DE102021126792A1

DE102021126792A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines Faserverbundbauteils

Info

Publication number: DE102021126792A1
Application number: DE102021126792.7A
Authority: DE
Inventors: Anja Haschenburger; Hakan Ucan; Clemens Heim
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV; Airbus Operations GmbH
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV; Airbus Operations GmbH
Priority date: 2021-10-15
Filing date: 2021-10-15
Publication date: 2023-04-20

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils aus einem Faserverbundwerkstoff aufweisend ein Fasermaterial und ein das Fasermaterial einbettendes Matrixmaterial, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:- Bereitstellen eines Vakuumaufbaus, der ein Werkzeug, eine auf dem Werkzeug aus mindestens dem Fasermaterial gebildete Faserpreform und eine die Faserpreform gegenüber dem Werkzeug vakuumdicht verschließende Vakuumabdeckung aufweist;- Evakuieren der Faserpreform mittels einer Vakuumeinrichtung, um in dem unter der Vakuumabdeckung eingeschlossenen Fasermaterial ein Vakuum zu erhalten;- Einfahren des Vakuumaufbaus vor, während oder nach dem Evakuieren in einen Autoklav; und- Durchführen eines Autoklavzyklus, bei dem wenigstens ein Autoklavparameter gemäß einem vorgegebenen Wert-Zeit-Verlauf mittels einer Steuereinrichtung des Autoklav eingestellt wird; dadurch gekennzeichnet, dass- mittels mindestens eines Durchflusssensors eine Mehrzahl von Durchflussmesswerten in einer Vakuumleitung der Vakuumeinrichtung beim Aufrechterhalten des Vakuums in dem Fasermaterial während des Autoklavzykluses ermittelt werden,- wobei der Wert-Zeit-Verlauf wenigstens eines Autoklavparameters in Abhängigkeit von den ermittelten Durchflusswerten mittels der Steuereinrichtung verändert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein autoklavgestütztes Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils aus einem Faserverbundwerkstoff aufweisend ein Fasermaterial und ein das Fasermaterial einbettendes Matrixmaterial. Die Erfindung betrifft ebenso ein Verfahren hierzu.
Aufgrund der gewichtsspezifischen Festigkeit und Steifigkeit von Faserverbundbauteilen, die aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt werden, sind derartige Bauteile aus der Luft- und Raumfahrt sowie aus vielen weiteren Anwendungsgebieten, wie beispielsweise dem Automobilbereich, heutzutage kaum mehr wegzudenken. Bei der Herstellung eines Faserverbundbauteils wird dabei ein das Fasermaterial einbettendes Matrixmaterial meist unter Temperatur- und Druckbeaufschlagung ausgehärtet und bildet so nach dem Aushärten eine integrale Einheit mit dem Fasermaterial. Die Verstärkungsfasern des Fasermaterials werden hierdurch in ihre vorgegebene Richtung gezwungen und können die auftretenden Lasten in die vorgegebene Richtung abtragen.
Faserverbundwerkstoffe, aus denen derartige Faserverbundbauteile hergestellt werden, weisen in der Regel zwei Hauptbestandteile auf, nämlich zum einen ein Fasermaterial und zum anderen ein Matrixmaterial. Hierneben können noch weitere sekundäre Bestandteile verwendet werden, wie beispielsweise Bindermaterialien oder zusätzliche Funktionselemente, die in das Bauteil integriert werden sollen. Werden für die Herstellung trockene Fasermaterialien bereitgestellt, so wird während des Herstellungsprozesses das Matrixmaterial des Faserverbundwerkstoffes in das Fasermaterial durch einen Infusionsprozess infundiert, durch den das trockene Fasermaterial mit dem Matrixmaterial imprägniert wird. Dies geschieht in der Regel aufgrund einer Druckdifferenz zwischen dem Matrixmaterial und dem Fasermaterial, indem beispielsweise das Fasermaterial mittels einer Vakuumpumpe evakuiert wird. Im Gegensatz hierzu sind auch Faserverbundwerkstoffe bekannt, bei denen das Fasermaterial mit dem Matrixmaterial bereits vorimprägniert ist (sogenannte Prepregs).
Zur Herstellung des Bauteils wird das Fasermaterial in ein Formwerkzeug eingebracht, das mit seiner formgebenden Werkzeugoberfläche die spätere Bauteilform nachbildet, um so eine Faserpreform in dem Werkzeug zu bilden. Dabei können sowohl trockene als auch vorimprägnierte Fasermaterialien in das Formwerkzeug abgelegt bzw. eingebracht werden. Werden trockene Fasermaterialien verwendet, so muss in einem anschließenden Infusionsprozess das Matrixmaterial in das Fasermaterial infundiert werden.
Zur Herstellung von großskaligen Strukturbauteilen, wie beispielsweise Flügelschalen von Verkehrsflugzeugen oder Rotorblätter von Windkraftanlagen, werden zur Optimierung des Ablegeverfahrens automatisierte Faserablegeprozesse verwendet, bei denen mithilfe einer Fertigungsanlage und mindestens einem Faserlegekopf ein dem Faserlegekopf zugeführtes quasiendloses Fasermaterial auf dem Werkzeug abgelegt wird. Bei dem sogenannten Automated Fiber Placement (AFP) werden beispielsweise vorimprägnierte Fasermaterialien bahnweise auf dem Formwerkzeug mithilfe eines derartigen Faserlegekopfes abgelegt. Der Faserlegekopf ist dabei an einem Roboter angeordnet und kann gegenüber dem Formwerkzeug relativ verfahren bzw. bewegt werden. Hierdurch können die einzelnen Faserbahnen auf der Werkzeugoberfläche zuerst bahnweise und dann lagenweise abgelegt werden. Bei dem Automated Fiber Placement werden dabei gleichzeitig mehrere, meist 8, 16 oder 32 schmale Materialstreifen, sogenannte Tows, auf dem Werkzeug abgelegt.
Im Gegensatz hierzu werden bei dem Automated Tape Laying (ATL) meist breite Faserbahnen, auch Tapes genannt (in der Regel 150 mm, 300 mm oder 600 mm breit mit einer Dicke von wenigen Zehntel Millimeter), mithilfe des Faserlegekopfes auf dem Formwerkzeug abgelegt, wobei in der Regel nur ein Tape mit Hilfe eines Faserlegekopfes abgelegt werden kann.
Eine solche automatisierte Faserlegeanlage ist beispielsweise aus der DE 10 2010 015 027 B4 bekannt, bei der auf einem umlaufenden Schienensystem mehrere Roboter geführt werden, wobei jeder Roboter genau einen Ablegekopf als Endeffektor hat. Mittels einer Faserzuführung werden den Ablegeköpfen kontinuierlich Fasermaterial aus einem Fasermagazin zugeführt, während die einzelnen Roboter mit ihren Ablegeköpfen das ihnen zugeführte Fasermaterial auf einem in der Mitte des umlaufenden Schienensystems vorgesehenen Formwerkzeug ablegen. Mithilfe der Faserlegeköpfe werden somit in dem Formwerkzeug sogenannte Faserlaminate, auch Faserpreformen genannt, hergestellt, bei denen der Prozess des Infundierens des Matrixmaterials bzw. des Aushärtens des Matrixmaterials noch nicht stattgefunden hat. Derartige Faserlaminate bilden somit das Bauteil in einem Rohzustand vor dem Aushärten des Matrixmaterials ab.
Insbesondere großskalige Strukturbauteile werden oftmals in einem offenen Formwerkzeugkonzept gefertigt, da die Kosten für geschlossene Formwerkzeuge bei gro-ßen Strukturbauteilen in der Regel nicht gerechtfertigt sind sowie die Handhabung derartiger Formwerkzeuge bei großen Strukturbauteilen sehr aufwendig ist. Bei offenen Formwerkzeugkonzepten wird, wie oben bereits angedeutet, das Fasermaterial (trocken oder vorimprägniert) in das Formwerkzeug eingebracht (manuell oder automatisiert) und anschließend durch eine Vakuumabdeckung gegenüber dem Formwerkzeug luftdicht eingeschlossen. Durch die Vakuumabdeckung wird zwischen der Vakuumabdeckung und dem Formwerkzeug eine Kavität gebildet, in der die in dem Formwerkzeug gebildete Faserpreform aus dem Fasermaterial vakuumdicht eingeschlossen ist. Durch das Evakuieren dieser Kavität und somit des Fasermaterials werden eingeschlossenen Gasbereiche aufgrund des bestehenden Umgebungsdruckes aufgelöst und ein gegebenenfalls zusätzlich durchgeführter Infusionsprozess, um das Fasermaterial mit einem Matrixmaterial zu Infundieren, durch den Differenzdruck maßgeblich unterstützt.
Durch das Evakuieren der Faserpreform wird somit die Bauteilqualität erhöht, da einerseits sichergestellt werden kann, dass das Matrixmaterial prozesssicher das gesamte Bauteil bzw. die gesamte Faserpreform infundiert und somit insbesondere keine trockenen Stellen innerhalb der Faserpreform verbleiben, die zu einer Schwächung des späteren Bauteils an dieser Stelle führen würde. Andererseits kann durch das Evakuieren der Faserpreform der Faservolumenanteil des Bauteils erhöht werden, was zu einer erhöhten Strukturstabilität führt.
Das anschließende Aushärten des in das Fasermaterial infundierten Matrixmaterials erfolgt dabei durch Temperaturbeaufschlagung der Faserpreform und gegebenenfalls durch Druckbeaufschlagung. Hierfür wird die Faserpreform samt Formwerkzeug und Vakuumabdeckung, die zusammen den Vakuumaufbau bilden, meist in einen Autoklav eingefahren, der dann zumindest die Autoklavparameter Temperatur und Druck gemäß einem vorgegebenen Wert-Zeit-Verlauf so einstellt, dass das Matrixmaterial prozesssicher aufgrund der Temperatur aushärtet. Der Autoklavweist hierfür eine Steuereinrichtung auf, welche die entsprechenden technischen Einrichtungen zur Einstellung der Temperatur und des Druckes innerhalb des Autoklav gemäß dem vorgegebenen Wert-Zeit-Verlauf des jeweiligen Parameters steuert.
Ein solcher Autoklavzyklus, wie er in 1 beispielhaft dargestellt ist, wird hinsichtlich der Temperatur und des Druckes jeweils meist in mehrere Phasen unterteilt. Eine typische Temperaturkurve eines Autoklavzyklus beginnt dabei mit einer ersten Aufheizphase, in der die Temperatur innerhalb des Autoklav auf eine vorgegebene erste Soll-Temperatur (beispielsweise 120°) hochgefahren wird. Wenn diese erste Soll-Temperatur der ersten Aufheizphase erreicht wurde, schließt sich eine erste Haltestufe an, bei der diese Soll-Temperatur für einen gewissen ersten Zeitraum (beispielsweise 60 Minuten) gehalten wird. Nach Ablauf dieser ersten Haltestufe schließt sich dann eine zweite Aufheizphase an, bei der die Temperatur auf eine zweite Soll-Temperatur (beispielsweise 180 °C) hochgefahren wird. Wenn diese zweite Soll-Temperatur erreicht wurde, schließt sich eine zweite Haltestufe an, bei der die zweite Soll-Temperatur für einen gewissen zweiten Zeitraum gehalten wird. Danach schließt sich die Abkühlungsphasen an, bis das Bauteil aus dem Autoklav entnommen und entformt werden kann.
Während der ersten Aufheizphase und der ersten Haltestufe befindet sich die Faserpreform nur unter Unterdruck (Vakuum), der durch eine Vakuumeinrichtung innerhalb des Autoklav kontinuierlich aufrechterhalten wird. Bei Beginn der zweiten Aufheizphase kann bei einem typischen Autoklavzyklus der Druck im Autoklav aufgebaut und der Unterdruck in der Faserpreform (d. h. in der Kavität zwischen Formwerkzeug und Vakuumabdeckung) abgebaut werden. Das Wirkprinzip dieses Druckprofils ist es, bis zum Ende der ersten Haltestufe flüchtige Stoffe bzw. Luft aus der Faserpreform zu entfernen. Zusätzlicher Autoklavdruck in diesen Schritten (erste Aufheizphase und erste Haltestufe) hätte dabei den negativen Effekt, Luft und andere flüchtige Stoffe einzuschließen. Nach der ersten Altersstufe beginnt mit dem Druckaufbau die Konsolidierung des Bauteils, welche durch eine niedrige Viskosität des Matrixmaterials ermöglicht wird.
Die Temperatur und die Zeit der ersten Haltestufe können bei unterschiedlichen Materialien variieren und beruht meist auf Erfahrungswerten des Materialherstellers oder des Produktionsbetriebs. Die Regelung erfolgt nach der Temperatur der Thermoelemente. Sobald alle Thermoelemente im Toleranzbereich der ersten Soll-Temperatur angelangt sind, startet die vorgegebene Haltezeit. Erst wenn diese Zeit verstrichen ist, wird mit der nächsten Phase begonnen und die Aushärtung fortgesetzt.
Nachteilig hierbei ist, dass sich die Haltezeit momentan nur nach Herstellerangaben oder Erfahrungswerten richtet. Es werden dabei feste Zeitwerte angegeben, unabhängig davon, ob die Wirkung der entsprechenden Haltestufe für die Herstellung des Faserverbundbauteils bereits erreicht wurde oder nicht. Dies kann dazu führen, dass rein aus prozesssicherheitstechnischer Sicht teilweise zu lange Haltezeiten in der Produktion eingehalten werden, die möglicherweise für die Herstellung eines fehlerfreien Bauteils nicht notwendig wären. Dies führt wiederum zu langen Autoklavprozessen, höheren Energiekosten und somit zu höheren Stückkosten. Andererseits kann es vor allem bei sehr dicken Laminaten sein, dass die vorgegebenen Haltezeiten einer Haltestufe nicht ausreichend sind, sodass sich bei einer verfrühten Aushärtung im Laminat Poren oder Einschlüsse bilden. Diese können nach der Aushärtung die mechanischen Eigenschaften des Bauteils beeinträchtigen und im schlimmsten Fall zu einer Aussonderung des Bauteils führen.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Verfahren sowie Vorrichtung anzugeben, mit der die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile bei einem autoklavgestützten Herstellungsverfahren eines Faserverbundbauteils vermieden werden können.
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Anspruch 1 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung finden sich in den entsprechenden Unteransprüchen.
Gemäß Anspruch 1 wird ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils aus einem Faserverbundwerkstoff aufweisend ein Fasermaterial und ein das Fasermaterial einbettendes Matrixmaterial vorgeschlagen, wobei das Fasermaterial ein trockenes oder vorimprägniertes Fasermaterial sein kann. Wird ein trockenes Fasermaterial verwendet, so muss in einem Zwischenschritt das Fasermaterial mit dem Matrixmaterial infundiert werden. Dies geschieht in der Regel durch einen vakuumsgestützten Infusionsprozess.
Zunächst wird ein Vakuumaufbau bereitgestellt, der ein Werkzeug, eine auf dem Werkzeug aus mindestens dem Fasermaterial (trocken oder vorimprägniert) gebildete Faserpreform und eine die Faserpreform gegenüber dem Werkzeug vakuumdicht verschließende Vakuumabdeckung aufweist. Der Schritt des Bereitstellens eines solchen Vakuumaufbaus kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass aus dem bereitgestellten Fasermaterial (trocken oder vorimprägniert) durch einbringen des Fasermaterials in das Werkzeug die Faserpreform gebildet wird, welche zumindest teilweise die spätere Bauteilform oder Teile des herzustellenden Bauteils bildet. Nach dem Erstellen der Faserpreform aus dem Fasermaterial in dem Werkzeug wird diese Faserpreform durch eine Vakuumabdeckung abgedeckt und gegenüber dem Werkzeug vakuumdicht verschlossen. Dies erfolgt in der Regel durch Versiegelung der Vakuumabdeckung am Randbereich gegenüber dem Werkzeug. Eine solche Vakuumabdeckung kann beispielsweise eine Vakuumfolie oder eine Silikonabdeckung sein.
Mithilfe einer Vakuumeinrichtung, die eine Vakuumpumpe und entsprechende Vakuumleitung zu dem Vakuumaufbau beinhaltet, wird nun die Faserpreform und das die Faserpreform bildende Fasermaterial, welches unter der Vakuumabdeckung in einer darin gebildeten Kavität eingeschlossen ist, evakuiert. Hierzu werden mithilfe der Vakuumeinrichtung Gase (z.B. eingeschlossene Luft) aus der Kavität und somit aus dem Fasermaterial der Faserpreform gesaugt, sodass ein Unterdruck entsteht, der dazu führt, dass aufgrund des Umgebungsdruckes die Vakuumabdeckung in Richtung der Faserpreform gedrückt bzw. gepresst wird. Hierdurch wird die gesamte Faserpreform an das Werkzeug und seine formgebende Werkzeugoberfläche gedrückt und gleichzeitig der Faservolumenanteil der Faserpreform erhöht. Des Weiteren kann, sofern trockenes Fasermaterial zur Herstellung der Faserpreform verwendet wurde, nach dem Evakuieren der Faserpreform das Matrixmaterial in das Fasermaterial infundiert werden, um das Fasermaterial mit dem Matrixmaterial vollständig zu tränken.
Vor, während oder nach dem Evakuieren wird der Vakuumaufbau in einen Autoklaveingefahren, um das Fasermaterial und das Matrixmaterial später mit Temperatur zu beaufschlagen. Außerdem kann durch den Autoklav (Druckofen) der Aushärteprozesses durch eine entsprechende Druckbeaufschlagung unterstützt werden.
In der Regel wird dabei, sofern es sich um trockenes Fasermaterial handelt, die Faserpreform vor dem Einfahren in den Autoklav evakuiert, da zuvor auch das Infundieren des Matrixmaterials stattfinden muss. Wurden vorimprägnierte Fasermaterialien verwendet, so kann das Evakuieren des Vakuumaufbaus auch noch im bereits geschlossenen Autoklav stattfinden.
Nachdem der Vakuumaufbau in den Autoklav eingefahren wurde und ein entsprechendes Vakuum in der Faserpreform durch Evakuierung eingestellt wurde, kann mit dem eigentlichen Aushärteprozesses begonnen werden. Hierfür wird ein Autoklavzyklus durchgeführt, bei dem wenigstens ein Autoklavparameter gemäß einem vorgegebenen Wert-Zeit-Verlauf mittels einer Steuereinrichtung des Autoklav eingestellt wird.
Ein solcher Autoklavzyklus kann dabei vorsehen, dass beispielsweise die Temperatur gemäß einem vorgegebenen Temperatur-Zeit-Verlauf mittels der Steuereinrichtung eingestellt wird, sodass das Bauteil gemäß dem vorgegebenen Temperprozess temperiert wird.
Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, mittels mindestens eines Durchflusssensors eine Mehrzahl von Durchflussmesswerten in einer Vakuumleitung der Vakuumeinrichtung beim Aufrechterhalten des Vakuums in dem Fasermaterial während des Autoklavzykluses ermittelt werden, wobei der Wert-Zeit-Verlauf wenigstens eines Autoklavparameters in Abhängigkeit von den ermittelten Durchflusswerten mittels der Steuereinrichtung verändert wird
Um den Wert-Zeit-Verlauf eines Autoklavparameters, beispielsweise Temperatur oder Druck, zu optimieren, wurde erkannt, dass die bei einem Autoklavzyklus stattfindende Ausgasung im Laminat als Indikator für den Aushärteprozesses genutzt werden kann, sodass hierdurch beispielsweise die Zeit einer Haltestufe verkürzt oder verlängert werden kann und/oder gegebenenfalls auch der Wert des Autoklavparameters an sich angepasst werden kann.
Während der Durchführung des Autoklavzykluses wird dabei mithilfe der Vakuumeinrichtung das Vakuum im Fasermaterial zumindest für einen bestimmten Zeitraum aufrechterhalten, wobei mithilfe eines Durchflusssensors, der in der Vakuumleitung der Vakuumeinrichtung zwischen der Vakuumpumpe und dem Vakuumaufbau angeordnet sein kann, Durchflussmesswerte erfasst werden, die während des aufrechterhalten des Vakuums den Durchfluss zwischen Faserpreform und Vakuumpumpe messen. Durch Ausgasung von Gasen aus dem Laminat steigt dabei zunächst der Durchfluss in der Vakuumleitung an und sinkt dann wieder ab, was ein Zeichen dafür ist, dass der Ausgasungsprozess zumindest für diesen Teil des Autoklavzykluses weitgehend abgeschlossen ist, was ein Indikator dafür ist, dass der Aushärteprozesses für diesen Teil des Autoklavzykluses weitgehend abgeschlossen ist und mit dem nächsten Abschnitt des Autoklavzykluses begonnen werden kann. Basierend auf den Durchflussmesswerten kann so der Wert-Zeit-Verlauf eines oder mehrerer Autoklavparameter angepasst werden, indem beispielsweise die Zeit eines Verlaufabschnittes verkürzt oder verlängert wird, und zwar in Abhängigkeit der ermittelten Durchflussmesswerte.
Mithilfe des vorliegenden Verfahrens wird somit möglich, einen Autoklavzyklus sowohl hinsichtlich der Zeit als auch hinsichtlich der vorgegebenen Werte der Autoklavparameters dynamisch anzupassen, wodurch die Bauteilqualität erhöht, das Risiko von fehlerhaften Bauteilen minimiert und die Verwendung des Autoklav optimiert wird. Hierdurch können Bauteile gegebenenfalls schneller ausgehärtet und die Stückkosten aufgrund geringerer Autoklavzeiten reduziert werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Wert-Zeit-Verlauf des wenigstens einen Autoklavparameters verändert wird, wenn über einen gewissen Zeitraum hinweg die ermittelten Durchflusswerte im Mittel sinken und/oder wenn die ermittelten Durchflusswerte unterhalb eines vorgegebenen Schwellenwertes sinken.
So ist es beispielsweise denkbar, dass die Durchflusswerte über einen gewissen Zeitraum hinweg analysiert werden, um festzustellen, ob die Durchflusswerte innerhalb des Zeitraums im Mittel stetig sinken. Eine über die Durchflusswerte interpolierte Trendfunktion sollte dabei negativ sein, d. h. stetig fallend sein. Wurde über einen gewissen Zeitraum hinweg im Mittel festgestellt, dass die Durchflusswerte sinken, so kann auf das Ende des Ausgasungsprozess geschlossen werden und der entsprechende vorgegebene Wert-Zeit-Verlauf eines oder mehrerer Autoklavparameter entsprechend verändert werden.
Denkbar ist aber auch, dass der Wert-Zeit-Verlauf eines oder mehrere Autoklavparameter verändert bzw. angepasst wird, wenn die Durchflusswerte unterhalb eines vorgegebenen Schwellenwertes (vorzugsweise über einen gewissen Zeitraum hinweg) gesunken sind. Auch hier kann auf das Ende des Ausgasungsprozesses im jeweiligen Abschnitt des Autoklavzykluses geschlossen werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein Autoklavparameter die Temperatur ist und der Autoklavzyklus gemäß einem vorgegebenen Temperatur-Zeit-Verlauf durchgeführt wird, wobei der Temperatur-Zeit-Verlauf in Abhängigkeit von den ermittelten Durchflusswerten verändert wird.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Temperatur-Zeit-Verlauf in eine Mehrzahl von Zeitabschnitten unterteilt ist, wobei in Abhängigkeit von den ermittelten Durchflusswerten wenigstens einer der Zeitabschnitte zeitlich verkürzt oder verlängert wird.
Wurde erkannt, dass die Durchflussmesswerte unter einem gewissen Schwellenwert gesunken sind und/oder über einen gewissen Zeitraum stetig fallend sind, so kann auf das Ende des Ausgasungsprozesses im Laminat innerhalb des betrachteten Zeitabschnittes geschlossen werden, dass die Zeit dieses Zeitabschnittes verkürzt werden kann. Wurde hingegen das zeitliche Ende des Zeitabschnittes erreicht und lässt sich aus den Durchflussmesswerten ein Ende des Ausgasungsprozesses nicht ableiten, so wird dieser Zeitabschnitt zeitlich verlängert, wodurch insbesondere bei dicken Laminaten die Qualität des Aushärteprozesses verbessert werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Temperatur-Zeit-Verlauf des Autoklavzykluses wenigstens eine temperaturbezogene Haltestufe hat, bei der die Temperatur im Autoklaven für eine vorgegebene Haltezeit auf einem bestimmten Temperaturwert eingestellt wird, wobei in Abhängigkeit von den ermittelten Durchflusswerten die Haltezeit der wenigstens einen temperaturbezogenen Haltestufe verkürzt oder verlängert wird.
Durch das Verkürzen der Haltezeit einer Haltestufe, vorzugsweise der ersten Haltestufe nach der ersten Aufheizphase, kann die Prozesszeit im Autoklav verringert werden, ohne dass die Qualität des Bauteils beeinträchtigt wird. Durch das Verlängern der Haltezeit einer Haltestufe kann auf die Besonderheiten des Bauteils, beispielsweise bei sehr dicken Laminaten, Rücksicht genommen werden und prozesssicher eine hohe Qualität des Bauteils gewährleistet werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein Autoklavparameter der Druck ist und der Autoklavzyklus gemäß einem vorgegebenen Druck-Zeit-Verlauf durchgeführt wird, wobei der Druck-Zeit-Verlauf in Abhängigkeit von den ermittelten Durchflusswerten verändert wird. Ähnlich wie bei dem bereits beschriebenen Temperatur-Zeit-Verlauf kann auch ein Druck-Zeit-Verlauf, bei dem der Druck der zu optimierende Autoklavparameter ist, angepasst bzw. verändert werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Druck-Zeit-Verlauf in eine Mehrzahl von Zeitabschnitten unterteilt ist, wobei in Abhängigkeit von den ermittelten Durchflusswerten wenigstens einer der Zeitabschnitte zeitlich verkürzt oder verlängert wird.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Druck-Zeit-Verlauf des Autoklavzykluses wenigstens eine druckbezogene Haltestufe hat, bei der der Druck im Autoklav für eine vorgegebene Haltezeit auf einem bestimmten Druckwert eingestellt wird, wobei in Abhängigkeit von den ermittelten Durchflusswerten die Haltezeit der wenigstens einen druckbezogenen Haltestufe verkürzt oder verlängert wird.
Die Aufgabe wird im Übrigen auch mit der Vorrichtung zur Herstellung eines Faserverbundbauteils aus einem Faserverbundwerkstoff aufweisend ein Fasermaterial und ein das Fasermaterial einbettendes Matrixmaterial gemäß Anspruch 9 erfindungsgemäß gelöst, wobei die Vorrichtung aufweist:

- einen Autoklav mit einer Steuereinrichtung, die zur Durchführung eines Autoklavzyklus eingerichtet ist, indem wenigstens ein Autoklavparameter gemäß einem vorgegebenen Wert-Zeit-Verlauf mittels einer Steuereinrichtung des Autoklaven eingestellt wird;
- eine Vakuumeinrichtung zum Evakuieren einer Faserpreform eines Vakuumaufbaus, der ein Werkzeug, die auf dem Werkzeug aus mindestens dem Fasermaterial gebildete Faserpreform und eine die Faserpreform gegenüber dem Werkzeug vakuumdicht verschließende Vakuumabdeckung aufweist, um in dem unter der Vakuumabdeckung eingeschlossenen Fasermaterial ein Vakuum zu erhalten; und
- mindestens einen Durchflusssensor, der in einer Vakuumleitung der Vakuumeinrichtung angeordnet und zum Ermitteln von Durchflussmesswerten beim Aufrechterhalten des Vakuums in dem Fasermaterial während des Autoklavzykluses eingerichtet ist,

Die Vorrichtung dabei eingerichtet, das Steuerungsverfahren der Steuereinrichtung, wie vorstehend beschrieben, auszuführen.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

1 Typischer Autoklavzyklus für Faserverbundbauteile, bspw. für die Luftfahrt;
2 Schematische Darstellung eines Autoklav gemäß der vorliegenden Erfindung;
3 Beispielhafter Autoklavzyklus mit Durchflussmessung.

Wie einleitend schon erklärt, zeigt 1 beispielhaft einen typischen Autoklavzyklus, der mit einer ersten Aufheizphase beginnt, um die Temperatur auf eine erste vorgegebene Soll-Temperatur (120 °C) hochzufahren. Ist die erste Soll-Temperatur erreicht, schließt sich eine erste Haltestufe an, bei der diese Soll-Temperatur für einen Zeitraum von beispielsweise 60 Minuten gehalten wird. Daran schließt sich dann eine zweite Aufheizphase an, um eine zweite Soll-Temperatur (beispielsweise 180°) zu erreichen, die dann in einer sich daran anschließenden zweiten Haltestufe für einen gewissen Zeitraum von beispielsweise 120 Minuten gehalten wird. Abschließend schließt sich eine Abkühlungsphase an, um das Bauteil aus dem Autoklav und dem Werkzeug entnehmen zu können.
Während der ersten Aufheizphase und der ersten Haltestufe befindet sich die Faserpreform nur unter Unterdruck (Vakuum), der durch eine Vakuumeinrichtung innerhalb des Autoklav kontinuierlich aufrechterhalten wird. Bei Beginn der zweiten Aufheizphase kann bei einem typischen Autoklavzyklus der Druck im Autoklav aufgebaut und der Unterdruck in der Faserpreform (d. h. in der Kavität zwischen Formwerkzeug und Vakuumabdeckung) abgebaut werden. Das Wirkprinzip dieses Druckprofils ist es, bis zum Ende der ersten Haltestufe flüchtige Stoffe bzw. Luft aus der Faserpreform zu entfernen. Zusätzliche Autoklavdruck in diesen Schritten (erste Aufheizphase und erste Haltestufe) hätte dabei den negativen Effekt, Luft und andere flüchtige Stoffe einzuschließen. Nach der ersten Altersstufe beginnt mit dem Druckaufbau die Konsolidierung des Bauteils, welche durch eine niedrige Viskosität des Matrixmaterials ermöglicht wird.
Unabhängig von dem eigentlichen Bauteilzustand sowie dem Grad der Aushärtung wird bei diesem typischen Autoklavzyklus die Zeit für die erste Haltestufe und zweite Haltestufe fest vorgegeben. Hat das Bauteil beispielsweise nach der Hälfte der Zeit der ersten Haltestufe einen Grad der Aushärtung erreicht, bei dem mit der sich daran anschließenden zweiten Aufheizphase für die zweite Haltestufe begonnen werden könnte, so wird im Stand der Technik dennoch die gesamte Zeit der ersten Haltestufe abgewartet, bis mit der zweiten Aufheizphase begonnen wird. Dies liegt darin begründet, dass bis jetzt kein hinreichender Indikator vorliegt, mit dem prozesssicher darauf geschlossen werden kann, dass mit dem nachfolgenden Prozessschritt auch vor Ablauf der Haltezeit der jeweiligen Haltestufe begonnen werden kann. Die Zeiträume der Haltestufe sind dabei so gewählt, dass sie stets mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit die notwendige Bauteilqualität sicherstellen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung würden vorgeschlagen, einen Durchflussmesser in eine der Vakuumleitungen der Vakuumeinrichtung der Autoklav-Vorrichtung zu integrieren, umso anhand der Durchflussmesswerte solche Haltezeiten einer Haltestufe verkürzen oder gegebenenfalls verlängern zu können.
2 zeigt schematisch eine Darstellung einer solchen Vorrichtung 10, die einen Autoklav 11 sowie eine Steuereinrichtung 12 hat, die eingerichtet ist, die technischen Elemente des Autoklav 11 bzw. der Vorrichtung 10 zur Durchführung eines entsprechenden Autoklavprozesses anzusteuern. Hierunter fallen insbesondere die Temperierelemente (nicht dargestellten) zum Aufheizen des Innenraums 13 des Autoklav sowie die Druckelemente (nicht dargestellten) zum Erzeugen eines Druckes im Innenraum 13 des Autoklaven 11 und der dafür notwendigen Ventile 14, die im Ausführungsbeispiel der 2 nur schematisch angedeutet sind.
In den Innenraum 13 des Autoklav 11 wurde nun ein Vakuumaufbau 20 eingefahren, der einen Werkzeug 21, eine Vakuumabdeckung 22 sowie eine Faserpreform 23 gebildet aus einem Fasermaterial und einem das Fasermaterial einbettenden Matrixmaterial aufweist. Die Vakuumabdeckung 22 ist gegenüber dem Werkzeug 21 luftdicht versiegelt, sodass eine vakuumdichte Kavität, in der sich die Faserpreform 23 befindet, gebildet wird. In einem Bereich der Vakuumabdeckung 22 befindet sich dabei ein Anschluss 24, an dem eine Vakuumleitung 25 angeordnet ist, die im Ausführungsbeispiel der 2 aus dem Innenraum 13 des Autoklav 11 zu einer Vakuumpumpe 26 herausgeführt ist und mit dieser kommunikativen Wirkverbindung steht.
Die Vakuumpumpe 26 ist nun ausgebildet, einen Unterdruck in der Faserpreform 23 bzw. in der durch die Vakuumabdeckung 22 gebildeten Kavität zu erzeugen, umso ein entsprechend hochwertiges Bauteil erzeugen zu können. Durch die Vakuumpumpe 26 wird dabei während des Autoklavzykluses zumindest teilweise das Vakuum in der Faserpreform 23 aufrechterhalten, in dem kontinuierlich durch die Vakuumpumpe 26 versucht wird, aus der Faserpreform 23 bzw. der gebildeten Kavität ein gasförmiges Fluid abzusaugen.
In der Vakuumleitung 25, vorzugsweise außerhalb des Innenraums 13 des Autoklav 11 befindet sich gemäß der vorliegenden Erfindung nunmehr zusätzlich ein Durchflusssensor 27, der mit der Steuereinrichtung 12 der Vorrichtung 10 zur Steuerung des Autoklaven 11 in Verbindung steht. Der Durchflusssensor 27 misst dabei den Durchfluss während des Aufrechterhaltens des Vakuums in der Faserpreform 23 während der Durchführung eines Autoklavzykluses.
Anhand der so gemessenen Durchflussmesswerte können Rückschlüsse auf die Ausgasungsprozesse der Faserpreform 23 gezogen werden, die als Indikator dafür dienen können, ob die Haltezeit einer Haltestufe verkürzt oder verlängert werden kann.
Ein solcher beispielhafter Autoklavzyklus mit Durchflussmessung ist in 3 gezeigt. Gezeigt ist ein Temperaturverlauf 40, der eine erste Aufheizphase 41, eine erste Haltestufe 42 sowie daran anschließende weitere Prozessabschnitte aufweist. Des Weiteren sind die Durchflussmesswerte aus dem Durchflusssensor als Durchflussverlauf 50 in dem Diagramm eingezeichnet.
Zu erkennen ist, dass während der ersten Aufheizphase 41 beim aufrechterhalten des Vakuums der Durchfluss in der Vakuumleitung stark ansteigt und hohen Durchflussmesswerte gemessen werden. Dies liegt darin begründet, dass mit steigender Temperatur die Ausgasungen des Materials, insbesondere des Matrixmaterials, stark zunehmen und ein Indikator für den beginnenden Aushärteprozesses sind. Zu Beginn der ersten Haltestufe 42 des Temperaturverlaufes 40 hat der Volumenstrom in der Vakuumleitung seinen Höchststand erreicht und fällt danach rapide ab. Nach ca. 30 Minuten ist der Durchfluss sehr stark abgesunken und singt nur noch sehr langsam ab, was ein Indikator dafür ist, dass die Ausgasungen aus dem Material stark abnehmen. Es ist nunmehr davon auszugehen, dass die Ausgasungen der flüchtigen Bestandteile im Laminat abgeschlossen sind.
Um nun zu verhindern, dass die erste Haltestufe 42 nunmehr noch 2 weitere Stunden fortgesetzt wird, wie dies im Stand der Technik bekannt ist, kann nun die Haltestufe 42 in Abhängigkeit des Durchflusses verkürzt werden und mit den sich an die Haltestufe 42 anschließenden Prozessschritte begonnen werden. So ist es denkbar, dass nach dem starken Abfall des Durchflusses die Haltestufe 42 noch ca. 15 bis 30 Minuten fortgesetzt wird und dann unabhängig von der eingestellten Zeit für die Haltestufe 42 mit den darauf folgenden anschließenden Prozessschritten begonnen wird.
Hierdurch wird es somit möglich, die Prozessschritte in Abhängigkeit des Zustands der Bauteile innerhalb des Autoklav zeitlich flexibel und optimal zu steuern, wodurch unnötig lange Prozesszeiten vermieden werden.
Bezugszeichenliste

10: Vorrichtung
11: Autoklav
12: Steuereinrichtung
13: Innenraum
14: Druckventile
20: Vakuumaufbau
21: Werkzeug
22: Vakuumabdeckung
23: Faserpreform
24: Vakuumanschluss
25: Vakuumleitung
26: Vakuumpumpe
27: Durchflusssensor
40: Temperatur-Zeit-Verlauf
41: erste Aufheizphase
42: erste Haltestufe
50: Durchflussverlauf

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010015027 B4 [0007]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils aus einem Faserverbundwerkstoff aufweisend ein Fasermaterial und ein das Fasermaterial einbettendes Matrixmaterial, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: - Bereitstellen eines Vakuumaufbaus (20), der ein Werkzeug (21), eine auf dem Werkzeug (21) aus mindestens dem Fasermaterial gebildete Faserpreform (23) und eine die Faserpreform (23) gegenüber dem Werkzeug (21) vakuumdicht verschließende Vakuumabdeckung (22) aufweist; - Evakuieren der Faserpreform (23) mittels einer Vakuumeinrichtung, um in dem unter der Vakuumabdeckung (22) eingeschlossenen Fasermaterial ein Vakuum zu erhalten; - Einfahren des Vakuumaufbaus (20) vor, während oder nach dem Evakuieren in einen Autoklaven (11); und - Durchführen eines Autoklavzyklus, bei dem wenigstens ein Autoklavparameter gemäß einem vorgegebenen Wert-Zeit-Verlauf mittels einer Steuereinrichtung (12) des Autoklaven (11) eingestellt wird; dadurch gekennzeichnet, dass - mittels mindestens eines Durchflusssensors (27) eine Mehrzahl von Durchflussmesswerten in einer Vakuumleitung (25) der Vakuumeinrichtung beim Aufrechterhalten des Vakuums in dem Fasermaterial während des Autoklavzykluses ermittelt werden, - wobei der Wert-Zeit-Verlauf wenigstens eines Autoklavparameters in Abhängigkeit von den ermittelten Durchflusswerten mittels der Steuereinrichtung (12) verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert-Zeit-Verlauf des wenigstens einen Autoklavparameters verändert wird, wenn über einen gewissen Zeitraum hinweg die ermittelten Durchflusswerte im Mittel sinken und/oder wenn die ermittelten Durchflusswerte unterhalb eines vorgegebenen Schwellenwertes sinken.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Autoklavparameter die Temperatur ist und der Autoklavzyklus gemäß einem vorgegebenen Temperatur-Zeit-Verlauf (40) durchgeführt wird, wobei der Temperatur-Zeit-Verlauf (40) in Abhängigkeit von den ermittelten Durchflusswerten verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatur-Zeit-Verlauf (40) in eine Mehrzahl von Zeitabschnitten unterteilt ist, wobei in Abhängigkeit von den ermittelten Durchflusswerten wenigstens einer der Zeitabschnitte zeitlich verkürzt oder verlängert wird.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatur-Zeit-Verlauf (40) des Autoklavzykluses wenigstens eine temperaturbezogene Haltestufe (42) hat, bei der die Temperatur im Autoklaven (11) für eine vorgegebene Haltezeit auf einem bestimmten Temperaturwert eingestellt wird, wobei in Abhängigkeit von den ermittelten Durchflusswerten die Haltezeit der wenigstens einen temperaturbezogenen Haltestufe (42) verkürzt oder verlängert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Autoklavparameter der Druck ist und der Autoklavzyklus gemäß einem vorgegebenen Druck-Zeit-Verlauf durchgeführt wird, wobei der Druck-Zeit-Verlauf in Abhängigkeit von den ermittelten Durchflusswerten verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck-Zeit-Verlauf in eine Mehrzahl von Zeitabschnitten unterteilt ist, wobei in Abhängigkeit von den ermittelten Durchflusswerten wenigstens einer der Zeitabschnitte zeitlich verkürzt oder verlängert wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck-Zeit-Verlauf des Autoklavzykluses wenigstens eine druckbezogene Haltestufe (42) hat, bei der der Druck im Autoklaven (11) für eine vorgegebene Haltezeit auf einem bestimmten Druckwert eingestellt wird, wobei in Abhängigkeit von den ermittelten Durchflusswerten die Haltezeit der wenigstens einen druckbezogenen Haltestufe (42) verkürzt oder verlängert wird.
Vorrichtung (10) zur Herstellung eines Faserverbundbauteils aus einem Faserverbundwerkstoff aufweisend ein Fasermaterial und ein das Fasermaterial einbettendes Matrixmaterial, mit - einem Autoklaven (11) mit einer Steuereinrichtung (12), die zur Durchführung eines Autoklavzyklus eingerichtet ist, indem wenigstens ein Autoklavparameter gemäß einem vorgegebenen Wert-Zeit-Verlauf mittels einer Steuereinrichtung (12) des Autoklaven (11) eingestellt wird; - einer Vakuumeinrichtung zum Evakuieren einer Faserpreform (23) eines Vakuumaufbaus (20), der ein Werkzeug (21), die auf dem Werkzeug (21) aus mindestens dem Fasermaterial gebildete Faserpreform (23) und eine die Faserpreform (23) gegenüber dem Werkzeug (21) vakuumdicht verschließende Vakuumabdeckung (22) aufweist, um in dem unter der Vakuumabdeckung (22) eingeschlossenen Fasermaterial ein Vakuum zu erhalten; und - mindestens ein Durchflusssensor (27), der in einer Vakuumleitung (25) der Vakuumeinrichtung angeordnet und zum Ermitteln von Durchflussmesswerten beim Aufrechterhalten des Vakuums in dem Fasermaterial während des Autoklavzykluses eingerichtet ist, - wobei die Steuereinrichtung (12) eingerichtet ist, den Wert-Zeit-Verlauf wenigstens eines Autoklavparameters in Abhängigkeit von den ermittelten Durchflusswerten zu verändern.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche eingerichtet ist.