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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung befasst sich mit einer Vorrichtung und einem Verfahren zum Herstellen eines faserverstärkten Bauteils.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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In der Luftfahrt ist das spezifische Gewicht eines Bauteils von hoher Relevanz. Daher sind faserverstärkte Werkstoffe geeignete Werkstoffe, um das Gewicht des Luftfahrzeugs zu reduzieren und damit einhergehend den Kraftstoffverbrauch zu minimieren. Ein gängiges Verfahren zum Herstellen faserverstärkter Bauteile stellt das Resin Transfer Moulding-(RTM)-Verfahren, auch Spritzpressen genannt, dar. Das RTM-Verfahren ist ein Verfahren zum Herstellen von Formteilen aus Duroplasten und Elastomeren. Im Vergleich zum Pressen wird hierbei die Formmasse mittels Kolben von einer meist beheizten Vorkammer über Verteilerkanäle in das Formnest eingespritzt, wobei sie unter Wärme und Druck aushärtet. Als Formmasse können Formaldehydharze (PF, MF usw.) und Reaktionsharze (UP, EP) mit kleinen Füllstoffpartikeln und Elastomere verwendet werden.
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Das Verfahren ist gut geeignet für kleine bis mittlere Serien (1000-10.000 Stück/Jahr) von kleiner bis mittlere Bauteilgröße und kann hohe Faservolumengehalte von bis zu 65 % realisieren. Außerdem ergibt sich eine beidseitig gute Oberflächenqualität. Üblicherweise erfolgt der Energie-Eintrag über einen Ofen oder einen Autoklaven.
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Es hat sich jedoch gezeigt, dass dieses Verfahren demzufolge bei großen Bauteilen unverhältnismäßig viel Energie verbraucht und daher nicht wirtschaftlich ist.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, faserverstärkte Bauteile mit hoher Bauteilgröße energieeffizient in einem RTM-Verfahren herzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung und ein Verfahren nach einem der unabhängigen Ansprüche erreicht.
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Gemäß der Erfindung ist vorgesehen: Eine Vorrichtung zum Herstellen eines faserverstärkten Bauteils, umfassend:
- einen ersten elektrischen Leiter, und
- ein erstes formgebendes Element mit einer ersten Seite und einer gegenüberliegenden zweiten Seite und wobei das erste formgebende Element elektrisch leitfähig ist;
- wobei das erste formgebende Element an der ersten Seite eine erste Negativ-Form für das faserverstärkte Bauteil aufweist und an der zweiten Seite mit dem ersten elektrischen Leiter derart in Kontakt steht, dass ein Stromfluss durch den ersten elektrischen Leiter einen Stromfluss durch das erste formgebende Element induziert und es dadurch erwärmt, sodass auf der Negativ-Form angeordnete, imprägnierte Fasern zum Ausbilden des faserverstärkten Bauteils aushärtbar sind.
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Der erste elektrische Leiter umfasst hierbei ein elektrisch leitfähiges Material, welches durch ein Anlegen einer Spannung elektrischen Strom leiten kann.
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Das erste formgebende Element umfasst eine Negativ-Form des faserverstärkten Bauteils und wird durch das den ersten elektrischen Leiter umgebende Magnetfeld induktiv erwärmt, sodass auf der Negativ-Form angeordnete, imprägnierte Fasern zum Ausbilden des faserverstärkten Bauteils aushärtbar sind.
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Induktives Erwärmen ist ein Verfahren elektrisch leitfähige Körper, vorliegend das erste formgebende Element, durch in ihnen erzeugte Wirbelstromverluste zu heizen. Die Wärme entsteht hierbei unmittelbar im Körper selbst, muss also nicht durch Wärmeleitung übertragen werden. Die Wärmeleistung ist daher gut steuerbar und energieeffizient.
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Die Fasern für das faserverstärkte Bauteil können beispielsweise, aber nicht abschließend, Kohlefasern, Glasfasern oder Aramidfasern sein.
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Der Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt in dem signifikant niedrigeren EnergieVerbrauch im Vergleich zu beispielsweise einem Ofen oder einem Autoklaven. Die für die Aushärtung der Komponenten notwendige Wärme wird direkt in dem formgebenden Bauteil induziert und es kommt daher nur zu sehr geringen Wärmeverlusten. Zusätzlich bietet die erfindungsgemäße Vorrichtung durch das Prinzip des induktiven Erwärmens die Möglichkeit einer deutlich höheren Aufwärmrate.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung ferner einen zweiten elektrischen Leiter und eine Steuerung. Die Steuerung steht sowohl mit dem ersten elektrischen Leiter und dem zweiten elektrischen Leiter in Kontakt. Weiterhin steht der zweite elektrische Leiter ebenfalls derart mit der zweiten Seite des ersten formgebenden Elements in Kontakt, sodass ein Stromfluss durch den zweiten elektrischen Leiter einen Stromfluss durch das erste formgebende Element induziert und es dadurch erwärmt, wobei der erste elektrische Leiter und der zweite elektrische Leiter durch die Steuerung einzeln ansteuerbar sind, um einen definierten Eintrag thermischer Energie an einer dedizierten Fläche in dem ersten formgebenden Element zu generieren.
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Gemäß einer Ausführungsform weist der elektrische Leiter eine Vielzahl von einzeln ansteuerbaren Leitern auf. Hierdurch ist eine beliebige Komplexität und Anzahl dedizierter Flächen mit einem jeweiligen Energieeintrag realisierbar. Insbesondere bei Bauteilen mit verschiedenen Wandstärken und damit einhergehenden notwendigen Aushärtezeiten ist eine derartige Anordnung vorteilhaft.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine Tragstruktur. Die Tragstruktur ist eingerichtet, das erste formgebende Element zu stützen, und ist hierfür an einem ersten Bereich ihrer Oberfläche mit dem ersten formgebenden Element verbunden.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Tragstruktur in Leichtbauweise hergestellt. Die Leichtbauweise kann sich hierbei entweder in der Verwendung eines Gerüsts und/oder Werkstoffen niedriger Dichte darstellen. Da die induktive Erwärmung lediglich in dem formgebenden Element stattfindet sind keine Anforderungen an die elektrische Leitfähigkeit der Tragstruktur zu stellen.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das erste formgebende Element aus einem Werkstoff aus einer Gruppe von Werkstoffen umfassend einem metallischen Werkstoff, einem ferromagnetischen Werkstoff, Nickel, Aluminium und Legierungen davon, sowie Invar.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung einen Temperatursensor, wobei der Temperatursensor in Kommunikation mit der Steuerung steht und eingerichtet ist, die Temperatur an einer dedizierten Stelle der Oberfläche des ersten formgebenden Elements zu messen. Der Temperatursensor kann auch eine Vielzahl von Temperatursensoren sein, um über die erhaltenen Messwerte einen möglichst exakten Energieeintrag zu gewährleisten.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung ein zweites formgebendes Element mit einer ersten Seite und einer gegenüberliegenden zweiten Seite. Das zweite formgebende Element weist an seiner ersten Seite eine zweite Negativ-Form für das faserverstärkten Bauteils auf.
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Das erste formgebende Element und das zweite formgebende Element sind derart zueinander angeordnet, dass sie eine Kavität definieren, die durch die erste und zweite Negativform gebildet ist, so dass in der Kavität Fasern positionierbar sind.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das das zweite formgebende Element ebenfalls elektrisch leitfähig. Ferner umfasst das zweite formgebende Element einen dritten elektrischen Leiter. Das zweite formgebende Element steht an seiner zweiten Seite mit dem dritten elektrischen Leiter derart in Kontakt, dass ein Stromfluss durch den dritten elektrischen Leiter einen Stromfluss durch das zweite formgebende Element induziert und es dadurch erwärmt.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das zweite formgebende Element mit dem ersten formgebenden Element über ein Scharnier oder eine Führung verbunden.
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Gemäß einer Ausführungsform weist der erste elektrische Leiter eine Spule auf.
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Gemäß einem anderen Beispiel weist der zweite und/oder dritte elektrische Leiter eine Spule auf.
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Gemäß einer Ausführungsform weist das erste formgebende Element und/oder das zweite formgebende Element ein Blech auf.
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Die Blechstärke liegt vorzugsweise im Bereich von 5 mm bis 50 mm. Dünnere Bleche zeigten sich hinsichtlich einer Druckbeaufschlagung des ersten formgebenden Elements als zu instabil. Bleche mit einer Blechstärke über 50 mm sind stattdessen nunmehr nur noch mit einem unverhältnismäßig hohen Energieaufwand auf die notwendige Temperatur erwärmbar.
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Gemäß der Erfindung ist auch ein Verfahren zum Herstellen eines faserverstärkten Bauteils vorgesehen. Das Verfahren umfasst folgende Schritte: Zuerst wird eine Vorrichtung gemäß der Erfindung mit zumindest einem ersten formgebenden Element und einem zweiten formgebenden Element bereitgestellt. Anschließend werden Fasern auf dem ersten formgebenden Element angeordnet. Die Fasern werden daraufhin auf eine Einspritz-Temperatur erwärmt. Danach wird das erste formgebende Element mit dem zweiten formgebenden Element verschlossen. In die von der ersten Negativ-Form und der zweiten Negativ-Form gebildete Kavität wird daraufhin Harz injiziert und die Fasern imprägniert. Anschließend kommt es zu einem Erwärmen der imprägnierten Fasern und dem injizierten Harz auf eine Aushärte-Temperatur. Nach einer Haltezeit ist das faserverstärkte Bauteil bereit zum Abkühlen und zum Entnehmen.
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Übliche Systeme haben Einspritz-Temperaturen zwischen Raumtemperatur und 140°C und Aushärte-Temperaturen zwischen 80 und 200°C. Es sind jedoch Systeme denkbar, die höheren oder niedrigen Temperaturen einspritzen oder härten.
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Gemäß einer Ausführungsform werden bei dem Verfahren die Schritte des Bereitstellens und des Erwärmens der Fasern auf einer ersten Vorrichtung durchgeführt, und die Fasern nach dem Erwärmen für die Schritte des Injizierens und des Erwärmens auf die Aushärtetemperatur auf einer zweiten Vorrichtung durchgeführt. Für das Anlegen der Spannung können Generatoren nach dem Stand der Technik verwendet werden.
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Gemäß einer Ausführungsform wird das Verfahren zum Herstellen eines großflächigen Bauteils, insbesondere eines Flügelendes oder eines Flügels eines Flugzeugs eingesetzt.
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Diese und weitere Aspekte der Erfindung werden unter Bezugnahme und mit Verweis auf die folgenden Ausführungen ersichtlich.
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Figurenliste
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Nachfolgend wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher auf Ausführungsbeispiele der Erfindung eingegangen. Es zeigen:
- 1 eine Querschnittsansicht einer Vorrichtung zum Herstellen eines faserverstärkten Bauteils, gemäß der Erfindung; und
- 2 eine Draufsicht einer Vorrichtung zum Herstellen eines faserverstärkten Bauteils, gemäß der Erfindung; und
- 3 eine Draufsicht einer Vorrichtung zum Herstellen eines faserverstärkten Bauteils mit einem zweiten elektrischen Leiter, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; und
- 4 eine Querschnittsansicht einer Vorrichtung zum Herstellen eines faserverstärkten Bauteils mit einem zweiten formgebenden Element, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; und
- 5 eine Querschnittsansicht einer Vorrichtung zum Herstellen eines faserverstärkten Bauteils mit einer Tragstruktur, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; und
- 6 eine Draufsicht einer Vorrichtung zum Herstellen eines faserverstärkten Bauteils, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; und
- 7 ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Herstellen eines faserverstärkten Bauteils, gemäß der Erfindung;
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
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1 zeigt eine Querschnittsansicht einer Vorrichtung 1 zum Herstellen eines faserverstärkten Bauteils. Hierfür weist die Vorrichtung 1 ein erstes formgebendes Element 4 mit einer ersten Seite 6 und einer gegenüberliegenden zweiten Seite 8 auf, wobei das erste formgebende Element 4 elektrisch leitfähig ist. Zusätzlich weist die Vorrichtung 1 einen ersten elektrischen Leiter 2 auf. Das erste formgebende Element 4 weist an seiner ersten Seite 6 eine erste Negativ-Form 10 für das faserverstärkte Bauteil auf und an seiner zweiten Seite 8 steht es mit dem ersten elektrischen Leiter 2 derart in Kontakt, dass ein Stromfluss durch den ersten elektrischen Leiter 2 einen Stromfluss durch das erste formgebende Element 4 induziert und es durch in ihnen erzeugte Wirbelstromverluste erwärmt, sodass auf der Negativ-Form 10 angeordnete, imprägnierte Fasern zum Ausbilden des faserverstärkten Bauteils aushärtbar sind.
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2 zeigt eine Draufsicht einer beispielhaften Ausführungsform der Vorrichtung 1 zum Herstellen eines faserverstärkten Bauteils. Der erste elektrische Leiter 2 verläuft in der Ausführungsform mäanderförmig, um einen möglichst gleichmäßigen Eintrag thermischer Energie in das erste formgebende Element 4 zu ermöglichen und das Bauteil gleichmäßig auszuhärten. Der Verlauf des ersten elektrischen Leiters 2 kann auch dergestalt sein, dass die Abstände des Leiters innerhalb der Leiterführung variieren, um ein heterogenes Temperaturfeld auf dem ersten formgebenden Element zu generieren.
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3 zeigt eine Draufsicht einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Vorrichtung 1 zum Herstellen eines faserverstärkten Bauteils. Im Unterschied zu der in 2 gezeigten Vorrichtung ist neben dem ersten elektrischen Leiter 2 ein zweiter elektrischer Leiter 12 vorgesehen. Der zweite elektrische Leiter 12 ist analog zum ersten elektrischen Leiter 2 derart eingerichtet, dass ein Stromfluss durch den zweiten elektrischen Leiter 12 einen Stromfluss durch das erste formgebende Element 4 induziert und es dadurch erwärmt.
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Der erste elektrische Leiter 2 und der zweite elektrische Leiter 12 können aus dem gleichen Material bestehen. Der erste elektrische Leiter 2 und der zweite elektrische Leiter 12 können allerdings auch aus verschiedenen Materialien bestehen, falls gewünscht oder notwendig.
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In der beispielhaften Ausführungsform ist weiterhin eine Steuerung 11 vorgesehen. Der erste elektrische Leiter 2 und der zweite elektrische Leiter 12 ist mit der Steuerung 11 verbunden, wobei der erste elektrische Leiter 2 und der zweite elektrische Leiter 12 von der Steuerung 11 einzeln ansteuerbar ist. Das Steuern über die Steuerung 11 kann ein Variieren der Spannung und/oder der Haltezeit umfassen. Es sind allerdings auch andere Steuerparameter denkbar.
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Durch die Anordnung des zweiten elektrischen Leiters 12 in Relation zu dem ersten elektrischen Leiter 2, sowie der Auswahl der Steuerparameter kann eine hohe Komplexität des Eintrags thermischer Energie in das auszuhärtende Bauteil verwirklicht werden. So kann in einem Bereich durch die Überlagerung der von dem ersten elektrischen Leiter 2 und dem zweiten elektrischen Leiter 12 induzierten Wärme in eine dedizierte Fläche 13 ein höherer Energieeintrag generiert werden, als in einem nicht überlagerten Bereich. Dieser Energieeintrag kann auch nur über eine bestimmte Zeit erfolgen, während beispielsweise an den zweiten elektrischen Leiter 12 über eine Zeitspanne t2 eine Spannung angelegt wird, und an den ersten elektrischen Leiter 2 über eine Zeitspanne t1 eine Spannung angelegt wird, und wobei t1 und t2 verschieden sind. Der Energieeintrag kann auch über die Höhe der angelegten Spannungen variieren.
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Der zweite elektrische Leiter 12 kann auch eine Vielzahl von einzeln ansteuerbaren Leitern umfassen, die jeweils über die Steuerung 11 über eine bestimmte Zeit und mit einer bestimmten Spannung ansteuerbar sind. Bei der Verwendung von Wechselstrom kann die Frequenz ein weiterer Steuerparamater sein.
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Die beispielhafte Ausführungsform weist ferner einen Temperatursensor 15 auf. Der Temperatursensor 15 steht in Kommunikation mit der Steuerung 11 und ist eingerichtet, die Temperatur an einer dedizierten Stelle der Oberfläche des ersten formgebenden Elements 4 zu messen. Die Messergebnisse bieten die Möglichkeit über die Steuerung 11 einen Regelkreis zu implementieren. Der Temperatursensor 15 kann auch eine Vielzahl von Temperatursensoren umfassen.
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4 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform der Vorrichtung 1 zum Herstellen eines faserverstärkten Bauteils. Die Vorrichtung 1 weist hierbei eine Tragstruktur 16 auf. Die Tragstruktur 16 ist hierbei eingerichtet, das erste formgebende Element 4 zu stützen. Hierfür ist die erste Tragstruktur 16 an einem ersten Bereich ihrer Oberfläche mit dem ersten formgebenden Element 4 verbunden.
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Die Verbindung zwischen dem ersten formgebenden Element 4 und der Tragstruktur 16 kann beispielsweise kraftschlüssig sein. So kann das erste formgebende Element 4 beispielsweise an die Tragstruktur 16 geschraubt werden. Der Vorteil bei dieser Ausführungsform ist die Lösbarkeit von dem erstem formgebenden Element 4 und der Tragstruktur 16. Es sind aber auch andere lösbare kraftschlüssige Verbindungen denkbar. Die Verbindung zwischen dem ersten formgebenden Element 4 und der Tragstruktur 16 kann beispielsweise formschlüssig sein. So kann das erste formgebende Element 4 beispielsweise in eine von der Tragstruktur 16 gebildete Aussparung gelegt und/oder gehängt werden. Auch in diesem Beispiel ist das erste formgebende Element 4 und die Tragstruktur 16 lösbar zueinander angeordnet. Der Vorteil der Lösbarkeit ist unter anderem in der Austauschbarkeit des ersten formgebenden Elements 4 zu sehen, beispielsweise um Reparaturen vorzunehmen.
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Die Verbindung zwischen dem ersten formgebenden Element 4 und der Tragstruktur 16 kann beispielsweise auch stoffschlüssig sein. So kann das erste formgebende Element 4 an die Tragstruktur 16 geschweißt werden.
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5 zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform einer Vorrichtung 1 zum Herstellen eines faserverstärkten Bauteils. In der weiteren beispielhaften Ausführungsform weist die Vorrichtung ein zweites formgebendes Element 14 mit einer ersten Seite 18 und einer gegenüberliegenden zweiten Seite 20 auf. Das zweite formgebende Element 14 weist an seiner ersten Seite 18 eine zweite Negativ-Form 10 für das faserverstärkten Bauteils auf, wobei das erste formgebende Element 4 und das zweite formgebende Element 14 derart zueinander angeordnet sind, dass sie eine Kavität definieren, die durch die erste und zweite Negativform gebildet ist, so dass in der Kavität Fasern positionierbar sind. In der beispielhaften Ausführungsform weist das zweite formgebende Element 14 einen dritten elektrischen Leiter 22 auf, wobei das zweite formgebende Element 14, analog zum ersten formgebenden Element 4, elektrisch leitfähig ist. Das zweite formgebende Element 14 steht an seiner zweiten Seite 20 mit dem dritten elektrischen Leiter 22 derart in Kontakt, dass ein Stromfluss durch den dritten elektrischen Leiter 22 einen Stromfluss durch das zweite formgebende Element 14 induziert und es durch darin entstehende Wirbelstromverluste erwärmt. Der dritte elektrische Leiter 22 kann auch eine Vielzahl von dritten elektrischen Leitern aufweisen. Das zweite formgebende Element 14 kann, analog zum ersten formgebenden Element 4 auch mindestens einen Temperatursensor 15 aufweisen. Der dritte elektrische Leiter 22 und der mindestens eine Temperatursensor 15 kann mit der Steuerung 11 in Verbindung stehen, sodass die Steuerung 11 den definierten Eintrag thermischer Energie sowohl für das erste formgebende Element 4 als auch das zweite formgebende Element 14 steuert. Das erste formgebende Element 4 und das zweite formgebende Element 14 können über ein Scharnier oder eine Führung miteinander verbunden sein (nicht gezeigt).
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Das erste formgebende Element 4 und das zweite formgebende Element können auch gegeneinander gepresst werden.
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6 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform eines faserverstärkten Bauteils mit einem skizzierten Verlauf eines ersten elektrischen Leiters 12. Der erste elektrische Leiter 12 verläuft hier in einer spiralförmigen Weise wobei der Abstand der einzelnen Schlaufen der Spirale zur Mitte des Bauteils nahezu gleich bleibt und somit ein homogener Eintrag thermischer Energie gewährleistet werden kann. Diese Art des Aufbaus eignet sich daher besonders gut für Bauteile mit konstanter Wandstärke.
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7 zeigt ein Verfahren 100 zum Herstellen eines faserverstärkten Bauteils. Das Verfahren weist dabei die Folgenden Schritte auf: Bereitstellen 102 einer Vorrichtung zum Herstellen eines faserverstärkten Bauteils, gemäß der Erfindung oder einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung, Anordnen 104 von Fasern auf dem ersten formgebenden Element 4, Erwärmen 106 der Fasern auf eine Einspritz-Temperatur, Verschließen 108 des ersten formgebenden Elements 4 mit dem zweiten formgebenden Element 14, Injizieren 110 von Harz in eine von der ersten Negativ-Form 10 und der zweiten Negativ-Form 16 gebildete Kavität zum Imprägnieren der Fasern, Erwärmen 112 der imprägnierten Fasern und dem injizierten Harz auf eine Aushärte-Temperatur; und Abkühlen und Entnehmen 114 des faserverstärkten Bauteils.
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In einer nicht gezeigten Ausführungsform des Verfahrens werden die Schritte des Bereitstellens 102 und des Erwärmens 104 auf einer ersten Vorrichtung durchgeführt werden, und die Fasern nach dem Erwärmen 104 für die Schritte des Injizierens 110 und des Erwärmens 112 auf einer zweiten Vorrichtung angeordnet.
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Dies kann insbesondere vorteilhaft sein, um die Taktzeiten für das Herstellen eines faserverstärkten Bauteils zu erhöhen und den Verschleiß der formgebenden Elemente hinsichtlich der einzelnen Verfahrensschritte zu reduzieren, da die Anforderungen an das Material bei den Erwärmungsschritten 104 und 112 unterschiedlich sein können.
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So können in einem Beispiel die Fasern des faserverstärkten Bauteils auf einer ersten Vorrichtung vorgeformt werden, während das Harz auf einer zweiten Vorrichtung erwärmt wird und dadurch eine „Haut“ bildet. Die Fasern aufgrund sind aufgrund ihrer Stabilität gut von der ersten Vorrichtung auf die zweite Vorrichtung transferierbar.
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Die oberhalb beschriebenen Ausführungsbeispiele können in unterschiedlicher Art und Weise kombiniert werden. Insbesondere können auch Aspekte des Verfahrens für Ausführungsformen der Vorrichtungen sowie Verwendung der Vorrichtungen verwendet werden und umgekehrt.
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Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass „umfassend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
