Glasfasern versehenes thermoplastisches Material.
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Der Schichtaufbau ist zum Beispiel aus Laminaten gebildet und besteht beispielsweise aus identischen und/oder unterschiedlichen Einzelschichten. Der Aufbau kann die finale Sequenz partiell oder vollständig abbilden. Der Schichtaufbau kann die gesamte Komponente bzw. das Bauteil oder nur Teilbereiche davon abbilden.
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Vorteilhafterweise ist das Folienelement aus einem Kunststoff gefertigt.
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Insbesondere ist das Folienelement aus thermoplastischem Material gefertigt.
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Vorteilhaft ist das Folienelement als ein Blister ausgestaltet. Dabei bildet ein Kunststofffolienformteil, insbesondere ein thermogeformtes Kunststofffolienformteil, das Folienelement bzw. den Blister. Ein derartiger Blister ist zum Beispiel im Detail beschrieben in der Druckschrift
DE 10 2016 208 974 A1 . Das Kunststofffolienformteil umfasst bevorzugt ein Polymer und einen Zuschlagsstoff, wobei das Polymer insbesondere zwischen 1 bis 20 Volumenprozent des Zuschlagsstoffs basierend auf 100
Volumenprozent des Polymers aufweisen kann und der Zuschlagsstoff bevorzugt zumindest bereichsweise so in dem Polymer verteilt ist,
dass ein Wärmeausdehnungskoeffizient des Kunststofffolienformteils von einem Wärmeausdehnungskoeffizient des Polymers verschieden ist.
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Zum Beispiel ist das Folienelement aus Metall gefertigt.
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Vorteilhaft weist das Folienelement eine oder mehrere Erhebungen und/oder Vertiefungen auf, um durch das Pressen des Schichtaufbaus in der ersten Schicht Bereiche mit unterschiedlichen Dicken auszubilden.
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Beispielsweise ist die Geometrie bzw. Topografie des Folienelements, das heißt seine Erhebungen und/oder Vertiefungen, durch Tiefziehen gebildet.
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Dabei kann das Folienelement einen oder mehrere stufenartige und/oder glatte Übergänge zu seinen Erhebungen bzw. Vertiefungen aufweisen, die beim Pressen auf die erste Schicht übertragen werden.
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Vorteilhafterweise hat das Folienelement während des Pressvorgangs bei der vorgegebenen Temperatur eine höhere Formstabilität als die erste Schicht. Beispielsweise hat das Folienelement dabei auch eine höhere Formstabilität als die zweite Schicht.
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Insbesondere ist das Folienelement so gestaltet, dass es beim Pressen in der Pressvorrichtung seine eingeprägte Form bzw. seine vorgegebene Geometrie oder Flächengeometrie behält.
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Der Schichtaufbau kann auch so ausgestaltet sein, dass das Folienelement beim Pressen mit mindestens einem Abschnitt in Kontakt mit einem der Presselemente der Pressvorrichtung ist.
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Beispielsweise umfasst der Schichtaufbau ein weiteres Folienelement und eine weitere zweite Schicht, wobei sich die erste Schicht zwischen den beiden an die erste Schicht angrenzenden Folienelementen befindet.
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Bevorzugt ist am Folienelement mindestens ein Verstärkungselement angeordnet.
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Vorteilhaft ist am Folienelement mindestens ein Sensorelement angeordnet. Dabei dient eine funktionelle Einheit zur direkten oder indirekten Erfassung von Feldvariablen/Prozessgrößen und/oder derer Änderungen. Sie kann permanent oder temporär implementiert werden und die registrierten Daten passiv oder aktiv übermitteln. Je nach Ausführung kann die Einheit punktuelle Werte oder räumliche Gradiente wiedergeben.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines Strukturbauteils für ein Luftfahrzeug aus einem Verbundwerkstoff angegeben, umfassend die Schritte:
- - Bereitstellen eines Schichtaufbaus, der eine erste Schicht aus einem Verbundwerkstoff und eine zweite Schicht umfasst, wobei zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht ein vorgeformtes flexibles Folienelement angeordnet ist, und wobei die erste Schicht einen Zustand annehmen kann, in dem sie plastisch verformbar und konsolidierbar ist;
- - Pressen des Schichtaufbaus mit Hilfe von mindestens zwei gegeneinander bewegbaren Presselementen (11, 12) einer Pressvorrichtung, wobei das Folienelement ein Formwerkzeug für die erste Schicht bildet, und wobei die zweite Schicht ein Gegendruckelement beim Anpressen der ersten Schicht an das formgebende Folienelement bildet;
- - Konsolidieren zumindest der ersten Schicht.
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Bevorzugt wird das Verfahren mit einer erfindungsgemäßen Anordnung durchgeführt.
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Bevorzugt wird vor dem Pressen und/oder beim Pressen der Schichtaufbau beheizt, zum Beispiel durch Heizelemente, die bevorzugt an der Pressvorrichtung angeordnet sind.
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Bevorzugt wird nach dem Pressen des Schichtaufbaus die erste Schicht konsolidiert. Das Konsolidieren erfolgt insbesondere durch Abkühlen. Bevorzugt sind hierzu Kühlelemente an der Pressvorrichtung angeordnet.
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Bevorzugt wird nach dem Pressen des Schichtaufbaus die erste Schicht teilweise konsolidiert und anschließend zusammen mit dem Folienelement umgeformt, wobei sie zum Beispiel gebogen wird, und nach dem Umformen vollständig konsolidiert.
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Vorteilhaft wird das Verfahren mit demselben Folienelement wiederholt durchgeführt, um eine Vielzahl gleichartig geformter Strukturbauteile herzustellen.
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Insbesondere ist das Folienelement als endloses Band ausgestaltet und durchläuft mehrfach die Pressvorrichtung, um dabei jeweils eine weitere erste Schicht zu formen.
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Bevorzugt wird das Verfahren mit derselben zweiten Schicht wiederholt, wobei zum Beispiel ein andersartig geformtes Folienelement verwendet wird und das Material für die zweite Schicht so gewählt wird, dass es sich beim Pressen an die Form des Folienelements anpasst.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Luftfahrzeug geschaffen, das ein Strukturbauteil umfasst, das mit der erfindungsgemäßen Anordnung und/oder mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Anordnung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung als Längsschnitt;
- 2 eine schematische Darstellung eines beispielhaften Folienelements, das in der Anordnung verwendet wird;
- 3a bis 3d schematische Darstellungen unterschiedlicher Schichtaufbauten mit Folienelementen, jeweils als Längsschnitt;
- 4 eine schematische Darstellung einer Anordnung gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung als Längsschnitt;
- 5 eine schematische Darstellung eines weiteren beispielhaften Folienelements, das in der Anordnung verwendet wird und zusätzliche Elemente aufweist;
- 6 eine schematische Darstellung eines Schichtaufbaus der während des Herstellungsverfahrens bereitgestellt wird;
- 7 eine schematische Darstellung eines Umformens bei der Herstellung eines Bauteils für ein Flugzeug;
- 8 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Anordnung und des Herstellungsverfahrens;
- 9 eine schematische Darstellung eines noch weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Anordnung und des Herstellungsverfahrens, und
- 10 eine schematische Darstellung einer Anordnung gemäß einer noch weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung als Längsschnitt, mit einer Intervallheißpresse 50.
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1 zeigt als ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Anordnung 100 zur Herstellung eines Strukturbauteils für ein Luftfahrzeug. Dabei befindet sich in einer Pressvorrichtung 10, die als eine Doppelbandpresse ausgestaltet ist, ein Schichtaufbau 20, der aus mehreren übereinander liegenden Schichten besteht. Eine oben liegende erste Schicht 21 des Schichtaufbaus 20 besteht aus einem Verbundwerkstoff. Unterhalb der ersten Schicht 21 ist ein vorgeformtes Folienelement 22 angeordnet. Darunter ist eine zweite Schicht 23 angeordnet, so dass sich das Folienelement 22 zwischen der ersten Schicht 21 und der zweiten Schicht 23 befindet.
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Die Pressvorrichtung bzw. Doppelbandpresse 10 dient zum Pressen des Schichtaufbaus 20, der sich zu diesem Zweck zwischen einem ersten Presselement 11 und einem zweiten Presselement 12 der Doppelbandpresse 10 befindet. Die Presselemente 11, 12 sind als Pressbänder ausgestaltet. Beim Pressen des Schichtaufbaus 20 wird mit Hilfe der Presselemente bzw. Pressbänder 11, 12 von beiden Seiten her Druck auf den Schichtaufbau 20 ausgeübt, d.h. auf dessen Oberseite 20a und auf dessen Unterseite 20b, so dass die Schichten 21, 23 mit dem dazwischen gelegenen Folienelement 22 gegeneinandergepresst werden. Dabei wird dem Schichtaufbau 20 Wärme zugeführt.
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Die erste bzw. oben gelegene Schicht 21 des Schichtaufbaus 20 ist aus einem thermoplastischen Material gebildet, das Kohlenstofffasern enthält. Sie bildet ein durch Kohlenstofffasern verstärktes Verbundmaterial.
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Das vorgeformte Folienelement 22 ist in diesem Beispiel als eine vorgeformte, dünne flexible Folie ausgestaltet, d.h. als ein Blister.
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Die zweite Schicht 23 ist ebenfalls aus thermoplastischem Material gebildet. Sie bildet ein Hilfselement, das das flexible, vorgeformte Folienelement 22 dabei unterstützt, seine Form beizubehalten, während mit der Doppelbandpresse 10 von beiden Seiten Druckkräfte P1 bzw. P2 auf die Schichtanordnung 20 ausgeübt wird, um sie zusammenzupressen.
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Das erste Pressband 11 der Doppelbandpresse 10 ist Teil einer ersten Pressbandanordnung 10a, die zwei erste Presswalzen 13a und 13b aufweist. Das zweite, unten gelegene Pressband 12 der Doppelbandpresse 10 ist Teil einer zweiten, unten gelegenen Pressbandanordnung 10b, die ebenfalls eine erste Presswalze 14a und eine zweite Presswalze 14b aufweist.
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Die Presswalzen 13a, 13b, 14a, 14b sind drehbar jeweils um eine Drehachse D gelagert, wobei die Drehachsen D der Pressbänder 13a, 13b, 14a, 14b parallel zueinander ausgerichtet sind. Die Pressbänder 11, 12 sind umlaufend an jeweils einem Paar von nacheinander angeordneten Presswalzen 13a, 13b bzw. 14a, 14b angeordnet.
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Im Betrieb werden die Presswalzen 13a, 13b, 14a, 14b der beiden Pressbandanordnungen 10a, 10b mit Hilfe einer in der Figur nicht dargestellten Antriebseinrichtung so angetrieben, dass der zwischen den Pressbändern 11 und 12 gelegene Abschnitt des Schichtaufbaus 20 durch die Pressbänder 11, 12 in der Bearbeitungsrichtung B fortbewegt wird. Auf diese Weise wird der gesamte Schichtaufbau 20, von dem in der Figur nur ein Teilabschnitt dargestellt ist, der sich aktuell zwischen den Pressbändern 11, 12 befindet, durch die Doppelbandpresse 10 geführt und dabei zusammengepresst.
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Um die Pressbänder 11, 12 der beiden Pressbandanordnungen 10a und 10b gegeneinander zu drücken, wird auf das obere Presswalzenpaar 13a, 13b und/oder auf mindestens ein Presselement eine Kraft P1 ausgeübt, die den an den Schichtaufbau 20 angrenzenden Abschnitt des Pressbandes 11 gegen die Oberseite des Schichtaufbaus 20 drückt. Dabei wird eine zur Kraft P1 entgegengesetzt gerichtete Kraft P2 als Gegenkraft auf das Presswalzenpaar 14a, 14b und/oder auf mindestens ein Presselement ausgeübt, die den an der Unterseite des Schichtaufbaus 20 gelegenen Abschnitt des Pressbandes 12 gegen die Unterseite des Schichtaufbaus 20 drückt.
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Heizelemente 15a, 15b, die in der Pressbandanordnung 10 auf beiden Seiten des Schichtaufbaus 20 angeordnet sind, dienen zum Beheizen des zwischen den Pressbändern 11, 12 momentan gelegenen Abschnitts des Schichtaufbaus 20 bei dessen Bewegung durch die Doppelbandpresse 10. Kühlelemente 16a, 16b dienen zum Kühlen des Schichtaufbaus 20 nach dem Zusammenpressen zwischen den Presselementen 11, 12, um das plastifizierte und durch das Pressen geformte Schichtmaterial zu konsolidieren.
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Beim Pressen des Schichtaufbaus 20 in der Doppelbandpresse 10 befindet sich die erste Schicht 21 zum Beispiel durch Zufuhr von Wärme im plastischen Zustand. Das flexible Folienelement 22 ist so ausgebildet, dass es beim Pressen und bei der dabei herrschenden Temperatur seine Geometrie beibehält. Auf diese Weise wird die erste, plastische Schicht 21 an der Seite, an der das flexible Folienelement 22 angrenzt, durch das flexible Folienelement 22 geformt, indem sie mit Hilfe der Doppelbandpresse 10 gegen das Folienelement 22 gedrückt bzw. gepresst wird. Dabei wird die Form bzw. die Topografie der dünnen Folie 22 auf die erste Schicht 21 übertragen bzw. auf deren an die Folie 22 angrenzende Seite geprägt. Das heißt es erfolgt eine Übertragung der gewünschten Form von dem Folienelement 22 bzw. der Blisterfolie auf die aufgeweichte Masse der ersten Schicht 21.
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Die zweite, unten gelegene Schicht 23 ist so ausgebildet, dass sie ein Gegendruckelement an der Unterseite des Folienelements 22 bei der Formgebung der ersten Schicht 21 durch das Folienelement 22 bildet. Hierzu ist die zweite Schicht 22 so ausgebildet, dass sie während des Pressens bei der dabei herrschenden Temperatur ebenfalls plastisch verformbar ist. Dadurch passt sich die Form der zweiten Schicht 23 an der Seite, die an das Folienelement 22 angrenzt, ebenfalls an die Form des flexiblen Folienelements 22 an.
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Durch die plastische Verformbarkeit der ersten Schicht 21 und der zweiten Schicht 23 beim Pressen wird der auf das Folienelement 23 und auf die beiden Schichten 21, 23 ausgeübte Druck gleichmäßig verteilt. Es entsteht hydrostatischer Druck in dem Schichtaufbau 20.
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Die flexible Folie 22 ist in dieser Ausführungsform aus Kunststoff gefertigt und als ein Blister ausgestaltet. In anderen Ausführungsformen ist sie z.B. aus Metall gefertigt. Die Folie 22 ist vorgeformt und kann zur Herstellung verschiedener Bauteile bzw. Strukturbauteile in verschiedenen Pressvorgängen bzw. Presszyklen verwendet werden.
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Die erste Schicht 21 und die zweite Schicht 23 sind jeweils als ein Laminat L1 bzw. L2 ausgebildet. In dem Schichtaufbau 20 wird die flexible Folie 22 somit dazu verwendet, zwei Laminate L1 und L2, das heißt die erste Schicht 21 und die zweite Schicht 22 voneinander zu trennen. Das erste Laminat L1 bzw. die erste Schicht 21 wird am Ende des Herstellungsprozesses das spätere Bauteil eines Flugzeuges bilden. Das zweite Laminat L2 bzw. die zweite Schicht 23 bildet das Hilfselement zur Erzeugung eines Gegenstücks bzw. einer Gegenkraft während des Zustands der Druckeinwirkung beim Pressvorgang innerhalb der Doppelbandpresse 10.
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Die Dicken der Laminate L1, L2 bzw. der ersten Schicht 21 und der zweiten Schicht 23 einschließlich der Dicke des Folienelements 22 sind vorteilhafterweise in Summe konstant über ihre Länge, während sie innerhalb der Doppelbandpresse 10 zusammengepresst werden.
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Für die Auswahl des Materials der zweiten Schicht 23 bzw. des Laminats L2 sind insbesondere folgende Optionen vorteilhaft:
- Gemäß einer ersten Option wird für die zweite Schicht 23 dasselbe Material verwendet wie für die erste Schicht 21 bzw. das Laminat L1.
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Gemäß einer zweiten Option wird für die zweite Schicht 23 bzw. für das Laminat L2 ein Matrixmaterial verwendet, das eine höhere Schmelztemperatur hat als das Material der ersten Schicht 21. Dadurch kann bei einer mehrfachen Verwendung des Laminats L2 bzw. von Elementen des Laminats L2 die Anzahl der Zyklen bzw. Wiederholungen erhöht werden.
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Falls das Laminat L1 bzw. die erste Schicht 21 mit einer Kohlenfaserverstärkung hergestellt ist, besteht eine weitere Option darin, für das Laminat L2 bzw. die zweite Schicht 23 eine Variante zu verwenden, bei der das Material Glasfasern zur Verstärkung enthält. Dadurch können Kosten reduziert werden.
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In 2 ist in schematischer Darstellung ein Beispiel eines Folienelements 22 in einer Ansicht schräg von oben dargestellt.
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Das Folienelement 22 weist an seiner Oberseite 22a eine Erhebung 24 sowie mehrere Vertiefungen 25 auf. An seiner Unterseite, die in der Darstellung nicht ersichtbar ist, sind dementsprechend negativ dazu ebenfalls Vertiefungen bzw. Erhöhungen ausgebildet. D.h., die Folie 22 zeigt an ihrer Oberseite 22a und ebenso an ihrer Unterseite eine Topographie bzw. eine unebene Fläche. Anders ausgedrückt hat die Folie 22 eine dreidimensionale Form, die durch die Einbuchtungen 25 und/oder Auswölbungen 24 in der Folie 22 gegeben ist.
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Die 3a bis 3d zeigen beispielhaft als schematische Schnittansichten verschiedene Schichtaufbauten 20, die unterschiedlich geformte Folien bzw. Folienelemente 22 enthalten, nach dem Pressen in der Doppelbandpresse 10. Die Schichten 21, 23 sind Laminate und weisen jeweils Variationen oder Änderungen ihrer Dicke auf.
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Bei dem in 3a gezeigten Beispiel hat die erste Schicht 21 bzw. das Laminat L1 Bereiche mit unterschiedlichen Dicken, wobei die Änderung der Dicke zwischen den unterschiedlichen Bereichen stufenförmig ausgebildet ist. Zur Ausbildung dieses Schichtaufbaus wurde eine entsprechend mit Stufen versehene vorgeformte Folie 22 zwischen der ersten Schicht 21 und der zweiten Schicht 23 bzw. dem Laminat L2 angeordnet und der Schichtaufbau 20 wurde anschließend in der Doppelbandpresse 10 zusammengepresst.
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Bei dem in 3b gezeigten Schichtaufbau 20, der ebenfalls den Zustand nach dem Pressen in der Doppelbandpresse 10 zeigt, sind die Änderungen der Dicke der ersten Schicht 21 glatt bzw. kontinuierlich verlaufend, was durch die entsprechend vorgeformte Folie 22 bewirkt wurde. Ebenso wie bei dem in 3a gezeigten Beispiel liegt die Oberseite der ersten Schicht 21 frei. Somit ist die erste Schicht 21 beim Pressen in der Doppelbandpresse 10 mit einer der beiden Druckflächen, d.h. nur mit einem der beiden Pressbänder 11 bzw. 12, in direktem Kontakt.
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Gemäß dem in 3c gezeigten Beispiel liegt die Oberseite der ersten Schicht 21 bzw. des Laminats A frei und steht beim Pressen in der Doppelbandpresse 10 in direktem Kontakt mit einer der beiden Oberflächen der Doppelbandpresse 10, das heißt mit einem der beiden Pressbänder 11, 12. Jedoch ist in einem Bereich an der Unterseite der ersten Schicht 21 keine zweite Schicht 23 angeordnet, sondern lediglich die Folie 22. Das heißt, beim Pressen in der Doppelbandpresse 10 steht ein Bereich der ersten Schicht 21 indirekt über die flexible Folie 22 mit einer der druckausübenden Oberflächen der Doppelbandpresse 10 bzw. mit einem der beiden Pressbänder 11 bzw. 12 in Kontakt.
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Im Gegensatz dazu ist in dem in 3d gezeigten Beispiel das Laminat L1 bzw. die erste Schicht 21 an keiner Stelle freiliegend und steht daher beim Pressen mit keiner Oberfläche der Doppelbandpresse 10 bzw. mit keinem der Pressbänder 11, 12 in Kontakt. Stattdessen ist es auf seinen beiden Seiten vollständig mit zwei flexiblen Folien 22 und 26 sowie zwei Laminaten L2, d.h. zwei zweiten Schichten 23 und 27, abgedeckt. D.h., die erste Schicht 21 befindet sich vollständig im Inneren des Schichtaufbaus 20 zwischen den beiden Folienelementen 22 und 26.
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4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem Sensoren 28 und 29 eingangsseitig bzw. ausgangsseitig an der Doppelbandpresse 10 angeordnet sind, um den Pressvorgang zu überwachen. Das heißt, die Sensoren 28 und 29 befinden sich in der Bearbeitungsrichtung B vor bzw. hinter der Doppelbandpresse 10.
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Der erste Sensor 28, der an der Eingangsseite der Doppelbandpresse 10 angeordnet ist, und der zweite Sensor 29, der an der Ausgangsseite der Doppelbandpresse 10 angeordnet ist, messen die Dicke des Schichtaufbaus 20 vor dem Eintritt in die Doppelbandpresse 10 bzw. nach dem Austritt aus der Doppelbandpresse 10. Die fest angeordneten Sensoren 28, 29 bilden eine Inspektionszone, die in diesem Beispiel zur Kontrolle der Dicke ausgestaltet ist.
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Weitere Merkmale und Details der Anordnung 100 sind wie oben beschrieben ausgebildet.
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5 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der die flexible Folie bzw. das Folienelement 22 mit Sensoren versehen ist, um den Pressvorgang in der Doppelbandpresse 10 zu überwachen.
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Eine Sensoreinheit 31, die in dem Folienelement 22 integriert ist, ist zur Überwachung von Druck und/oder Temperatur während des Pressvorgangs vorgesehen. Ferner können auch sowohl indirekte Feldgrößen wie Kristallinität oder mechanische Größen (Schrumpfen etc.) prozessbegleitend aufgenommen werden. Anstelle einer Integration einer oder mehrerer Sensoreinheiten 31 in der flexiblen Folie 22 können diese auch an ihrer Oberfläche oder ihren Oberflächen angeordnet sein. Durch die Anordnung am oder im Folienelement 22 ist die Sensoreinheit 31 zusammen mit dem Bauteil bzw. mit der ersten Schicht 21 bewegbar.
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Weiterhin sind an der flexiblen Folie 22 Verstärkungselemente 32 angeordnet. Durch die Verstärkungselemente 32, die in diesem Fall an den äußeren seitlichen Rändern der Folie 22 angeordnet sind, können z.B. größere Kräfte zum Ziehen des Schichtpakets durch die verschiedenen Herstellungs- bzw. Bearbeitungsstufen angewendet werden.
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Hinsichtlich ihrer weiteren Merkmale und Details ist die Folie 22 wie oben unter Bezugnahme auf 2 beschrieben ausgestaltet.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Strukturbauteils beschrieben:
- In einem ersten Schritt wird ein Schichtaufbau 20 bereitgestellt, wie er oben bereits im Detail beschrieben ist. Der Schichtaufbau 20 umfasst die erste Schicht 21, die aus einem plastisch verformbaren und konsolidierbaren Verbundwerkstoff gefertigt ist, sowie die zweite Schicht 23. Zwischen der ersten Schicht 21 und der zweiten Schicht 23 ist ein vorgeformtes flexibles Folienelement 22 angeordnet (s. 6)
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Das heißt, dass die erste Schicht 21 bzw. der Verbundwerkstoff einen Zustand hat oder unter bestimmten Bedingungen annehmen kann, in dem sie bzw. er plastisch verformbar und konsolidierbar ist.
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In einem weiteren Schritt erfolgt das Zusammenpressen des Schichtaufbaus 20 in einer Doppelbandpresse 10. Dabei bildet das Folienelement 22 ein Formwerkzeug für die erste Schicht 21, und die zweite Schicht 23 bildet ein Gegendruckelement beim Anpressen der ersten Schicht an das Folienelement 22 (s. 1 und 4)
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Schließlich erfolgt in einem weiteren Schritt das Konsolidieren der ersten Schicht 21.
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Das Verfahren wird in diesem Ausführungsbeispiel mit einer Anordnung 100 durchgeführt, wie sie oben im Detail beschrieben ist.
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In diesem Ausführungsbeispiel wird die erste Schicht 21 zunächst nur teilweise konsolidiert und anschließend zusammen mit dem Folienelement 22 durch Biegen umgeformt. Nach dem Umformen wird die erste Schicht 21 nun vollständig konsolidiert.
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7 zeigt als ein Beispiel den Vorgang des Umformens durch Biegen. Nach dem Verlassen der Doppelbandpresse 10 werden die Laminate, das heißt die erste Schicht 21 und die zweite Schicht 23, nur so weit heruntergekühlt, dass sie noch eine ausreichende Temperatur haben, um gebogen zu werden, so dass die Biegung zum Beispiel dem Durchmesser eines Flugzeugrumpfs entspricht.
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In dem hier gezeigten Beispiel wird ein endliches flexibles, dünnes Folienelement 22 verwendet. Die dünne flexible Folie 22 und die erste Schicht 21 werden gemeinsam von dem Schichtaufbau separiert und in die gewünschte Form gebogen, nachdem sie in der Doppelbandpresse 10 verfestigt oder vorgefestigt wurden. In der Figur ist der Biegevorgang bzw. der Bereich des Biegens bzw. der Umformung, das heißt der Übergang der flexiblen Folie 22 mit der ersten Schicht 21 in den gebogenen Zustand, mit C gekennzeichnet.
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Falls ein nächster Verfahrensschritt vorgesehen ist, zum Beispiel bei relativ dicken oder komplex aufgebauten Laminaten, wie sie beispielsweise für Rumpfbauteile verwendet werden, sind das teilweise Konsolidieren bzw. Härten und das Umformen in den ungefähren Durchmesser des Flugzeugrumpfes ausreichend, um damit die nächsten Verfahrensschritte durchzuführen.
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Die 8 und 9 zeigen weitere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung 100 zum Herstellen eines Strukturbauteils für ein Luftfahrzeug aus einem Verbundwerkstoff. Dabei ist die flexible Folie 22 endlos bzw. als ein endloses Band ausgebildet, so dass es die Doppelbandpresse 10 in der Bearbeitungsrichtung B mehrfach bzw. wiederholt durchläuft.
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Hierzu sind mehrere Umlenkwalzen 35 bzw. Umlenkrollen vorgesehen und so angeordnet, dass sie die bandartige Folie 22 nach dem Austreten aus der Doppelbandpresse 10 wieder zur Eingangsseite der Doppelbandpresse hin umlenken. Die als endloses Band ausgebildete Folie 22 bildet eine Schleife, welche die Doppelbandpresse 10 mehrfach durchläuft, um darin mehrfach als Teil verschiedener Schichtaufbauten 20 erwärmt und gepresst zu werden.
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Auf diese Weise verleiht das Folienelement 22 mehrfach einer weiteren ersten Schicht 21 seine Form.
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Nachdem der Schichtaufbau 20 mit der Folie 22 in der Doppelbandpresse 10 gepresst wurde, wird die Folie 22 zusammen mit der ersten Schicht 21 vom Schichtaufbau 20 separiert und wie oben beschrieben gebogen. Dabei kann die Größenordnung der gebogenen Bauteile zum Beispiel im Bereich von 20 m und mehr liegen. Wie in 7 ist auch hier der Umform- oder Biegevorgang bzw. der Bereich des Umformens oder Biegens, das heißt der Weg beim Übergang der flexiblen Folie 22 mit der ersten Schicht 21 in den gebogenen Zustand, mit C gekennzeichnet.
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An einer Schneidestation 36 wird die gebogene erste Schicht 21 geschnitten.
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Auf diese Weise wird das Verfahren mit demselben Folienelement 22 wiederholt durchgeführt. Dadurch können mit geringem Aufwand eine Vielzahl gleichartig geformter Strukturbauteile hergestellt werden.
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Während bei dem in 8 gezeigten Ausführungsbeispiel der Weg der flexiblen Folie 22 zurück zur Eingangsseite der Doppelbandpresse 10 oberhalb der Schneidestation 36 und der Doppelbandpresse 10 verläuft, verläuft dieser Weg bei dem in 9 gezeigten Ausführungsbeispiel unterhalb der Schneidestation 36 und der Doppelbandpresse 10. Dadurch wird das Separieren und das Schneiden der gepressten und gebogenen Abschnitte der ersten Schicht 21 erleichtert.
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10 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung 100, bei der als Pressvorrichtung eine Intervallheißpresse 50 verwendet wird, um den Schichtaufbau 20 zu pressen, das heißt, die Schichten 21, 23 mit dem dazwischen angeordneten Folienelement 22 aneinanderzupressen.
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Die Intervallheißpresse 50 umfasst mindestens zwei sich gegenüberliegende Presselemente 11, 12, zwischen denen sich zur Herstellung des Bauteils der Schichtaufbau 20 befindet. Dieser wurde oben bereits beschrieben. Die Druck- bzw. Presskräfte P1, P2 der beiden Presselemente 11, 12 sind einander entgegengesetzt gerichtet.
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Heizelemente 15a, 15b dienen zum Heizen des Schichtaufbaus 20 vor dem Zusammenpressen zwischen den Presselementen 11, 12, um das thermoplastische Material zu plastifizieren. Kühlelemente 16a, 16b dienen zum Kühlen des Schichtaufbaus 20 nach dem Zusammenpressen zwischen den Presselementen 11, 12, um das plastifizierte und durch das Pressen geformte Schichtmaterial zu konsolidieren.
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Die Formung der ersten Schicht 21 durch das Anpressen an das Folienelement 22 mit Hilfe der stützenden weiteren Schicht 23 auf der anderen Seite des Folienelements 22 erfolgt wie oben beschrieben.
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Der Unterschied der Intervallheißpresse 50 zur Doppelbandpresse 10, wie sie bei den oben beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, besteht im Wesentlichen in den Merkmalen fixe /ortsfeste Presszone gegenüber mitbewegte Presszone und diskontinuierlicher gegenüber kontinuierlicher Materialfluss.
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Bei der hier gezeigten Ausführungsform der Erfindung mit der Intervallheißpresse 50 wird mithilfe von Spulen 37, auf denen ein Hilfsstoff 51 aufgewickelt ist, an beiden Seiten des Schichtaufbaus 20 jeweils der Hilfsstoff 51 zugeführt und nach dem Pressen an mindestens zwei Seiten wieder aufgewickelt. Der Hilfsstoff 51 hat die Funktion, ein Eindringen des Matrixwerkstoffs zwischen die Presselemente 11, 12 zu verhindern.
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Mithilfe des jeweils als Band ausgebildeten Hilfsstoffs 51 wird der Schichtaufbau 20 in Bearbeitungsrichtung B durch die Intervallheißpresse 50 transportiert. Dabei wird der Schichtaufbau diskontinuierlich bzw. in Intervallen relativ zu den Presselementen 11, 12 und zu den Heizelementen 15a, 15b sowie den Kühlelementen 16a, 16b bewegt. Nach dem der gepresste und konsolidierte Schichtaufbau 20 die Pressvorrichtung 50 verlassen hat, erfolgt der Zuschnitt in der Schneidestation 36, die ein Sägeblatt umfasst.
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Mit Hilfe der Intervallheißpresse 50 können als Strukturbauteile für Luftfahrzeuge sowohl Elemente der Außenhaut oder des Flugzeugrumpfes als auch profilartige Strukturelemente wie z.B. Spante oder Stringer, also gebogene Umfangssteifen und gerade und / oder gekrümmte Längssteifen gefertigt werden.
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Zusammengefasst werden durch die Erfindung folgende Vorteile erzielt:
- • Die Möglichkeit, komplexe Laminate mit variabler Dicke in der Doppelbandpresse 10 oder der Intervallheißpresse 50 herzustellen;
- • Dank der vorgeformten, dünnen, flexiblen Folie 22 bzw. eines Blisters können mit der Doppelbandpresse 10 oder der Intervallheißpresse 50 komplex geschichtete Laminate für Flugzeugbauteile oder -strukturen hergestellt werden;
- • Für die Herstellung von Bauteilen unterschiedlicher Komplexität einschließlich flacher und auch in der Topographie wechselnder Bauteile kann dieselbe Fertigungslinie verwendet werden;
- • Bei Änderungen des Designs werden die Fertigungszeit und die Fertigungskosten im Vergleich zu denjenigen klassischer Presswerkzeuge reduziert;
- • Es können kontaktlose oder eingebettete oder teilweise eingebettete Monitoring- bzw. Überwachungssysteme zum Beispiel für eine Online Qualitätskontrolle implementiert werden;
- • Die zweite Schicht 23 bzw. das Hilfslaminat L2 kann wiederverwendet werden;
- • Die flexible Folie kann zur Herstellung einer Vielzahl von Bauteilen bzw. Flugzeugbauteilen verwendet werden.
- • Die flexible Folie hat eine unterschiedliche Funktionalität:
- - Während des Pressens unter Druck und Temperatur die Trennung der beiden Schichten 21, 23 bzw. der Laminate A und B;
- - vor dem Pressen die Positionierung oder Anordnung von Schichten oder Patches;
- - nach dem Pressen zum Beispiel das Umformen des Bauteils in den jeweils erforderlichen Radius des Flugzeugs, das Schneiden und das Stapeln;
- • Die Bauteile können verfestigt bzw. konsolidiert oder teilverfestigt bzw. vorkonsolidiert werden. In Abhängigkeit von den Erfordernissen nachfolgender Prozessschritte sind dabei vorteilhafte Varianten möglich;
- • Die Bauteile können mit Hilfe und Unterstützung der flexiblen Folie 22 nach dem Pressen in der Doppelbandpresse 10 oder der Intervallheißpresse 50 gebogen werden, zum Beispiel mit den Radien eines Flugzeugrumpfes;
- • Es können finite bzw. in ihrer Länge begrenzte oder auch endlose flexible Folien 22 verwendet werden.
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Die erste Schicht 21 und/oder zweite Schicht 23, 27 sind zum Beispiel Laminate, beispielsweise zur Verwendung als Flugzeugbauteile oder als Hilfslaminat. Weiterhin können ergänzende Materialien verwendet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Doppelbandpresse
- 10a, 10b
- erste bzw. zweite Pressbandanordnung
- 11, 12
- Presselemente, Pressbänder
- 13a, 13b
- Presswalzen
- 14a, 14b
- Presswalzen
- 15a, 15b
- Heizelemente
- 16a, 16b
- Kühlelemente
- 20
- Schichtaufbau
- 20a
- Oberseite des Schichtaufbaus
- 20b
- Unterseite des Schichtaufbaus
- 21
- erste Schicht / Laminat L1
- 22
- Folienelement / Folie
- 22a
- Oberfläche der Folie
- 23
- zweite Schicht / Laminat L2
- 24
- Auswölbung bzw. Erhebung
- 25
- Einbuchtung bzw. Vertiefung
- 26
- zweites Folienelement
- 27
- weitere zweite Schicht
- 28, 29
- Sensoren
- 31
- Sensoreinheit
- 32
- Verstärkungselement
- 35
- Umlenkwalzen
- 36
- Schneidestation
- 37
- Spulen mit Hilfsstoff
- 50
- Intervallheißpresse
- 51
- Hilfsstoff
- 100
- Anordnung
- B
- Bearbeitungsrichtung
- C
- Umformzone bzw. -vorgang
- D
- Drehachse
- L1, L2
- Laminat
- P1, P2
- Druckkraft
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016208974 A1 [0021]
