DE102020205790A1

DE102020205790A1 - Verfahren zur Herstellung eines bogenartig ausgebildeten Faserverbundbauteils, sowie Preform

Info

Publication number: DE102020205790A1
Application number: DE102020205790.7A
Authority: DE
Inventors: Chris Rennecke; Christian Gensewich
Original assignee: Premium Aerotec GmbH
Current assignee: Premium Aerotec GmbH
Priority date: 2020-05-07
Filing date: 2020-05-07
Publication date: 2021-11-11
Also published as: US20230191662A1; CN115666912A; EP4146458A1; WO2021224207A1

Abstract

Die Erfindung schafft ein Verfahren zur Herstellung eines bogenartig ausgebildeten Faserverbundbauteils. Es wird eine Preform mit einer entlang eines Bogens gebildeten flächigen Faserschichtenanordnung, die einen einer konvexen Außenseite des Bogens zugeordneten Außenrand aufweist, ausgebildet. Der Außenrand wird in der Weise mit sich in die flächige Faserschichtenanordnung hinein erstreckenden Ausnehmungen ausgebildet, dass eine Kontur der Ausnehmungen jeweils zumindest abschnittsweise nahe einer Zielkontur einer in dem Faserverbundbauteil jeweils vorzusehenden Aussparung ausgebildet wird. Die Preform wird in der Weise umgeformt, dass zumindest ein erster Bereich der flächigen Faserschichtenanordnung, der sich an den Außenrand anschließend im Wesentlichen in Richtung des Bogens erstreckt, relativ zu einem von der Außenseite des Bogens abgewandt an den ersten Bereich anschließenden zweiten Bereich der flächigen Faserschichtenanordnung abgebogen oder abgewinkelt wird. Bei der Bildung der umgeformten Preform gehen die Ausnehmungen, die die Preform vor dem Umformen aufweist, in Ausnehmungen der umgeformten Preform über und bleiben geöffnet. Vorgeschlagen wird ferner eine Preform für die Herstellung eines bogenartig ausgebildeten Faserverbundbauteils mittels eines derartigens Verfahrens. Die Erfindung kann insbesondere dazu beitragen, bei der Herstellung des Faserverbundbauteils Material und Arbeitsschritte einzusparen sowie Verschnitt zu vermeiden.

Description

Die Erfindung betrifft die Herstellung von Faserverbundbauteilen, insbesondere die Herstellung eines bogenartig ausgebildeten Faserverbundbauteils sowie eine Preform für die Herstellung eines derartigen Faserverbundbauteils.
Die Herstellung gekrümmter Profile aus Faserverbundkunststoff wird zum Beispiel in der DE 10 2016 109 284 B3 beschrieben. Gemäß der in DE 10 2016 109 284 B3 vorgeschlagenen Vorgehensweise erfolgt die Fertigung des gekrümmten Profils unter Verwendung einer bogenförmigen Preform. Ein innenliegender Bereich der Preform weist eine entlang des Bogenverlaufs gebildete, gewellte Reliefstruktur auf, wohingegen ein außenliegender Bereich der Preform radial ausgerichtete, keilförmige Ausnehmungen aufweist. Der außenliegende Bereich wird als Stauchungsbereich an eine Wangenfläche eines Umformwerkzeugs angeschmiegt, wobei sich die keilförmigen Ausnehmungen schließen.
Bei der herkömmlichen Vorgehensweise sind im Herstellprozess zusätzliche Arbeitsschritte erforderlich, um in Vorbereitung des Umformens die keilförmigen Ausnehmungen in die ebene Preform einzuarbeiten. Hierdurch können sich auch Kosten durch Verschnitt und Materialverluste ergeben. Zum Erzielen der Endkontur des Werkstücks müssen gegebenenfalls gewünschte zusätzliche geometrische Merkmale in einem weiteren Arbeitsgang, z. B. durch Fräsen, mit zusätzlichem Verschnitt bzw. Fräsabfall in das Werkstück eingearbeitet werden.
Es wäre somit wünschenswert, den Materialverbrauch und das Abfallaufkommen gegenüber dieser herkömmlichen Vorgehensweise zu vermindern und darüber hinaus die Anzahl an Arbeitsschritten weiter zu reduzieren, um eine effizientere sowie aufwand- und abfallsparendere Herstellung des Faserverbundbauteils möglich zu machen.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren anzugeben, das es ermöglicht, ein bogenartig geformtes Faserverbundbauteil effizienter herzustellen, insbesondere unter zumindest teilweiser Automatisierung, und hierbei zusätzlich Material und Bearbeitungsschritte einzusparen sowie Abfälle besser zu vermeiden.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und/oder durch eine Preform mit den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst.
Demgemäß wird ein Verfahren zur Herstellung eines bogenartig ausgebildeten Faserverbundbauteils vorgeschlagen, welches umfasst:

- Ausbilden einer Preform mit einer entlang eines Bogens gebildeten flächigen Faserschichtenanordnung aufweisend einen einer konvexen Außenseite des Bogens zugeordneten Außenrand, wobei der Außenrand in der Weise mit sich in die flächige Faserschichtenanordnung hinein erstreckenden Ausnehmungen ausgebildet wird, dass eine Kontur der Ausnehmungen jeweils zumindest abschnittsweise nahe einer Zielkontur einer in dem Faserverbundbauteil jeweils vorzusehenden Aussparung ausgebildet wird. Hierbei kann die Kontur der Ausnehmungen jeweils insbesondere zumindest abschnittsweise bis auf einen Überstand, der nach Weiterverarbeiten der Preform in einem späteren Schritt eine materialentfernende Bearbeitung zum exakten Erreichen der Zielkontur ermöglicht, nahe der Zielkontur ausgebildet werden. Und:
- Umformen der Preform in der Weise, dass zumindest ein erster Bereich der flächigen Faserschichtenanordnung, der sich an den Außenrand anschließend im Wesentlichen in Richtung des Bogens erstreckt, relativ zu einem von der Außenseite des Bogens abgewandt an den ersten Bereich anschließenden zweiten Bereich der flächigen Faserschichtenanordnung abgebogen oder abgewinkelt wird. Hierbei gehen bei der Bildung der umgeformten Preform die Ausnehmungen, die die Preform vor dem Umformen aufweist, in Ausnehmungen der umgeformten Preform über und bleiben geöffnet.

Darüber hinaus ist eine Preform für die Herstellung eines bogenartig ausgebildeten Faserverbundbauteils mittels eines derartigen Verfahrens unter Umformung der Preform vorgesehen. Die Preform weist eine entlang eines Bogens gebildete flächige Faserschichtenanordnung mit einem einer konvexen Außenseite des Bogens zugeordneten Außenrand auf. Der Außenrand ist mit sich in die flächige Faserschichtenanordnung hinein erstreckenden Ausnehmungen ausgebildet. Hierbei ist eine Kontur der Ausnehmungen jeweils zumindest abschnittsweise nahe einer Zielkontur einer in dem herzustellenden Faserverbundbauteil jeweils vorzusehenden Aussparung, insbesondere zumindest abschnittsweise bis auf einen Überstand, der nach Weiterverarbeiten der Preform in einem späteren Schritt eine materialentfernende Bearbeitung zum exakten Erreichen der Zielkontur ermöglicht, ausgebildet.
Gemäß einem anderen Aspekt wird ein weiteres Verfahren zur Herstellung eines, insbesondere bogenartig ausgebildeten, Faserverbundbauteils vorgeschlagen, welches ein Ausbilden einer Preform mit einer, insbesondere entlang eines Bogens gebildeten, flächigen Faserschichtenanordnung, ein Umformen der zuvor gebildeten Preform und ein Weiterverarbeiten der umgeformten Preform umfasst. Bei dem weiteren Verfahren ist vorgesehen, dass das Bilden und/oder Umformen der Preform und/oder das Weiterverarbeiten dieser, insbesondere ein Weiterverarbeiten durch Aushärten eines Matrixmaterials, derart vorgenommen werden, dass das aus der umgeformten Preform hervorgehende, insbesondere ausgehärtete, Werkstück vor einer materialentfernenden Bearbeitung desselben eine Geometrie aufweist, welche in der Weise gezielt von der Zielgeometrie des Faserverbundbauteils abweicht, dass die Geometrie des Werkstücks nach der materialentfernenden Bearbeitung, insbesondere unter Freiwerden von Eigenspannungen im Werkstück, der Zielgeometrie im Wesentlichen entspricht.
Gemäß einem wiederum anderen Aspekt wird ein noch weiteres Verfahren zur Herstellung eines, insbesondere bogenartig ausgebildeten, Faserverbundbauteils vorgeschlagen, welches ein Ausbilden einer Preform mit einer, insbesondere entlang eines Bogens gebildeten, flächigen Faserschichtenanordnung, ein Umformen der zuvor gebildeten Preform und ein Weiterverarbeiten der umgeformten Preform, insbesondere ein Weiterverarbeiten durch Aushärten eines Matrixmaterials, umfasst. Hierbei erfolgt das Bilden der Preform auf einer Legeoberfläche eines Legewerkzeugs, das Umformen der Preform erfolgt mittels eines Umformwerkzeugs, und das Weiterverarbeiten, insbesondere Aushärten, der umgeformten Preform erfolgt mittels eines Weiterverarbeitungswerkzeugs, insbesondere Aushärtewerkzeugs, wobei eine Formgebung der Legeoberfläche und/oder einer Basisfläche der Legeoberfläche und/oder des Umformwerkzeugs und/oder des Weiterverarbeitungswerkzeugs, bevorzugt in Kombination die Formgebung der Legeoberfläche und deren Basisfläche und des Umformwerkzeugs und des Weiterverarbeitungswerkzeugs, gezielt von der Zielgeometrie des Faserverbundbauteils abweicht/abweichen, um Formabweichungen während des Weiterverarbeitens, beispielsweise durch Schrumpfung, und Formabweichungen bei einem materialentfernenden Bearbeiten, etwa durch Freiwerden von Eigenspannungen, zu berücksichtigen, derart, dass das fertige Faserverbundbauteil im Wesentlichen der Zielgeometrie entspricht. Insbesondere kann das Umformwerkzeug hierbei von dem Weiterverarbeitungswerkzeug separat vorgesehen sein oder alternativ bei der Weiterverarbeitung, etwa im Aushärteschritt, verwendet oder mitverwendet werden.
Eine der Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, beim Umformen der Preform einen Längenausgleich in Bogenrichtung in dem ersten Bereich mit Hilfe der Ausnehmungen zu ermöglichen, wobei die Ausnehmungen in der noch nicht umgeformten Preform bereits zielkonturnah vorgesehen werden. Auf diese Weise können Vorläufer für in der Endgeometrie des fertigen Faserverbundbauteils benötigte geometrische Merkmale in Gestalt der Aussparungen für den Flächenausgleich bei der Umformung an der konvexen Außenseite des Bogens, die beim Umformen insgesamt ein Stauchen erfährt, genutzt werden. Zusätzliche Einschnitte oder ähnliches, die zusätzlichen Arbeitsaufwand und Abfall verursachen, werden vermieden. Zugleich wird der Nachbearbeitungsaufwand zur Erzeugung der exakten Zielkontur der Aussparungen vermindert, da weniger Material entfernt werden muss, wobei wiederum nur wenig Abfall anfällt. Der herstellbedingte Material-Mehrverbrauch wird bei der Erfindung also vorteilhaft verringert, ebenso Verschnitt und Abfall. Die Erfindung trägt zu einer effizienten, automatisierbaren und wirtschaftlichen Erstellung der Preform bei.
Weitere Ideen gemäß den weiteren Aspekten beinhalten die Kompensation von erwarteten Formabweichungen des Faserverbundbauteils im Herstellprozess bereits während eines oder mehrerer Schritte der Herstellung, um die Zielgeometrie im fertigen Faserverbundbauteil möglichst genau und effizient zu erreichen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.
In einer Ausgestaltung erstrecken sich die Ausnehmungen durch den ersten Bereich der flächigen Faserschichtenanordnung hindurch und ferner abschnittsweise in den zweiten Bereich der flächigen Faserschichtenanordnung hinein. Dies kann vorteilhaft sein, um geometrische Merkmale des fertigen Faserverbundbauteils bereits in der Preform weitgehend zu berücksichtigen und somit den Nachbearbeitungsaufwand und Verschnitt zu vermindern. Die Ausnehmungen können somit bereits die benötigte finale Größe der Aussparungen weitgehend berücksichtigen.
In einer Weiterbildung werden die Ausnehmungen entlang des Bogens in wenigstens bereichsweise unregelmäßigen Abständen angeordnet. Somit können die Ausnehmungen bereits in der noch nicht umgeformten Preform entsprechend der Spezifikation und dem Einsatzzweck des fertigen Faserverbundbauteils vorgesehen werden. Alternativ oder in Kombination hiermit ist eine Anordnung der Ausnehmungen entlang des Bogens in regelmäßigen oder wenigstens bereichsweise regelmäßigen Abständen jedoch ebenfalls möglich. Abschnitte mit regelmäßiger und unregelmäßiger Anordnung der Ausnehmungen können kombiniert werden.
Insbesondere kann in einer Ausgestaltung die Kontur im Wesentlichen des gesamten Außenrandes der Faserschichtenanordnung zielkonturnah ausgebildet werden.
Gemäß einer Ausgestaltung weist die Aussparung in dem Faserverbundbauteil gemäß der Zielkontur derselben jeweils einen ausgerundeten Grund auf. Insbesondere können die Ausnehmungen der Preform jeweils im Bereich des Grundes derselben eine zumindest annähernd ausgerundete Begrenzung aufweisen, die die Zielkontur der Aussparung im Bereich des ausgerundeten Grundes derselben approximiert. Ein ausgerundeter Grund kann beispielsweise mechanisch vorteilhaft sein und zum Beispiel mechanische Spannungsspitzen vermeiden helfen.
In einer Ausgestaltung wird der Außenrand zusätzlich mit mindestens einem sich in die flächige Faserschichtenanordnung hinein erstreckenden, vor Erreichen des zweiten Bereichs endenden Rückversatz ausgebildet. Auf diese Weise kann die Preform die Zielgeometrie des Faserverbundbauteils noch weitergehend berücksichtigen, beispielsweise auch zur weiteren Verminderung des Bauteilgewichts. Bei anderen, ebenfalls nützlichen und vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung jedoch kann ein derartiger zusätzlicher Rückversatz oder können derartige zusätzliche Rückversätze weggelassen werden.
Bei einer Weiterbildung wird bei dem Ausbilden der Preform die Faserschichtenanordnung auf einer Legeoberfläche gebildet, wobei die Legeoberfläche ein Gebiet mit einer Folge von in Richtung des Bogens aufeinander folgenden Vertiefungen und/oder Erhöhungen relativ zu einer Basisfläche der Legeoberfläche aufweist. Die flächige Faserschichtenanordnung wird hierbei mit einem einer konkaven Innenseite des Bogens zugeordneten Innenrand ausgebildet, und ein dritter Bereich der flächigen Faserschichtenanordnung, der sich an den Innenrand anschließend im Wesentlichen in Richtung des Bogens erstreckt, wird wenigstens teilweise auf dem mit den Vertiefungen und/oder Erhöhungen versehenen Gebiet der Legeoberfläche gebildet. Auf diese Weise kann die Längenänderung in dem dritten Bereich bei einem Abwinkeln oder Abbiegen des dritten Bereichs relativ zu dem zweiten Bereich während des Umformens der Preform mit Hilfe der Vertiefungen und/oder Erhöhungen, die bei der Bildung der Faserschichtenanordnung eine korrespondierenden räumliche Struktur derselben in dem dritten Bereich bewirken, vorgehalten werden. Die Bildung der Faserschichtenanordnung auf diese Weise ermöglicht es also, die in der umgeformten Preform in dem dritten Bereich benötigte zusätzliche Fläche bereitzuhalten, so dass ein problemloses Umformen möglich wird.
Gemäß einer Ausgestaltung werden der erste Bereich und der zweite Bereich der flächigen Faserschichtenanordnung der Preform vor deren Umformen auf einem im Wesentlichen ebenen oder nur wenig gewölbten Oberflächenteil, insbesondere auf einem im Wesentlichen ebenen oder im Vergleich mit dem mit den Vertiefungen und/oder Erhöhungen versehenen Gebiet der Legeoberfläche nur wenig gewölbten Teil der Legeoberfläche, gebildet. In dem ersten Bereich, der an den Außenrand anschließt, kann angesichts der Konvexität der Außenseite bei der Umformung der Preform aus einer im Wesentlichen flachen Ausgangsform heraus der in diesem Bereich dann bestehende Materialüberschuss durch die Ausnehmungen ausgeglichen werden. Die Ausnehmungen können hierbei in dem ersten Bereich, und falls sie sich in den zweiten Bereich hinein erstrecken, auch in dem zweiten Bereich, auf wirkungsvolle und effiziente Weise zielkonturnah ausgebildet werden.
In einer Weiterbildung ist die Legeoberfläche mit den Vertiefungen und/oder Erhöhungen in einem Schnitt parallel zur Bogenrichtung gesehen mit einer wellenartigen Form ausgebildet. Beispielsweise kann die wellenartige Form in zumindest einer Schnittfläche gesehen eine Sinusform sein. Andere, von einer Sinusform abweichende Wellenformen sind jedoch ebenfalls denkbar.
Das Faserverbundbauteil wird insbesondere langgestreckt ausgebildet. Ein derartiges Bauteil kann zum Beispiel zur Versteifung anderer Komponenten, etwa einer Hautkomponente, vorteilhaft Anwendung finden.
Das Faserverbundbauteil wird in einer bevorzugten Ausgestaltung profilförmig mit einem Außenflansch und einem mit dem Außenflansch verbundenen Steg ausgebildet, wobei der Außenflansch mit dem ersten Bereich der flächigen Faserschichtenanordnung und der Steg mit dem zweiten Bereich der flächigen Faserschichtenanordnung gebildet werden.
Insbesondere kann das Faserverbundbauteil in einer weiteren Ausgestaltung profilförmig mit einem Außenflansch, einem Innenflansch und einem mit dem Außenflansch und dem Innenflansch verbundenen Steg zwischen dem Außenflansch und dem Innenflansch ausgebildet werden. Hierbei werden der Außenflansch mit dem ersten Bereich der flächigen Faserschichtenanordnung, der Steg mit dem zweiten Bereich der flächigen Faserschichtenanordnung und der Innenflansch mit dem dritten Bereich der flächigen Faserschichtenanordnung gebildet.
Insbesondere kann die Profilform des Faserverbundbauteils in dessen Querschnitt als ein C-Profil ausgebildet werden.
Eine Höhe des Stegs, somit dessen Abmessung zwischen Außen- und Innenflansch, kann hierbei in weiteren Ausgestaltungen entlang des Bogenverlaufs konstant sein oder variieren. Beispielsweise kann die Höhe des Stegs entlang des Bogens gesehen in der Mitte des Faserverbundbauteils geringer ausgebildet werden als an den stirnseitigen Enden des Faserverbundbauteils. Auf diese Weise kann zum Beispiel unterschiedlichen Anforderungen hinsichtlich Gewicht und Platzbedarf des Faserverbundbauteils zum Einen und der Fähigkeit des Faserverbundbauteils, Lasten aufzunehmen, zum Anderen, in weiter verbesserter Weise entsprochen werden.
Die Preform, sowohl vor als auch nach dem Umformen, kann in weiteren Weiterbildungen lokal unterschiedliche Dicken aufweisen. Auf diese Weise kann es zum Beispiel in weiter verbesserter Weise ermöglicht werden, Gewicht einzusparen und zugleich den Lasten, die das Faserverbundbauteil aufnehmen soll, gerecht zu werden. Unterschiedliche lokale Dicken können zum Beispiel durch lokales Vorsehen einer unterschiedlichen Anzahl an Faserschichten in der Faserschichtenanordnung erzielt werden. Beispielsweise können an stirnseitigen Enden der Preform weniger Faserschichten vorgesehen werden und die Preform somit dünner gestaltet werden als in einem Mittelbereich der Preform, in dem die Preform mit mehr Faserschichten und somit dicker gestaltet werden kann.
In einer bevorzugten Weiterbildung wird die flächige Faserschichtenanordnung durch insbesondere automatisiertes Ablegen von Fasermaterial, insbesondere von Faserbändchen, ausgebildet. Auf diese Weise können Anordnung, Verlauf und Orientierung der Verstärkungsfasern gezielt beeinflusst werden, um beispielsweise die an das Faserverbundbauteil gestellten Anforderungen etwa hinsichtlich Festigkeit, Steifigkeit, Gewicht usw. zu erfüllen. Die Automatisierung des Ablegens kann zu einem effizienten und kostensparenden Fertigungsprozess beitragen.
Das automatisierte Ablegen z. B. der Faserbändchen kann beispielsweise mittels einer automatisierten, zum Beispiel computergesteuerten, Ablegevorrichtung durchgeführt werden. Bei der Ablegevorrichtung kann es sich zum Beispiel um einen Ablegeroboter handeln.
Insbesondere werden bei dem Ablegen der Faserbändchen die Ausnehmungen der Preform in der Weise berücksichtigt, dass bei dem späteren materialentfernenden Bearbeiten zum Erreichen der Zielkontur nur wenig Verschnitt entsteht. Insbesondere kann das Ablegen der Faserbändchen derart erfolgen, dass die Berandungen der abgelegten und mittels der Faserbändchen gebildeten Faserschichten jeweils eine Kontur approximieren, die nahe der Zielkontur des Faserverbundbauteils, insbesondere im Bereich der Ausnehmungen desselben, verläuft.
Ferner werden in dem dritten Bereich der flächigen Faserschichtenanordnung die Faserbändchen insbesondere wenigstens teilweise auf dem mit den Vertiefungen und/der Erhöhungen versehenen Gebiet der Legeoberfläche abgelegt. Hierdurch gelingt es auf einfache und wirkungsvolle Weise, zusätzliche Fläche der Faserschichtenanordnung für das Umformen in dem dritten Bereich bereitzustellen.
In einer Weiterbildung wird die Faserschichtenanordnung mit Verstärkungsfasern ausgebildet, die mit einem Matrixmaterial vorimprägniert sind. Insbesondere können die Faserbändchen mit dem Matrixmaterial vorimprägnierte Verstärkungsfasern aufweisen. Die Vorimprägnierung der Fasern als Pre-preg kann weiter zu einer effizienten Herstellung des Faserverbundbauteils beitragen.
Das Faserverbundbauteil kann in einer Ausgestaltung mit einer Kunststoffmatrix mit einem warmaushärtenden Kunststoffmaterial ausgebildet werden. Hierbei weist das Matrixmaterial vorzugsweise ein unter der Einwirkung von Wärme aushärtbares Kunststoffmaterial, etwa ein Kunstharz, auf.
Alternativ kann das Faserverbundbauteil in einer anderen Ausgestaltung mit einem thermoplastischen Kunststoffmaterial ausgebildet werden. Das Matrixmaterial weist hierbei einen thermoplastischen Kunststoff auf.
Sowohl im Falle des thermoplastischen als auch im Falle des warmaushärtbaren Matrixmaterials werden die Verstärkungsfasern, wie vorstehend beschrieben, mit dem Matrixmaterial vorzugsweise vorimprägniert.
Die Faserschichtenanordnung kann in Weiterbildungen Faserlagen mit unterschiedlicher Faserorientierung aufweisen. Die Faserlagen können insbesondere 0-Grad-Lagen mit einer der Bogenrichtung folgenden Faserorientierung und/oder Lagen mit einer in einem Winkel zur Bogenrichtung verlaufenden Faserorientierung, zum Beispiel 30-Grad-Lagen und/oder 45-Grad-Lagen und/oder 90-Grad-Lagen, umfassen. Weitere, von 0, 30, 45 oder 90 Grad abweichende Winkel zwischen Faser- und Bogenrichtung sind denkbar und können gleichermaßen nützlich und vorteilhaft sein. Insbesondere ist eine beliebige Auswahl von Faserorientierungen und Kombinationen dieser in der Preform möglich, je nach den Anforderungen an das Faserverbundbauteil.
In weiteren Ausgestaltungen sind unterschiedliche Fasertypen zur Bildung der Faserschichtenanordnung denkbar. Beispielsweise kann die Faserschichtenanordnung als Verstärkungsfasern Kohlefasern oder Glasfasern oder eine Kombination dieser aufweisen. Andere Fasertypen kommen ebenfalls in Betracht.
Insbesondere wird das Faserverbundbauteil in einer Ausgestaltung als ein Strukturbauteil für ein Luft- oder Raumfahrzeug, zum Beispiel für ein Flugzeug, ausgebildet. Faserverbundbauteile als Strukturbauteile können auf dem Gebiet der Luft- oder Raumfahrt von großem Nutzen sein, indem vermindertes Bauteilgewicht mit an die erwarteten Lasten besonders gut angepassten mechanischen Bauteileigenschaften kombiniert werden kann. Die Erfindung kann dazu beitragen, derartige vorteilhafte Bauteile auf effizientere und wirtschaftlichere Weise herzustellen.
Das Faserverbundbauteil kann in einer Weiterbildung als ein Spant oder als ein Abschnitt eines Spants für ein Luft- oder Raumfahrzeug ausgebildet werden. Insbesondere ist das Faserverbundbauteil zum Beispiel als ein Spant für die Rumpfschale des Luft- oder Raumfahrzeugs, beispielsweise Flugzeugs, oder als ein Abschnitt eines derartigen Spants ausgebildet. Für Spanten als Strukturbauteile mit häufig relativ komplexer, insgesamt gebogener oder gekrümmter Geometrie kann die Erfindung vorteilhaft zu einer erheblichen Verbesserung des Fertigungsprozesses hinsichtlich Effizienz, Wirtschaftlichkeit und Abfallvermeidung beitragen.
In weiteren Ausgestaltungen kann das Faserverbundbauteil als ein Oberschalenspant oder als ein Seitenschalenspant oder als ein Abschnitt eines Oberschalen- oder Seitenschalenspants ausgebildet sein. Der Oberschalenspant oder Seitenschalenspant verstärkt hierbei beispielsweise eine Oberschale bzw. eine Seitenschale eines Rumpfsegments des Luft- oder Raumfahrzeugs, beispielsweise Flugzeugs.
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird das Faserverbundbauteil als ein Integralspant ausgebildet. Integralspanten tragen dazu bei, die einzelne Herstellung einer Vielzahl von Spantkomponenten und deren Montage und Befestigung aneinander zu vermeiden, und können auf diese Weise zur Verringerung von Arbeitsaufwand und Gewicht beitragen. Die vorgenannten Vorteile der Erfindung sind insbesondere bei integral gebildeten Spanten, die als komplexe Bauteile in einem Stück hergestellt werden sollen, in weiter verstärktem Maße von Nutzen.
In einer Weiterbildung wird mindestens eine der Aussparungen oder werden mehrere oder alle der Aussparungen in dem Faserverbundbauteil jeweils als ein Durchgang für den Durchtritt mindestens eines Stringers vorgesehen. Somit können zum Einen eine beispielsweise bei den genannten Spanten geforderte Vielzahl derartiger Aussparungen effizient bereitgestellt werden. Zum Anderen wird mit Hilfe der als Vorläufer für die Aussparungen dann in Vielzahl in der Preform vorgesehenen Ausnehmungen ein wirkungsvoller Flächenausgleich im ersten Bereich in vorteilhafter Weise möglich.
Insbesondere kann mindestens eine der Aussparungen oder können mehrere oder alle der Aussparungen in dem Faserverbundbauteil mit einer mauselochartigen Form ausgebildet werden.
In einer Ausgestaltung wird das Umformen der Preform als Warmumformen unter Einwirkung von Wärme durchgeführt.
In einer Ausgestaltung wird das warmaushärtende Matrixmaterial nach dem Umformen der Preform ausgehärtet, beispielsweise unter Einsatz von Wärme, insbesondere unter zusätzlicher Einwirkung von erhöhtem Druck, zum Beispiel in einem Autoklaven. Das Aushärten kann in einem hierfür ausgebildeten Aushärtewerkzeug erfolgen.
In weiteren Ausgestaltungen wird das Werkstück nach dem Aushärten entformt und nachfolgend materialentfernend bearbeitet, insbesondere mittels Fräsen, um die Zielkontur zu erreichen. Hierbei kann ein Besäumen des Werkstücks insbesondere in den Ausnehmungen der Preform korrespondierenden Bereichen erfolgen, um die Zielkontur der Aussparungen zu erreichen. Dies trägt zu einer exakten Erreichung der Zielgeometrie bei. Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass der gesamte Randbereich des ausgehärteten Werkstücks zum Besäumen bearbeitet wird.
In Ausgestaltungen können nach dem materialentfernenden Bearbeiten weitere Verfahrenschritte vorgesehen sein, die ein Prüfen der Maßhaltigkeit und/oder der Fehlerfreiheit des Faserverbundbauteils und/oder ein Versiegeln von Kanten des Faserverbundbauteils und/oder eine abschließende Qualitätskontrolle umfassen.
In einer weiteren Ausgestaltung können das Bilden und/oder Umformen der Preform und/oder deren Weiterverarbeiten, insbesondere ein Weiterverarbeiten durch Aushärten des Matrixmaterials, derart vorgenommen werden, dass das aus der umgeformten Preform hervorgehende, insbesondere ausgehärtete, Werkstück vor einer materialentfernenden Bearbeitung desselben eine Geometrie aufweist, welche in der Weise gezielt von der Zielgeometrie des Faserverbundbauteils abweicht, dass die Geometrie des Werkstücks nach der materialentfernenden Bearbeitung, insbesondere unter Freiwerden von Eigenspannungen im Werkstück, der Zielgeometrie im Wesentlichen entspricht. Durch ein derartiges Vorhalten von Verformungen, zum Beispiel des sog. „Spring-In“-Verhaltens des Werkstücks und ggf. anderer Verformungen, können Abweichungen der Form des fertigen Faserverbundbauteils von der angestrebten Zielgeometrie noch weiter verringert werden. Derartige Abweichungen von der angestrebten Zielgeometrie, die ohne ein Vorhalten dieser während des Fertigungsprozesses, und hierbei insbesondere während des Bildens der Preform und/oder deren Umformen und/oder deren Weiterverarbeiten durch Aushärten, im fertigen Bauteil auftreten, können auf das bereits erwähnte Freiwerden der Eigenspannungen bei der mechanischen, materialentfernenden Bearbeitung und zusätzlich auf ein Schrumpfen des Matrixmaterials beim Weiterverarbeiten, etwa einen Harzschrumpf beim Aushärten und Vernetzen des Matrixmaterials, zurückgehen.
Insbesondere kann in einer weiteren Ausgestaltung das Bilden der Preform auf einer Legeoberfläche erfolgen, das Umformen der Preform mittels eines Umformwerkzeugs erfolgen und ein Weiterverarbeiten, insbesondere Aushärten, der umgeformten Preform mittels eines Weiterverarbeitungswerkzeugs, insbesondere Aushärtewerkzeugs, erfolgen, wobei eine Formgebung der Legeoberfläche und/oder deren Basisfläche und/oder des Umformwerkzeugs und/oder des Weiterverarbeitungswerkzeugs, bevorzugt in Kombination die Formgebung der Legeoberfläche und deren Basisfläche und des Umformwerkzeugs und des Weiterverarbeitungswerkzeugs, gezielt von der Zielgeometrie des Faserverbundbauteils abweicht/abweichen, um Formabweichungen während des Weiterverarbeitens, beispielsweise durch Schrumpfung, und Formabweichungen bei einer materialentfernenden Bearbeitung, etwa durch Freiwerden von Eigenspannungen, zu berücksichtigen, derart, dass das fertige Faserverbundbauteil im Wesentlichen der Zielgeometrie entspricht.
Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird dabei der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.
Insbesondere sind sämtliche vorstehend erläuterten Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Weiterentwicklungen auf die Verfahren, auf die Preform und auf die mittels der Verfahren, insbesondere unter Verwendung der Preform, hergestellten Faserverbundbauteile in analoger Weise anwendbar.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Hierbei zeigen:

1 einen beispielhaften Integralspant, gebildet mit einem faserverstärkten Kunststoffmaterial, beispielhaft ausgebildet als ein Seitenschalenspant für eine Rumpfschale eines Luft- oder Raumfahrzeugs, in einer perspektivischen Ansicht;
2 eine Preform gemäß einem Ausführungsbeispiel, vor einem Umformen der Preform, wobei eine Faserschicht mit einer 0-Grad-Orientierung von Verstärkungsfasern in einer Draufsicht gezeigt ist;
3 die Preform der 2 vor dem Umformen der Preform, wobei eine weitere Faserschicht mit einer 45-Grad-Orientierung von Verstärkungsfasern in einer Draufsicht gezeigt ist;
4 eine Legeoberfläche zur Bildung der Preform gemäß dem Ausführungsbeispiel der 2 und 3, schematisch in einer Draufsicht;
5 einen Schnitt entlang der Linie A-A, wie in 4 gezeigt, zur Illustration der Oberflächenform der Legeoberfläche;
6 ein Faserverbundbauteil, erhalten als Werkstück nach Umformen der Preform gemäß dem Ausführungsbeispiel der 2 und 3 sowie nach Aushärtung und Nachbearbeitung;
7 ein Detail aus 2 in der Umgebung einer in 2 am weitesten links dargestellten Ausnehmung der Preform;
8 eine schematische Illustration zur Verdeutlichung des Verformungsverhaltens des Werkstücks durch Eigenspannungen und Harzschrumpf sowie der Berücksichtigung dieses Verformungsverhaltens, in einer Variante des Ausführungsbeispiels; und
9 einen weiteren beispielhaften Integralspant, gebildet mit einem faserverstärkten Kunststoffmaterial, beispielhaft ausgebildet als ein Oberschalenspant für eine Rumpfschale eines Luft- oder Raumfahrzeugs, in einer Seitenansicht.

Die beiliegenden Figuren sollen ein weiteres Verständnis der Ausführungsformen der Erfindung vermitteln. Sie veranschaulichen Ausführungsformen und dienen im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erklärung von Prinzipien und Konzepten der Erfindung. Andere Ausführungsformen und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Zeichnungen. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander gezeigt.
In den Figuren der Zeichnungen sind gleiche, funktionsgleiche und gleich wirkende Elemente, Merkmale und Komponenten - sofern nichts anderes ausgeführt ist - jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
1 zeigt exemplarisch einen Integralspant 100 für eine Rumpfschale eines Luft- oder Raumfahrzeugs, beispielhaft eines Flugzeugs, wobei der Integralspant 100 der 1 als ein Seitenschalenspant ausgebildet ist und somit für den Einsatz in einer als Seitenschale ausgebildeten Rumpfschale vorgesehen ist. Der Integralspant 100 ist als ein strukturelles Faserverbundbauteil des Luft- oder Raumfahrzeugs ausgebildet und beispielsweise aus kohlefaserverstärktem Kunststoffmaterial (CFK) hergestellt.
Der Integralspant 100 der 1 ist profilförmig ausgebildet und weist eine langgestreckte, bogenartig gekrümmte Form auf. Die Querschnittsform des Integralspants 100 der 1 ist im Wesentlichen C-förmig ausgebildet, wobei der Spant 100 einen Steg 101, einen Innenflansch 102 und einen Außenflansch 103 aufweist. In Bezug auf einen in 1 nicht näher bezeichneten Bogen, dem der Spant 100 folgt, sind der Außenflansch 103 einer konvexen Außenseite des Bogens und der Innenflansch 102 einer konkaven Innenseite des Bogens zugeordnet. Der Innenflansch 102 und der Außenflansch 103 sind jeweils einstückig mit dem Steg 101, der zwischen den Flanschen 102 und 103 angeordnet ist, verbunden.
Der Integralspant 100 weist eine Vielzahl von Aussparungen 36 auf, die sich durch den Außenflansch 103 hindurch und in den Steg 101 hinein erstrecken. Die Aussparungen 36 oder eine Mehrzahl dieser können zum Beispiel dafür vorgesehen sein, in einer Rumpfschale des Luft- oder Raumfahrzeugs weitere Versteifungselemente, insbesondere Stringer, die zur zusätzlichen Versteifung auf der Innenseite einer Schalenhaut der Rumpfschale angeordnet sind, durch die Aussparungen 36 hindurchtreten zu lassen. Eine Mehrzahl der Aussparungen 36 sind bei dem Spant 100 der 1 jeweils mauselochartig geformt und können daher als „Mauselöcher“ oder mit dem englischsprachigen Begriff als „mouseholes“ bezeichnet werden. Einige der Aussparungen 36 im Mittenbereich 109 des Integralspants, in 1 zusätzlich mit 36' bezeichnet, sind kleiner ausgebildet, erstrecken sich jedoch ebenfalls in den Steg 101 hinein. Durch die Vielzahl von Aussparungen 36, 36' wird der Außenflansch 103 in eine Anzahl von Abschnitten unterteilt.
Eine Höhe h des Stegs 101 ist in 1 nicht konstant, sondern variiert entlang des Bogenverlaufs. Hierbei ist h in der Mitte 109 des Integralspants 100 geringer als an dessen stirnseitigen Enden 110. Alternativ wäre eine konstante Höhe h denkbar.
Einen weiteren beispielhaften Integralspant 300 als Oberschalenspant für eine als Oberschale ausgebildete Rumpfschale eines Luft- oder Raumfahrzeugs, insbesondere Flugzeugs, zeigt exemplarisch 9. Auch der Integralspant 300 ist als ein strukturelles Faserverbundbauteil des Luft- oder Raumfahrzeugs ausgebildet und beispielsweise aus kohlefaserverstärktem Kunststoffmaterial gefertigt. Auch der Spant 300 der 9 weist eine Vielzahl von Aussparungen 36 auf. Die obigen Erläuterungen zum Spant 100 sind auf den Spant 300 analog anwendbar, mit Ausnahme nachstehend noch beschriebener Unterschiede und mit Ausnahme dessen, dass bei dem Spant 300 die Höhe h des Stegs im Wesentlichen konstant ist und die kleineren Aussparungen 36' fehlen.
Ein Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel zur Herstellung zum Beispiel eines Spants 100 analog jenem der 1 oder eines Spants 300 analog dem der 9 wird nachstehend unter Bezugnahme auf die 2-7 erläutert. Die 2, 3 und 7 zeigen hierbei eine Faserverbundkunststoff-Preform 1, während 6 ein Faserverbundbauteil 200 als ein Werkstück zeigt, das ausgehend von der Preform 1 gemäß dem spezifischen Beispiel der 2, 3, 7 erhalten wurde. Die Preform 1 und das Werkstück 200 können zum Beispiel einem Abschnitt eines Integralspants analog dem Spant 100 der 1 korrespondieren, könnten jedoch in einer Variante stattdessen beispielsweise derart ausgebildet sein, dass sie einem Abschnitt eines Integralspants analog Spant 300 der 9 korrespondieren. Hierbei versteht es sich, dass die Detailgestaltung der beispielhaften Preform 1 und des beispielhaften Werkstücks 200 der 2-7 je nach den an das Faserverbundbauteil, etwa den Spant 100 oder 300, gestellten Anforderungen variiert und insbesondere die Positionen und Anordnung der Aussparungen 36, 36' entlang des Bogens 3 modifiziert werden können. Für die Aussparungen 36 in 6 gilt das oben zu 1 und 9 Gesagte analog. Ein Steg 201, ein Innenflansch 202 und ein Außenflansch 203 sind für das Werkstück 200 in 6 ebenfalls gezeigt.
2 zeigt eine Faserschicht einer flächigen Faserschichtenanordnung 6 der als Ganzes im Wesentlichen flach ausgebildeten Faserverbundkunststoff-Preform 1 für die Herstellung eines bogenartig ausgebildeten Faserverbundbauteils wie etwa des Spants 100 oder 300, im konkreten Fall des beispielhaften Werkstücks 200. Die Faserschichtenanordnung 6 folgt im Wesentlichen einem Bogen 3 mit einer konvexen Außenseite 10 und einer konkaven Innenseite 11. In Bezug auf die Krümmung des Bogens 3 weist die Preform 1 außenseitig einen Außenrand 15 und innenseitig einen Innenrand 16 auf.
Zur Bildung der Faserschichtenanordnung 6 wird vorimprägniertes Fasermaterial in Form von Faserbändchen, gebildet mit kontinuierlichen Verstärkungsfasern, lagen- oder schichtweise in einem sog. AFP-Verfahren automatisiert auf einer Legeoberfläche 78 eines hierfür vorgesehenen Legewerkzeugs oder Tisches mit einem Körper 77, der die Legeoberfläche 78 ausbildet, abgelegt. Die Faserbändchen werden hierbei mittels einer rechnergesteuerten Ablegevorrichtung, beispielsweise eines Ablegeroboters, derart geschichtet abgelegt, dass in der Faserschichtenanordnung 6 Faserschichten mit gewünschter Anordnung und Orientierung der kontinuierlichen Verstärkungsfasern in der gewünschten Abfolge ausgebildet werden. Das Ablegen wird entsprechend der Spezifikation des Faserverbundbauteils 100, 200 oder 300 vorgenommen, um einen Faserverlauf zu erzielen, der gestattet, den Anforderungen an das Faserverbundbauteil 100, 200, 300 hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften und des Gewichts usw. zu entsprechen.
Beim Ablegen der Faserbändchen zum Aufbau der Preform 1 kann die flächige Faserschichtenanordnung 6 lokal mit unterschiedlich vielen Faserschichten aufgebaut werden, wodurch das Faserverbundbauteil 100, 200, 300 lokal unterschiedliche Materialdicke aufweist. Beispielsweise könnten die Enden 110 in 1 dünner als die Mitte 109 ausgebildet sein. Eine konstante Dicke und somit konstante Anzahl an Faserschichten über die ganze Faserschichtenanordnung 6 hinweg ist ebenfalls denkbar.
Bei den Verstärkungsfasern, die in den als Pre-preg bereitgestellten Faserbändchen mit einem bevorzugt warmaushärtenden Harz zur Bildung einer duroplastischen Kunststoffmatrix vorimprägniert sind, kann es sich beispielsweise um Kohlefasern oder um Glasfasern oder andere geeignete Fasern handeln, wobei auch Kombinationen verschiedener Fasertypen grundsätzlich denkbar sind.
In einer Variante ist es ebenfalls möglich, Faserbändchen zum Ablegen der Preform 1 zu verwenden, welche Verstärkungsfasern zum Beispiel eines oder mehrerer der vorstehend genannten Typen aufweisen, die mit einem thermoplastischen Kunststoffmaterial zur Bildung der Matrix vorimprägniert sind.
In 2 ist eine Faserschicht in Draufsicht gezeigt, innerhalb der die Fasern als Endlos- oder kontinuierliche Fasern in 0-Grad-Orientierung verlaufen, d.h. die Fasern verlaufen entlang der Richtung des Bogens 3, mit anderen Worten folgen dem Bogen 3 oder einer Richtung parallel zum Bogen 3.
3 zeigt zur Verdeutlichung beispielhaft eine Faserschicht der Preform 1 mit 45-Grad-Orientierung der Fasern.
Die Faserschichtenanordnung 6 kann bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel Faserschichten mit unterschiedlicher Faserorientierung in unterschiedlicher Kombination und Abfolge beinhalten, insbesondere die Faserschichten mit 0-Grad-Orientierung der Fasern wie in 2 und/oder die Faserschichten mit 45-Grad-Orientierung der Fasern wie in 3 und/oder Schichten mit 90-Grad-Orientierung der Fasern und/oder Schichten mit 30-Grad-Orientierung der Fasern und/oder Schichten, in denen die Fasern auf noch andere Art und Weise orientiert sind. Die winkelmäßige Faserorientierung wird jeweils in Bezug auf die Richtung des Bogens 3 betrachtet.
Der Außenrand 15 wird bei der Bildung der Preform 1 mit Ausnehmungen 21 ausgebildet, die sich in die flächige Faserschichtenanordnung 6 hinein erstrecken. Bezugszeichen 22 bezeichnet die beim Ablegen der Faserbändchen erzeugte Kontur im Bereich des Außenrands 15 für die in den Figuren jeweils illustrierte Faserlage, wohingegen Bezugszeichen 25 die in 7 zur Verdeutlichung gestrichelt dargestellte Zielkontur der Preform 1 bezeichnet.
Die Kontur 22 wird im Bereich jeder der Ausnehmungen 21 hierbei derart ausgebildet, dass die Kontur 22 zumindest abschnittsweise, in 2, 7 beispielhaft für einen großen Teil der sich mit zungenartiger Form in die Faserschichtenanordnung 6 hinein erstreckenden Ausnehmung 21, nahe einer Zielkontur 45 einer Aussparung 36 oder 36', die in dem Faserverbundbauteil 100, 200 oder 300 zu bilden ist, verläuft. Diese Zielkontur der Aussparung 36 ist für die Preform 1 z. B. in der Vergrößerung der 7, die ein Detail in der Umgebung der in 2 am weitesten links befindlichen Ausnehmung 21 zeigt, mit dem Bezugszeichen 28 bezeichnet. 7 verdeutlicht die bauteilkonturnahe Bildung der Faserverbundkunststoff-Preform 1.
2 zeigt, dass die flächige Faserschichtenanordnung 6 einen ersten Bereich 55, einen zweiten Bereich 56 und einen dritten Bereich 57 aufweist. Der erste Bereich 55 wird auf der konkaven Außenseite 10 des Bogens 3 durch den Außenrand 15 begrenzt. Innenseitig, d.h. von der Außenseite 10 abgewandt schließt der zweite Bereich 56 an den ersten Bereich 55 an. Weiter innenseitig, d.h. wiederum der Außenseite 10 abgewandt schließt der dritte Bereich 57 an den zweiten Bereich 56 an. Somit begrenzt der Innenrand 16 den dritten Bereich 57 auf der konkaven Innenseite 11. Der erste, zweite und dritte Bereich 55, 56, 57 erstrecken sich jeweils streifenartig entlang der Richtung des Bogens 3. Eine bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel im Wesentlichen bogenförmige gedachte Linie 61 zeigt hierbei die Grenze zwischen den ersten und zweiten Bereichen 55, 56 auf, während eine ebenfalls bei diesem Ausführungsbeispiel gekrümmte, gedachte Linie 62 die Grenze zwischen den zweiten und dritten Bereichen 56, 57 illustriert.
In dem Bereich 55, der später - wie weiter unten noch im Einzelnen beschrieben wird - den Außenflansch 103, 203 des Faserverbundbauteils 100, 200 oder 300 bilden wird, wird die Preform 1 somit, wie vorstehend beschrieben, bauteilkonturnah abgelegt. Bereits vor dem Umformen werden alle Wesentlichen geometrischen Merkmale des Außenflansches 103, 203 in dem Bereich 55 angelegt, insbesondere die Aussparungen 36, 36' und hierbei wiederum insbesondere die „mouseholes“ 36. Die Preform 1 kann somit als eine bauteilkontur-getreue Preform 1 bezeichnet werden.
7 illustriert, dass die Kontur 22 derart ausgebildet ist, dass die Preform 1 relativ zur Zielkontur 28 einen Überstand 29 aufweist. Der Überstand 29 ermöglicht es, in einem späteren Verfahrensschritt, nach einem noch zu erläuternden Umformen der Preform 1 und einem nachfolgenden Aushärteschritt, durch mechanische Bearbeitung wie etwa Fräsen Material zu entfernen, um die exakte, angestrebte Zielkontur 28 im fertigen Faserverbundbauteil 100, 200, 300 als Zielkontur 45 zu erzielen. Die Kontur 28 kann also auch als die Fräslinie nach dem Aushärten, dargestellt in der Preform 1, angesehen werden.
Die Ausnehmungen 21 werden bereits bei dem Aufbau der Preform 1 durch automatisiertes Ablegen der Faserbändchen berücksichtigt, d.h. die einzelnen Faserbändchen werden in der Weise abgelegt und hierbei in ihrer Länge beschnitten, dass die Berandung der abgelegten Faserbändchenanordnung die Kontur 22 bildet. Die Kontur 22 ist bei dem dargestellten Beispiel aufgrund eines geraden Zuschnitts der Enden der Faserbändchen auf die jeweils geforderte Länge nicht exakt glatt, approximiert aber eine glatte Kontur 22 nahe der Zielkontur 28. Auf diese Weise kommt es zu wenig Verschnitt. Ein nachträgliches Einarbeiten der Kontur 22 im Bereich der Ausnehmungen 21 in eine vollflächige Faseranordnung, etwa durch Einschneiden in diese vor dem Umformen der Preform 1, kann somit vermieden werden.
Die 2 und 7 beispielsweise zeigen auch, dass eine vorrichtungsseitig ggf. bedingte minimale Ablegelänge der Faserbändchen zu nachträglich und zum Beispiel gemeinsam mit dem Überstand 29 zu entfernenden Überständen 30 der tatsächlich abgelegten Kontur 22 über die Zielkontur 25 der Preform 1 im Bereich des Außenrands 15 führen kann. Dies kann namentlich in Bereichen der Preform 1 der Fall sein, in denen die abgelegten Bändchen bei der gegebenen Faserorientierung relativ kurz sind. Vorzugsweise wird durch Optimierung ein Verlauf der Kontur 22 möglichst nahe der Zielkontur 25 der Preform 1 mit nur geringen Überständen 30 angestrebt. Bei der in 3 beispielhaft gezeigten Faserschicht ergeben sich beim Ablegevorgang Überstände 31 statt der Überstände 30 gemäß 2 und 7.
Die Ausnehmungen 21 sind in 2 in bereichsweise unregelmäßigen Abständen voneinander in die Preform 1 eingearbeitet. In einem in 2 linksseitigen Bereich der Preform 1 beträgt der Abstand der Ausnehmungen 21, genommen von Mitte zu Mitte der Ausnehmung 21, beispielhaft d1, während zwei Ausnehmungen 21 in 2 rechtsseitig einen größeren Abstand d2 voneinander aufweisen. Die Wahl der Anordnung der Ausnehmungen 21 ist hierbei bauteilspezifisch und derart gewählt, dass die Ausnehmungen 21 geeignete Vorläufer für die im Faserverbundbauteil 100, 200, 300 gewünschten Aussparungen 36 bilden können. Eine bereichsweise oder auch insgesamt regelmäßige Beabstandung der Ausnehmungen 21 ist ebenfalls denkbar und kann nützlich sein, insbesondere wenn die Aussparungen 36 später zum Beispiel als „mouseholes“ dienen sollen. Eine derartige regelmäßige Beabstandung von Aussparungen 36 ist z. B. in 9 für das Faserverbundbauteil 300 gezeigt.
Die Ausnehmungen 21 erstrecken sich in der Preform 1 durch den ersten Bereich 55 hindurch und abschnittsweise in den zweiten Bereich 56 hinein, wodurch ein Teil der Aussparung 36 später im Steg 101, 201 vorliegt, siehe 2 und 7. Im Bereich eines Grundes 23 der Ausnehmung 21, der bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel beispielhaft zu der Innenseite 11 des Bogens 3 hin gerichtet ist, approximiert die Kontur 22 eine ausgerundete Zielkontur 25 der Preform 1. Somit weist die Ausnehmung 21 im Bereich ihres Grundes 23 eine im Wesentlichen ausgerundete Begrenzung auf, die nahe der Kontur 28, 45 des ebenfalls ausgerundeten Grundes 46 der Aussparung 36 im Faserverbundbauteil 100, 200, 300 verläuft.
Am Außenrand 15 weist die Preform 1 in Übereinstimmung mit deren gestrichelt angedeuteter Zielkontur 25 zudem Rückversätze 66a, 66b auf, die sich nicht in den zweiten Bereich 56 hinein erstrecken. Auf diese Weise können in dem Außenflansch 103, 203 des fertigen Faserverbundbauteils 100, 200, 300 z. B. an dessen Berandung vorstehende laschenartige Abschnitte 104, 204 ausgebildet werden, siehe auch 1 und 6. In 2 und 7 sind die Vorläufer der laschenartigen Abschnitte 104 bzw. 204 mit dem Bezugszeichen 68 bezeichnet.
Die Legeoberfläche 78, siehe 4 und 5, weist ein Gebiet auf, auf dem die Legeoberfläche 78 mit einer Folge von Vertiefungen 79 und Erhöhungen 81 relativ zu einer Basisfläche 80 ausgebildet ist. Die Vertiefungen 79 und Erhöhungen 81 folgen entlang des Bogens 3 in beispielsweise regelmäßiger Abfolge aufeinander.
Bei der Bildung der flächigen Faserschichtenanordnung 6 werden die Faserbändchen in dem dritten Bereich 57, oder die in dem dritten Bereich 57 jeweils zu liegen kommenden Abschnitte der Faserbändchen, auf dem mit den Vertiefungen 79 und Erhöhungen 81 versehenen Teilgebiet der Legeoberfläche 78 abgelegt, wodurch die abgelegte Faserschichtenanordnung 6 im dritten Bereich 57 eine wellenartige, dreidimensionale Struktur erhält und zusätzliche Fläche in dem dritten Bereich 57 bereitgestellt wird.
Die Legeoberfläche 78 ist in dem mit den Vertiefungen 79 und Erhöhungen 81 ausgestatteten Gebiet in einem Schnitt A-A längs eines Bogenabschnitts in 5 im Detail gezeigt. Die Basisfläche 80 kann hierbei sich beispielsweise kontinuierlich in einen Teil 85 der Legeoberfläche 78 hinein fortsetzen, d.h. die Vertiefungen 79 oder Erhöhungen 81 sind in diesem Fall relativ zu der Legeoberfläche 78 im Teil 85 eingetieft bzw. hervorstehend ausgebildet. Im Schnitt A-A entspricht die wellenartige Oberflächenform der Legeoberfläche 78 einer Sinuswelle, wobei es sich anhand 4 versteht, dass z.B. in anderen Schnitten parallel zum Schnitt A-A und z.B. weiter in Richtung des Teils 85 gelegen die Wellenform verändert, da die Vertiefungen 79 in Richtung von der Innenseite 11 des Bogens 3 weg schmaler und weniger tief werden. In diesem Sinne stellt 5 eine Art mittleren Schnitt durch das wellenartig geformte Gebiet der Legeoberfläche 78 dar. Andere Wellenformen in dem mittleren Schnitt sind ebenfalls in Varianten denkbar. Es versteht sich ferner, dass in 4 vor allem jene Abschnitte der Legeoberfläche 78 gezeigt sind, auf denen beim Ablegen Faserbändchen zu liegen kommen und die Faserschichtanordnung 6 der 2, 3 gebildet wird. Die Legeoberfläche 78 kann jedoch zweckmäßig auch über die Berandung der Faserschichtenanordnung 6 noch hinausragen, z. B. für die Bildung noch größerer Preforms. Auch die Vertiefungen 79 und/oder Erhöhungen 81 können sich über den in 4 gezeigten Teil der Legeoberfläche 78 noch hinaus erstrecken.
Anders als in dem dem dritten Bereich 57 zugeordneten Gebiet weist die Legeoberfläche 78 in dem weiteren Teil 85 keine Vertiefungen oder Erhöhungen auf, sondern ist innerhalb des Teils 85 im Wesentlichen eben oder im Vergleich mit den vorgenannten Vertiefungen 79 und Erhöhungen 81 nur leicht gewölbt. Der erste Bereich 55 und der zweite Bereich 56 werden durch Ablegen der Faserbändchen auf dem Teil 85 der Legeoberfläche 78 gebildet und werden somit korrespondierend zu diesem Teil 85 der Legeoberfläche 78 im Wesentlichen eben oder nur leicht gewölbt ausgebildet.
Nach Fertigstellen der Preform 1 wird diese einem Warmumformen unterzogen. Hierzu kann die Preform 1 von der Legeoberfläche 78 zunächst abgenommen werden.
Das Warmumformen kann mittels eines in den Figuren nicht näher gezeigten Umformwerkzeugs erfolgen. Dieses Umformwerkzeug kann zum Beispiel eine Oberfläche zum Auflegen des zweiten Bereichs 56 und gekrümmte längsseitige Flächen zum Anschmiegen der ersten und dritten Bereiche 55, 57 an diese gekrümmten Flächen aufweisen.
Bei dem Umformen der Preform 1 bleibt der zweite Bereich 56 bei diesem Beispiel im Wesentlichen ohne Verformung. Insbesondere verbleibt der zweite Bereich 56 eben oder nur leicht gekrümmt. Der zweite Bereich 56 könnte jedoch auch im Schritt des Umformens ausgehend von einer eben abgelegten Gestalt desselben mit einer leichten Wölbung versehen werden.
Der erste Bereich 55 wird bei dem Umformen relativ zu dem zweiten Bereich 56 aus der Zeichenebene der 2 heraus nach oben oder unten entlang der bogenartigen Linie 61 abgebogen oder abgewinkelt, derart, dass der erste Bereich 55 nach dem noch zu beschreibenden Aushärten und materialentfernenden Besäumen den Außenflansch 103 oder 203 des Faserverbundbauteils 100 bzw. 200 oder 300 bildet.
Der dritte Bereich 57 wird bei dem Umformen relativ zu dem zweiten Bereich 56 beispielhaft auf die gleiche Seite wie der erste Bereich 55, also in 2 nach oben oder stattdessen nach unten aus der Zeichenebene heraus, entlang der bogenartigen Linie 62 abgebogen oder abgewinkelt. Dies geschieht in der Weise, dass der dritte Bereich 57 nach dem Aushärten und materialentfernenden Bearbeiten den Innenflansch 102 oder 202 des Faserverbundbauteils 100 bzw. 200 oder 300 bildet.
Der Steg 101 oder 201 des Faserverbundbauteils 100, 200 oder 300 wird nach dem Aushärten und Besäumen durch den mittleren, zweiten Bereich 56 gebildet.
Bei diesem Umformen erfolgt mittels der Ausnehmungen 21 ein Ausgleich des Flächenüberschusses, der in dem ersten Bereich 55 gegenüber dessen im Wesentlichen flacher Form vor dem Umformvorgang vorliegt. Die Ausnehmungen 21 nehmen hierbei die Längenänderungen in Richtung des Bogens 3 auf, ohne sich jedoch zu schließen. Die Ausnehmungen 21 der Preform 1 gehen in Ausnehmungen der umgeformten Preform 1 über und bleiben als Vorläufer der Aussparungen 36, 36' geöffnet.
Während also der mittlere, zweite Bereich 56 bei dem Warmumformen „liegen bleibt“ oder allenfalls eine leichte Wölbung erfährt, und später den gemäß finaler Geometrie ebenen Steg 101 oder 201 bildet, bildet der erste Bereich 55 später den bogenartig gekrümmten Außenflansch 103 oder 203 aus, wobei bei dem Umformen der Längenausgleich mit Hilfe der Ausnehmungen 21 erfolgt.
Bei dem Abwinkeln oder Abbiegen des dritten Bereichs 57 zur Bildung des bogenartig gekrümmten Innenflansches 102, 202 stellt zudem die weiter oben beschriebene wellenartige Struktur in dem dritten Bereich 57 die erforderliche Fläche bereit, um die Umformung problemlos und ohne Beschädigung oder ungewollte Veränderung der Faseranordnung bewerkstelligen zu können.
Die nicht näher gezeigte umgeformte Preform kann in einem geeigneten, ebenfalls nicht näher dargestellten Aushärtewerkzeug unter der Wirkung von erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur, insbesondere nach Aufbringung einer Vakuumfolie und beispielsweise in einem Autoklaven, ausgehärtet werden. Zum Aushärten des Matrixmaterials und Bildung der duroplastischen Matrix kann eine Temperatur von beispielsweise 180 °C zur Anwendung kommen.
Das Aushärtewerkzeug kann hierbei zum Beispiel an die Form der gebildeten Ausnehmungen 21 angepasst sein, um das die Matrix bildende Material während des Aushärtevorgangs an Ort und Stelle zu halten. Zum Beispiel könnte ein einsetzbarer Kern vorgesehen sein, der eine der Anordnung der Ausnehmungen 21 und allgemein der Form des Außenrandes 15 korrespondierende Negativstruktur aufweist.
Ist das Aushärten beendet, dann wird das Werkstück entformt, d.h. der Vakuumsack entfernt und das Werkstück aus dem Aushärtewerkzeug entnommen. Danach wird das Werkstück materialentfernend bearbeitet. Bei dieser Bearbeitung wird durch Fräsen die präzise Zielkontur 45, dargestellt in 2 mittels der Linie 28 für den Zustand der Preform 1, erzielt. Nachdem bereits in der Preform 1 die Ausnehmungen 21 bauteilkonturnah ausgebildet wurden, wird im Schritt der materialentfernenden Nachbearbeitung durch Befräsen nur wenig Material entfernt, um die finale Geometrie zu erzielen. Somit entstehen wenig Verschnitt und wenig Abfall.
Der verringerte Materialeinsatz führt in wirtschaftlich günstiger Weise zu verringerten Kosten. Die Aussparungen 36 müssen also nicht zur Gänze nachträglich eingearbeitet werden, sondern deren durch die Ausnehmungen 21 gebildete Vorläufer erfahren nach dem Aushärten lediglich eine Art Besäumen zur Darstellung der exakten Zielgeometrie. Das Besäumen kann entlang des gesamten Außen- und Innenrandes 15, 16 sowie der stirnseitigen Ränder des Werkstücks vorgenommen werden.
Nach dem Befräsen werden vorzugsweise Maßhaltigkeit und Fehlerfreiheit des erhaltenen Faserverbundbauteils 100, 200 oder 300 geprüft, die Kanten des Faserverbundbauteils 100, 200, 300 versiegelt und das Faserverbundbauteil 100, 200, 300 einer abschließenden Qualitätskontrolle unterzogen.
Bei einem Faserverbundbauteil wie etwa dem Integralspant 100, der eine Länge von mehreren Metern, zum Beispiel zwischen 4 und 5 m, aufweisen kann, oder dem Integralspant 300 mit einer beispielhaften Länge von zwischen 3 und 4 m, ist vielfach eine hohe Konturgenauigkeit erwünscht. Bei dem vorstehend beschriebenen Fräsvorgang können aber im Material vorhandene Eigenspannungen im ausgehärteten Werkstück frei werden, was zu einer Deformation des Werkstücks und damit zu Abweichungen von der Sollkontur führt. Darüber hinaus kann es beim vorhergehenden Aushärten des Matrixmaterials durch das Vernetzen desselben zu einem Schrumpfen im Werkstück kommen. Sowohl das Schrumpfen der Matrix als auch das Freiwerden der Eigenspannungen führen zu Geometrieveränderungen im letztlich erhaltenen Faserverbundbauteil 100, 200, 300 und in Kombination miteinander zu Abweichungen von dessen Sollgeometrie.
In einer vorteilhaften Variante der vorstehend gemäß einem Ausführungsbeispiel erläuterten Vorgehensweise zur Herstellung eines Faserverbundbauteils wie etwa des Integralspants 100 oder 300 werden das Umformen der Preform 1 und das Aushärten der umgeformten Preform mittels eines Umformwerkzeugs und eines von dem Umformwerkzeug separat vorgesehenen Aushärtewerkzeugs durchgeführt, wobei die Geometrie des Aushärtewerkzeugs, vorzugsweise auch des Umformwerkzeugs, eine Verformung relativ zu der Sollgeometrie des fertigen Faserverbundbauteils umfasst, die die Deformation aufgrund der Eigenspannungen und des Schrumpfens und insbesondere das so genannte „Spring-In“-Verhalten des Werkstücks „vorhält“. Dies bedeutet, dass die Geometrie des Umform- und/oder Aushärtewerkzeugs von der exakten Zielgeometrie des Faserverbundbauteils 100, 200, 300 abweicht, und zwar derart, dass das aus der umgeformten Preform hervorgehende Werkstück nach dem Aushärten und vor dem Fräsvorgang eine Geometrie aufweist, die gezielt von der Zielgeometrie des Faserverbundbauteils 100, 200, 300 abweicht. Diese Abweichung wird derart gewählt, dass die Geometrie des Werkstücks nach dem Befräsen möglichst genau der vordefinierten Zielgeometrie entspricht. Durch Freiwerden von Eigenspannungen im Werkstück bei dem Fräsvorgang kommt es zu einer Verformung des Werkstücks. Durch das vorstehend beschriebene gezielte Vorhalten dieser Geometrieveränderung kann erzielt werden, dass das Faserverbundbauteil 100, 200, 300 nach dem Fräsen noch genauer der vorgegebenen Zielgeometrie entspricht.
8 illustriert das Vorhalten der Verformung z. B. des Faserverbundbauteils 100, 200 oder 300, die ohne dieses Vorhalten nach dem Abschluss des Fräsvorgangs vorliegen würde. Die Verformungen oder Formabweichungen sind in 8 der Deutlichkeit halber übertrieben dargestellt. Wie erläutert, können diese Formabweichungen auf das vorgenannte Freiwerden von Eigenspannungen, auf den Harzschrumpf oder auf beide Effekte in Kombination zurückgehen.
Mit 91 ist beispielhaft eine Geometrie eines optimierten Aushärtewerkzeugs gezeigt. Die nominale oder Soll- oder Ziel-Geometrie des Faserverbundbauteils 100, 200, 300 ist mit 92 bezeichnet. Die kompensierte Formabweichung des Werkstücks mit der Soll-Geometrie 92 nach dem Befräsen ist als 93 dargestellt. Bezugszeichen 94a-e bezeichnen verschiedene Arten der Verformung, aus denen die mit 93 bezeichnete Abweichung von der Sollgeometrie zusammengesetzt ist, beispielsweise Schub 94a, Expansion 94b, Torsion 94c, Biegung 94d und „Spring-In“ 94e.
Das vorstehend erläuterte Schrumpfverhalten des warmaushärtenden Harzes kann, wie erwähnt, zu den Verformungen 94a-e beitragen. Harzschrumpf im Bereich des Verbindungsradius von Außen- bzw. Innenflansch und Steg (in 8 nicht näher bezeichnet) trägt zum „Spring-In“ 94e bei. Weitere Beiträge durch Schrumpfen gehen insbesondere in eine Veränderung 94b in Längsrichtung des Bauteils 100, 200, 300, in eine Verbiegung 94d, sowie, insbesondere bei unterschiedlich dimensionierten Innen- und Außenflanschen, in eine Torsion 94c, ein.
Mit Hilfe der von 92 abweichenden Werkzeuggeometrie 91 des Aushärtewerkzeugs wird gemäß 8 die Deformation antizipiert und ausgeglichen. Zum Beispiel könnte hierfür der Steg 101, 201 nach dem Aushärten, aber vor dem Fräsen leicht gewölbt sein, wie durch die Geometrie 91 angedeutet. Auch könnten, siehe 8, Außen- und Innenflansch in der Geometrie 91 etwas nach „außen“, also vom Innenbereich des Profils weg, geneigt sein, um das „Spring-In“ 94e auszugleichen.
Die Geometrieabweichung des fertigen Faserverbundbauteils 100, 200, 300 von der Zielgeometrie kann beispielhaft allein im Aushärtewerkzeug berücksichtigt und vorgehalten werden. Alternativ kann zusätzlich eine Berücksichtigung und ein „Vorhalten“ bei der Gestaltung der Geometrie des Umformwerkzeugs vorgenommen werden.
Bevorzugt jedoch wird die oben erläuterte, erwartete Geometrieabweichung des fertigen Faserverbundbauteils 100, 200, 300 von der Zielgeometrie 92 während des Bildens der Preform 1 und deren Umformen und deren Aushärten bereits berücksichtigt und „vorgehalten“.
Beispielsweise wird vorliegend ein Legewerkzeug mit der Legeoberfläche 78 und dem Legewerkzeugkörper 77, ein von dem Legewerkzeug separat vorgesehenes Umformwerkzeug, und ein wiederum von dem Umformwerkzeug separat vorgesehenes Aushärtewerkzeug zur Bildung und Vorbereitung der Preform 1 und Herstellung des Faserverbundbauteils 100, 200 bzw. 300 genutzt. Die Integration des Umformwerkzeugs in den Härteprozess, etwa als Teil des Aushärtewerkzeugs, ist in einer Variante jedoch ebenfalls denkbar.
Bei einer bevorzugten Vorgehensweise zum Vorhalten der Geometrieveränderungen durch Eigenspannungen und Harzschrumpf werden die Formabweichungen bereits bei der Gestaltung des Legewerkzeugs und somit bei der Bildung der Preform 1 berücksichtigt, darüber hinaus aber auch in der geometrischen Gestaltung jeweils des Umform- und des Aushärtewerkzeugs.
Entsprechend kann zum Beispiel die Basisfläche 80 der Legeoberfläche 78 bereits komplex geformt sein, beispielsweise durch Einbringen einer Wölbung und/oder einer Krümmung entlang des Bogens 3, etwa als ein globaler Radius, und/oder einer Verwindung um die Bogenrichtung 3. Die Wölbung und/oder Krümmung und/oder Verwindung und/oder der globale Radius zum Vorhalten der Deformation 93 kann jedoch, wie erläutert, auch erst beim Umformen oder Aushärten der Preform 1 eingebracht werden, wobei die verwendeten Werkzeuge entsprechend ausgestaltet sind.
Vorstehend wurde die Herstellung von Faserverbundbauteilen 100, 200, 300 beschrieben, bei denen Verstärkungsfasern in eine duroplastische Kunststoffmatrix eingebettet sind, wobei die Matrix durch Aushärten eines Harzes gebildet wird. Wie bereits erwähnt, kann auch ein thermoplastisches Kunststoffmaterial für die Matrix in Betracht kommen. In diesem Falle wird die Matrix nicht ausgehärtet, kann aber zum Beispiel nach dem Warmumformen zur Fixierung der endgültigen Gestalt einer erhöhten Temperatur ausgesetzt werden, wobei z. B. die Glasübergangstemperatur der thermoplastischen Matrix überschritten wird.
Wenngleich die Erfindung vorstehend anhand von Ausführungsbeispielen vollständig beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.
Insbesondere ist die Erfindung nicht auf Spante für Rumpfschalen als Faserverbundbauteile beschränkt. Auch bei der Herstellung anderer profilförmiger und gekrümmter Faserverbundteile kann die Erfindung nützlich sein und Anwendung finden.
Bezugszeichenliste

1: Preform
3: Bogen
6: Faserschichtenanordnung
10: Außenseite
11: Innenseite
15: Außenrand
16: Innenrand
21: Ausnehmung
22: Kontur (Preform)
23: Grund
25: Zielkontur (Preform)
28: Zielkontur (Faserverbundbauteil; gezeigt in Preform)
29: Überstand
30: Überstand
31: Überstand
36, 36': Aussparung
45: Zielkontur
46: Grund
55: erster Bereich
56: zweiter Bereich
57: dritter Bereich
61: Linie
62: Linie
66a, 66b: Rückversatz
68: Vorläufer für laschenartigen Abschnitt
77: Legewerkzeugkörper
78: Legeoberfläche
79: Vertiefung (Legeoberfläche)
80: Basisfläche (Legeoberfläche)
81: Erhöhung (Legeoberfläche)
85: Teil (Legeoberfläche)
91: Geometrie des Aushärtewerkzeugs
92: Zielgeometrie des Faserverbundbauteils
93: kompensierte Verformung des Faserverbundbauteils
94a-e: Verformungen
100: Integralspant
101: Steg
102: Innenflansch
103: Außenflansch
104: laschenartiger Abschnitt
109: Mitte
110: stirnseitiges Ende
200: Faserverbundbauteil
201: Steg
202: Innenflansch
203: Außenflansch
204: laschenartiger Abschnitt
300: Integralspant
d1, d2: Abstand
h: Höhe (Steg)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102016109284 B3 [0002]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines bogenartig ausgebildeten Faserverbundbauteils (100; 200; 300), umfassend: Ausbilden einer Preform (1) mit einer entlang eines Bogens (3) gebildeten flächigen Faserschichtenanordnung (6) aufweisend einen einer konvexen Außenseite (10) des Bogens (3) zugeordneten Außenrand (15), wobei der Außenrand (15) in der Weise mit sich in die flächige Faserschichtenanordnung (6) hinein erstreckenden Ausnehmungen (21) ausgebildet wird, dass eine Kontur (22) der Ausnehmungen (21) jeweils zumindest abschnittsweise nahe einer Zielkontur (28, 45) einer in dem Faserverbundbauteil (100; 200; 300) jeweils vorzusehenden Aussparung (36, 36'), insbesondere zumindest abschnittsweise bis auf einen Überstand (29), der nach Weiterverarbeiten der Preform (1) in einem späteren Schritt eine materialentfernende Bearbeitung zum exakten Erreichen der Zielkontur (28, 45) ermöglicht, ausgebildet wird; und Umformen der Preform (1) in der Weise, dass zumindest ein erster Bereich (55) der flächigen Faserschichtenanordnung (6), der sich an den Außenrand (15) anschließend im Wesentlichen in Richtung des Bogens (3) erstreckt, relativ zu einem von der Außenseite (10) des Bogens (3) abgewandt an den ersten Bereich (55) anschließenden zweiten Bereich (56) der flächigen Faserschichtenanordnung (6) abgebogen oder abgewinkelt wird, wobei bei der Bildung der umgeformten Preform die Ausnehmungen (21), die die Preform (1) vor dem Umformen aufweist, in Ausnehmungen der umgeformten Preform übergehen und geöffnet bleiben.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Ausnehmungen (21) durch den ersten Bereich (55) der flächigen Faserschichtenanordnung (6) hindurch und ferner abschnittsweise in den zweiten Bereich (56) der flächigen Faserschichtenanordnung (6) hinein erstrecken.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (21) entlang des Bogens (3) in wenigstens bereichsweise unregelmäßigen Abständen (d1, d2) angeordnet werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparung (36, 36') in dem Faserverbundbauteil (100; 200; 300) gemäß der Zielkontur (28, 45) derselben jeweils einen ausgerundeten Grund (46) aufweist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenrand (15) zusätzlich mit mindestens einem sich in die flächige Faserschichtenanordnung (6) hinein erstreckenden, vor Erreichen des zweiten Bereichs (56) endenden Rückversatz (66a, 66b) ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Ausbilden der Preform (1) die Faserschichtenanordnung (6) auf einer Legeoberfläche (78) gebildet wird, welche ein Gebiet mit einer Folge von in Richtung des Bogens (3) aufeinander folgenden Vertiefungen (79) und/oder Erhöhungen (81) relativ zu einer Basisfläche (80) der Legeoberfläche (78) aufweist, wobei die flächige Faserschichtenanordnung (6) mit einem einer konkaven Innenseite (11) des Bogens (3) zugeordneten Innenrand (16) ausgebildet wird und ein dritter Bereich (57) der flächigen Faserschichtenanordnung (6), der sich an den Innenrand (16) anschließend im Wesentlichen in Richtung des Bogens (3) erstreckt, wenigstens teilweise auf dem mit den Vertiefungen (79) und/oder Erhöhungen (81) versehenen Gebiet der Legeoberfläche (78) gebildet wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Bereich (55) und der zweite Bereich (56) der flächigen Faserschichtenanordnung (6) der Preform (1) vor deren Umformen auf einem im Wesentlichen ebenen oder nur wenig gewölbten Oberflächenteil, insbesondere auf einem im Wesentlichen ebenen oder im Vergleich mit dem mit den Vertiefungen und/oder Erhöhungen versehenen Gebiet der Legeoberfläche (78) nur wenig gewölbten Teil (85) der Legeoberfläche (78), gebildet werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Faserverbundbauteil (100; 200; 300) profilförmig mit einem Außenflansch (103; 203), einem Innenflansch (102; 202) und einem mit dem Außenflansch (103; 203) und dem Innenflansch (102; 202) verbundenen Steg (101; 201) zwischen dem Außenflansch (103; 203) und dem Innenflansch (102; 202) ausgebildet wird, wobei der Außenflansch (103; 203) mit dem ersten Bereich (55) der flächigen Faserschichtenanordnung (6), der Steg (101; 201) mit dem zweiten Bereich (56) der flächigen Faserschichtenanordnung (6) und der Innenflansch (102; 202) mit dem dritten Bereich (57) der flächigen Faserschichtenanordnung (6) gebildet werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die flächige Faserschichtenanordnung (6) durch automatisiertes Ablegen von Faserbändchen ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserschichtenanordnung (6) mit Verstärkungsfasern ausgebildet wird, die mit einem Matrixmaterial vorimprägniert sind.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bilden und/oder Umformen der Preform (1) und/oder deren Weiterverarbeiten derart vorgenommen werden, dass das aus der umgeformten Preform hervorgehende, insbesondere ausgehärtete, Werkstück vor einer materialentfernenden Bearbeitung desselben eine Geometrie aufweist, welche in der Weise gezielt von der Zielgeometrie (92) des Faserverbundbauteils (100; 200; 300) abweicht, dass die Geometrie des Werkstücks nach der materialentfernenden Bearbeitung der Zielgeometrie (92) im Wesentlichen entspricht; und/oder dass das Bilden der Preform (1) auf einer Legeoberfläche (78) erfolgt, das Umformen der Preform (1) mittels eines Umformwerkzeugs erfolgt und ein Weiterverarbeiten, insbesondere Aushärten, der umgeformten Preform mittels eines Weiterverarbeitungswerkzeugs, insbesondere Aushärtewerkzeugs, erfolgt, wobei eine Formgebung der Legeoberfläche (78) und/oder einer Basisfläche (80) derselben und/oder des Umformwerkzeugs und/oder des Weiterverarbeitungswerkzeugs gezielt von der Zielgeometrie (92) des Faserverbundbauteils (100; 200; 300) abweicht/abweichen, um Formabweichungen während des Weiterverarbeitens und Formabweichungen bei einem materialentfernenden Bearbeiten zu berücksichtigen, derart, dass das fertige Faserverbundbauteil (100; 200; 300) im Wesentlichen der Zielgeometrie (92) entspricht.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Faserverbundbauteil (100; 200; 300) als ein Spant oder ein Abschnitt eines Spants für ein Luft- oder Raumfahrzeug ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine oder mehrere oder alle der Aussparungen (36, 36') in dem Faserverbundbauteil (100; 200; 300) jeweils als ein Durchgang für den Durchtritt mindestens eines Stringers vorgesehen wird/werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine oder mehrere oder alle der Aussparungen (36) in dem Faserverbundbauteil (100; 200; 300) mit einer mauselochartigen Form ausgebildet wird/werden.
Preform (1) für die Herstellung eines bogenartig ausgebildeten Faserverbundbauteils (100; 200; 300) mittels eines Verfahrens gemäß einem der vorstehenden Ansprüche unter Umformung der Preform (1), mit einer entlang eines Bogens (3) gebildeten flächigen Faserschichtenanordnung (6) mit einem einer konvexen Außenseite (10) des Bogens (3) zugeordneten Außenrand (15), der mit sich in die flächige Faserschichtenanordnung (6) hinein erstreckenden Ausnehmungen (21) ausgebildet ist, wobei eine Kontur (22) der Ausnehmungen (21) jeweils zumindest abschnittsweise nahe einer Zielkontur (28, 45) einer in dem herzustellenden Faserverbundbauteil (100; 200; 300) jeweils vorzusehenden Aussparung (36, 36'), insbesondere zumindest abschnittsweise bis auf einen Überstand (29), der nach Weiterverarbeiten der Preform (1) in einem späteren Schritt eine materialentfernende Bearbeitung zum exakten Erreichen der Zielkontur (45) ermöglicht, ausgebildet ist.