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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils aus einem Faserverbundwerkstoff aufweisend ein Fasermaterial und ein das Fasermaterial einbettendes Matrixmaterial.
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Die Erfindung betrifft ebenso ein Formwerkzeug hierzu.
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Aufgrund der gewichtsspezifischen Festigkeit und Steifigkeit sind Faserverbundwerkstoffe aus der Luft- und Raumfahrt sowie aus anderen gewichtskritischen Bereichen kaum mehr wegzudenken. Faserverbundwerkstoffe weisen dabei hauptsächlich zwei wesentliche Bestandteile auf, nämlich zum einen ein Fasermaterial und zum anderen ein das Fasermaterial einbettendes Matrixmaterial. Bei der Herstellung von Faserverbund-Bauteilen aus einem solchen Faserverbundwerkstoff wird dabei in der Regel das Fasermaterial in die entsprechende spätere Bauteilform gebracht und anschließend dann das Matrixmaterial ausgehärtet. Das Aushärten geschieht in den allermeisten Fällen durch Temperatur- und gegebenenfalls Druckbeaufschlagung, wobei durch das Aushärten die lasttragenden Fasern des Fasermaterials in ihre vorbestimmte Richtung gezwungen werden und dabei zusammen mit dem ausgehärteten Matrixmaterial eine integrale Einheit zur Lastabtragung bilden.
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Das Matrixmaterial, welches das Fasermaterial des Faserverbundwerkstoffes entsprechend einbettet, kann dabei bereits in dem Fasermaterial enthalten sein (sogenannte Prepregs) oder später in eine sogenannte Faserpreform, die aus trockenen Fasermaterialien aufgebaut wurde, in einem Infusionsprozess infundiert werden. Eine Faserpreform stellt dabei eine Art Vorbauteil (Preform) dar, das aus dem Fasermaterial des Faserverbundwerkstoffes gebildet und dabei zumindest teilweise die spätere Bauteilform des herzustellenden Faserverbundbauteils enthält. Durch das Aushärten des Matrixmaterials, welches in dem Fasermaterial der Faserpreform eingebettet ist, kann so das Faserverbundbauteil hergestellt werden. Die Faserpreform kann demzufolge sowohl aus trockenem Fasermaterial als auch aus vorimprägnierten Fasermaterialien eines Faserverbundwerkstoffes hergestellt werden. Als Faserverbundwerkstoffe kommen dabei unterschieden nach der Art des Fasermaterials insbesondere CFK und GFK zum Einsatz.
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Faserverbundbauteile weisen bei der Herstellung gegenüber isotropen Werkstoffen einige Nachteile auf, da die Bauteilform eines Faserverbundbauteils in der Regel durch entsprechende Formwerkzeuge gebildet werden muss, welche eine Art Negativabdruck des späteren Bauteils darstellen. Die Herstellung komplexer Bauteilgeometrien kann dabei werkstoffbedingt sehr kosten- und zeitintensiv werden, was die Stückkosten deutlich erhöht.
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Ein Flugzeugrumpf, der aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt werden soll, wird dabei in der Regel aus schalen- oder röhrenförmigen Teilsegmenten zusammengesetzt. Die Teilsegmente bestehen dabei aus einer dünnen Haut, die eine gekrümmte Form aufweist und so dem späteren Flugzeugrumpf seine röhrenförmigen Form verleiht. Die dünne Haut wird im Inneren durch gekrümmte Spante in Umfangsrichtung und durch gerade Stringerversteifungen in Längsrichtung gestützt, sodass die dünne Haut des Flugzeugsrumpfes durch die Stringerversteifungen und durch die gekrümmten Spante seine Stabilität verliehen bekommt. Sowohl Spante als auch Stringer sind dabei Profilbauteile, die einen profilierten Querschnitt haben, um auch Lasten aus der Faserebene heraus (bspw. Biegebelastungen, Torsionsbelastungen, etc.) aufnehmen zu können.
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Aus der
DE 10 2016 124 966 A1 ist eine Bauteilstruktur mit wenigstens einem gekrümmten Flächenbauteil bekannt, wobei an dem gekrümmten Flächenbauteil in Umfangsrichtung der Krümmung des gekrümmten Flächenbauteils entsprechende Versteifungsbauteile angeordnet sind. Das gekrümmte Versteifungsbauteil ist aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt und bildet Biegeabschnitte aus, die mit Stegversteifungen gefestigt werden.
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Solche Profilbauteile, wie beispielsweise Stringer oder Spante von Flugzeugrümpfen, werden in der Regel aus einer Vielzahl von Einzellagen eines Fasermaterials des verwendeten Faserverbundwerkstoffes hergestellt. Insbesondere bei Profilbauteilen, deren profilierte Querschnitte mehrfache Krümmungen in verschiedene Krümmungsrichtungen (d. h. sowohl Krümmungen in eine konvexe Krümmungsrichtung als auch Krümmungen in eine konkave Krümmungsrichtungen) aufweisen, erfolgt die Herstellung derartiger Profilbauteile in der Regel weitgehend manuell, was bedeutet, dass Faserlage für Faserlage händisch nacheinander auf einem Werkzeug abgelegt werden muss.
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Bei einfachen Querschnittsformen, wie beispielsweise L-Profile oder C-Profile, die lediglich Krümmungen in eine einzige Krümmungsrichtung aufweisen, hat sich in der Praxis das Thermoforming etabliert, bei dem ein vorkonfektionierter Faserlagenstapel bestehend aus einer Mehrzahl von einzelnen Faserlagen auf die notwendige Prozesstemperatur erwärmt und mittels einer hochelastischen Membran unter Einsatz von Vakuum aus der ebenen Form in die gekrümmte Form gebracht wird. Die Membran dichtet dabei die Vakuumkavität mittels Kontakt zum Werkzeug gegenüber der Umgebung ab, wobei durch Evakuieren der Vakuumkavität ein Differenzdruck erzeugt wird, der den Faserlagenstapel auf die Werkzeugoberfläche des Formwerkzeuges drückt. Hierdurch wird der Faserlagenstapel aus der ebenen Form in die gewünschte Bauteilform gebracht.
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Das Anformen der Fasermaterialien an die Bauteilkonturen der formgebenden Werkzeugoberfläche hat jedoch den Nachteil, dass die Reibungskräfte aufgrund des Differenzdruckes ein vollständiges Anliegen des Fasermaterials im Krümmungsbereich verhindern. Es prägt sich dann das sogenannte „Corner Bridging“ aus, was die unvollständige Anformung an das Werkzeug beschreibt. Hier bilden sich dann im späteren Prozessverlauf Matrixansammlungen oder Lagenondulationen aus, die aus struktureller Sicht ebenfalls kritisch sind und zur Unbrauchbarkeit des Bauteils führen.
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Daher können heutzutage Profilbauteile mit komplexer mit Querschnittsgeometrie und insbesondere wechselnden Krümmungsrichtungen nur händisch hergestellt werden, indem jede einzelne Faserlage oder ein vorkonfektionierter Lagenstapel in das entsprechende Formwerkzeug händisch eingebracht wird. Allerdings muss dabei aufgrund der Herstellervorgaben der Lagenaufbau mehrmals zwischenkompaktiert werden, um sogenannte „Bulking-Effekte“ zu verhindern. Hierzu ist meist ein temporärer Vakuumaufbau nötig, was zeit- und kostenintensiv ist, wobei das Zwischenkompaktieren bei derzeitigen Stringern für Flugzeugrümpfen bis zu 30 Minuten in Anspruch nehmen kann.
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Aus der
DE 10 2019 116 817 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Profilbauteils aus einem Faserverbundwerkstoff bekannt, bei dem ein keilförmiges Hilfswerkzeug auf die formgebenden Werkzeugoberfläche gelegt wird, wobei sich ein Teil des Fasermaterials auf diesem keilförmigen Hilfswerkzeug abstützt. Nachdem durch Evakuieren der Kavität das Fasermaterial an die Werkzeugoberfläche angedrückt wurde, wird das keilförmige Hilfswerkzeug entfernt und anschließend das Matrixmaterial ausgehärtet. Durch das keilförmige Hilfswerkzeug wird dabei eine weitere Vorkrümmung erreicht, des Fasermaterials erreicht, was die Anformung des Fasermaterials in die notwendigen Krümmungsradien erleichtert.
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Nachteil hierbei ist jedoch, dass ein weiterer Zwischenschritt notwendig wird, bei dem das keilförmige Hilfswerkzeug aus dem Werkzeugaufbau entfernt werden muss. Außerdem lassen sich mit dieser Technologie nur negative Werkzeugformen abbilden, sodass bei einer positiven Werkzeugkontur das Problem weiterhin besteht.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils anzugeben, mit dem insbesondere positive Werkzeugkonturen zur Herstellung von Profilbauteilen im Thermoformingverfahren verwendet werden können.
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Die Aufgabe wird mit dem Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils gemäß Anspruch 1 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung finden sich dann in den entsprechenden Unteransprüchen.
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Gemäß Anspruch 1 wird ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils aus einem Faserverbundwerkstoff aufweisend ein Fasermaterial und ein das Fasermaterial einbettendes Matrixmaterial vorgeschlagen, wobei sowohl trockenen Fasermaterialien als auch vorimprägnierten Fasermaterialien (Prepregs) verwendet werden können. Erfindungsgemäß umfasst das Verfahren die folgenden Schritte:
- - Bereitstellen eines Formwerkzeuges, welches einen formgebenden Bauteilabschnitt und mindestens einen daran angrenzenden Randabschnitt hat, wobei der mindestens eine Randabschnitt gegenüber dem angrenzenden Bauteilabschnitt um ein Stufenmaß zur Ausbildung eines Anschlags erhöht ist,
- - Einlegen eines vorkonfektionierten Fasermaterials in das Formwerkzeug derart, dass das Fasermaterial mit einer Stirnseite eines Materialrandes an dem Anschlag des Randabschnittes des Formwerkzeuges anliegt,
- - Abdecken des eingelegten Fasermaterials mit einer Vakuumabdeckung, so dass unter der Vakuumabdeckung eine Kavität gebildet wird,
- - Evakuieren der Kavität solange, bis das Fasermaterial vollständig auf der Werkzeugoberfläche des Bauteilabschnittes anliegt, und
- - Aushärten eines in das Fasermaterial infundierte Matrixmaterial, um das Faserverbundbauteil herzustellen.
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Es wird demnach erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass ein Formwerkzeug bereitgestellt wird, bei dem sich an den formgebenden Bauteilabschnitt des Formwerkzeuges mindestens ein Randabschnitt anschließt, der gegenüber dem Bauteilabschnitt um ein Stufenmaß zur Ausbildung eines Anschlags erhöht ist. Die Höhe des Anschlags, d. h. das Stufenmaß, entspricht dabei vorzugsweise der Dicke des Fasermaterials bzw. der Dicke des Lagenstapels bzw. der Dicke des Bauteils. An dem durch die Stufe gebildeten Anschlag wird nun beim Einlegen des Fasermaterials in den Bauteilabschnitt des Formwerkzeuges das Fasermaterial abgestützt, sodass bei Evakuierung der Kavität das Fasermaterial in Art eines Formschlusses an der gewünschten Position gehalten und dann in die gewünschte Form gezwungen wird.
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Durch den Anschlag, der durch die Stufe gebildet wird, wird verhindert, dass ich das Fasermaterial unkontrolliert auf der Werkzeugoberfläche ablegt. Der Anschlag dient dabei formschlüssig als Widerlager. Durch das Evakuieren der Kavität kommt es dazu, dass sich das Fasermaterial an der Stufe abstützt, wodurch es zu Reaktionskräften in der Fasermaterialebene kommt, welche das Anformen begünstigen. Aufgrund der begrenzenden Wirkung des durch die Stufe erzeugten Anschlags wird das Fasermaterial gezwungen, die wechselnde Krümmung der Werkzeugkontur einzunehmen. Dies erfolgte in moderatem Tempo und damit besonders Material schonen.
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Mit der vorliegenden Erfindung wird es somit möglich, Faserverbundbauteile, insbesondere Profilbauteile, in einem Thermoformingverfahren (Thermoumformverfahren) herzustellen, ohne dass die Gefahr von „Bulking-Effekte“ oder Faserondolationen in Krümmungsbereichen besteht. Es besteht insbesondere nunmehr die Möglichkeit, Faserverbundbauteile, insbesondere Profilbauteile, mit einem offenen Formwerkzeugkonzept prozesssicher herzustellen.
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Der Bauteilabschnitt des Formwerkzeuges weist dabei insbesondere eine Werkzeugkontur auf, die ausgehend von einer Seite des Formwerkzeuges entlang der Werkzeugkontur zur anderen, gegenüberliegenden Seite des Formwerkzeuges eine Mehrzahl von wechselnden Krümmungen aufweist.
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Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein Formwerkzeug bereitgestellt wird, das einen an den formgebenden Bauteilabschnitt angrenzenden ersten Randabschnitt und einen gegenüberliegenden und ebenfalls an den formgebenden Bauteilabschnitt angrenzenden zweiten Randabschnitt hat, wobei beide Randabschnitte gegenüber dem Bauteilabschnitt um ein Stufenmaß zur Ausbildung eines jeweiligen Anschlags erhöht sind.
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Durch die Ausbildung eines beidseitigen Anschlags, zwischen denen der formgebende Bauteilabschnitt gebildet wird, kann sich das Fasermaterial vollständig sowohl an der einen Seite als auch an der gegenüberliegenden anderen Seite des Formwerkzeuges abstützen, wodurch das Fasermaterial beim Evakuieren der Kavität in die vorgegebene Bauteilform gezwungen wird.
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Hierzu ist unter anderem vorgesehen, dass das vorkonfektionierte Fasermaterial derart eingelegt wird, dass das Fasermaterial mit einer ersten Stirnseite eines ersten Materialrandes an dem Anschlag des ersten Randabschnittes und mit einer zweiten Stirnseite eines dem ersten Materialrand gegenüberliegenden zweiten Materialrandes an dem Anschlag des zweiten Randabschnittes anliegt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform hierzu ist vorgesehen, dass das Fasermaterial derart vorkonfektioniert wird, dass eine Breite zwischen dem ersten Materialrand und dem zweiten Materialrand einem Maß entlang der Werkzeugoberfläche des Bauteilabschnittes von dem Anschlag des ersten Randabschnittes zu dem Anschlag des zweiten Randabschnittes entspricht.
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Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein trockenes Fasermaterial eingelegt wird, wobei nach dem Evakuieren der Kavität ein Matrixmaterial in das Fasermaterial infundiert wird, oder dass ein vorimprägniertes Fasermaterial eingelegt wird.
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Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass zum Aushärten des Matrixmaterials das Formwerkzeug zusammen mit dem mit der Vakuumabdeckung abgedeckten Fasermaterial in einen Autoklaven eingefahren und mit Druck und/oder Temperatur beaufschlagt wird.
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Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein Formwerkzeug bereitgestellt wird, bei dem der formgebende Bauteilabschnitt eine Werkzeugoberfläche mit einer zumindest teilweisen positiven Werkzeugkontur hat.
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Und einer zumindest teilweisen positiven Werkzeugkontur ist hierbei gemeint, dass die Werkzeugkontur im Wesentlichen in Art einer Hervorhebung oder Ausstülpung aus der Ebene des Formwerkzeuges gebildet wird.
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Die Erfindung wird anhand der beigefügten Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigt:
- 1 schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrensablaufes in vier ausgewählten Schritten.
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Für 1 zeigt in einer schematisch vereinfachten Darstellung in vier ausgewählten Schritten den erfindungsgemäßen Verfahrensablaufes. Dabei wird zunächst im ersten Prozessschritt a) ein Formwerkzeug 10 bereitgestellt, welches in der 1 im Querschnitt dargestellt ist und in der Mitte einen formgebenden Bauteilabschnitt 11 hat. Begrenzt wird der formgebende Bauteilabschnitt 11 durch einen ersten Randabschnitt 12 und einen zweiten Randabschnitt 13.
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Der formgebende Bauteilabschnitt 11 hat dabei eine positive Werkzeugkontur und besitzt dabei insbesondere keine Vertiefungen. Ausgehend von den Randabschnitten 12 und 13 entlang der Werkzeugkontur ist die erste Krümmung immer dergestalt, dass das Fasermaterial nach oben gekrümmt wird.
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Die Randabschnitte 12 und 13 sind dabei gegenüber dem angrenzenden Bauteilabschnitt 11 um ein Stufenmaß erhöht, sodass im Übergang zwischen dem Bauteilabschnitt 11 und den jeweiligen Randabschnitt 12, 13 eine Stufe gebildet wird, die einen Anschlag 12a, 13a erzeugt. Der erste Anschlag 12a des ersten Randabschnittes 12 und der zweite Anschlag 13a des zweiten Randabschnittes 13 stehen sich dabei gegenüber und stehen dabei im Wesentlichen senkrecht zu der angrenzenden Werkzeugkontur des Bauteilabschnittes 11.
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Im nächsten Prozessschritt b) wird nun ein Fasermaterial 20 in das Formwerkzeug 10 eingelegt, wobei die beiden Materialränder 21 des Fasermaterials 20 sich an den beiden Anschlägen 12a, 13a der Randabschnitte 12, 13 abstützen. Der erste Materialrand 22 des Fasermaterials 20 weist eine erste Stirnseite 22a auf, die an dem ersten Anschlag 12a des ersten Randabschnittes 12 anliegt, wenn das Fasermaterial wir Prozessschritt b) gezeigt in das Formwerkzeug 10 eingelegt wird. Der zweite Materialrand 23 des Fasermaterials 20 weist eine zweite Stirnseite 23a auf, die an dem zweiten Anschlag 13a des zweiten Randabschnittes 13 anliegt, wenn das Fasermaterial in das Formwerkzeug 10 eingelegt wird.
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Somit für das Fasermaterial 20 an beiden gegenüberliegenden Randabschnitten an den jeweiligen Anschlag 12a, 13a in Art eines Formschlusses gestützt.
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Anschließend wird, wie in Prozessschritt c) gezeigt ist, eine flexible Vakuumabdeckung 30 verwendet, um das eingelegte Fasermaterial 20 abzudecken. Anschließend wird die unter der Vakuumabdeckung 30 gebildete Kavität 32 evakuiert, wodurch die Vakuumabdeckung 30 das Fasermaterial 20 an den Bauteilabschnitt 11 des Formwerkzeuges 10 drückt. Aufgrund der beidseitigen Anschläge 12a, 13a erfolgt dabei eine Positionsfixierung des Fasermaterials, wobei aufgrund von Reaktionskräften in der Fasermaterialebene eine optimale Anformung erfolgt.
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Im letzten Prozessschritt d) ist das in das Fasermaterial infundierte Matrixmaterial ausgehärtet, sodass ein entsprechendes Profilbauteil hergestellt ist. Dieses kann nun aus der Form entformt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Formwerkzeug
- 11
- Bauteilabschnitt
- 12
- erster Randabschnitt
- 12a
- Anschlag des ersten Randabschnittes
- 13
- zweiter Randabschnitt
- 13a
- Anschlag des zweiten Randabschnittes
- 20
- Fasermaterial
- 21
- Materialränder
- 22
- ersten Materialrand
- 22a
- erste Stirnseite des ersten Materialrandes
- 23
- zweiter Materialrand
- 23a
- zweite Stirnseite des zweiten Materialrandes
- 30
- Vakuumabdeckung
- 32
- Kavität
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016124966 A1 [0007]
- DE 102019116817 A1 [0012]
