DE102022206242A1 - Method for producing an engine component from at least one fiber-reinforced plastic - Google Patents

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Abstract

Die vorgeschlagene Lösung betrifft insbesondere ein Verfahren zur Herstellung eines Triebwerksbauteils (2) aus mindestens einem faserverstärkten Kunststoff, aufweisend wenigstens die folgenden Schritte:- Herstellen einer Fasern enthaltenden Grundstruktur (B1a) für das Triebwerksbauteil (2) unter Nutzung eines ersten Verarbeitungsverfahrens (101a, 1201a),- Anbringen mindestens einer Fasern enthaltenden lokalen Verstärkung (202, 203, 205; B1b) an der Grundstruktur (B1a) unter Nutzung eines zu dem ersten Verarbeitungsverfahren (101a, 1201a) unterschiedlichen zweiten Verarbeitungsverfahrens (101b, 1202b) und- Konsolidieren der mit der mindestens einen lokalen Verstärkung versehenen Grundstruktur zur Herstellung einer konsolidierten Bauteilstruktur (B2), mit der das Triebwerksbauteil (2) fertiggestellt wird, wobei a) wenigstens zur Herstellung der Grundstruktur (B1a) faserverstärkter Kunststoff verwendet wird oder b) zur Herstellung der Grundstruktur (B1a) Fasermaterial verwendet und Kunststoff bei der Konsolidierung der aus Fasermaterial gebildeten Grundstruktur zugeführt wird.The proposed solution relates in particular to a method for producing an engine component (2) from at least one fiber-reinforced plastic, comprising at least the following steps: - producing a fiber-containing base structure (B1a) for the engine component (2) using a first processing method (101a, 1201a ),- attaching at least one local reinforcement (202, 203, 205; B1b) containing fibers to the base structure (B1a) using a second processing method (101b, 1202b) that is different from the first processing method (101a, 1201a) and - consolidating the with the basic structure provided with at least one local reinforcement for producing a consolidated component structure (B2) with which the engine component (2) is completed, wherein a) fiber-reinforced plastic is used at least for producing the basic structure (B1a) or b) for producing the basic structure (B1a ) Fiber material is used and plastic is supplied during the consolidation of the basic structure formed from fiber material.

Description

Die vorgeschlagene Lösung betrifft insbesondere ein Verfahren zur Herstellung eines Triebwerksbauteils aus mindestens einem faserverstärkten Kunststoff.The proposed solution relates in particular to a method for producing an engine component from at least one fiber-reinforced plastic.

Insbesondere mit Blick auf erzielbare Gewichtsvorteile ist in verschiedenen Bereichen, insbesondere im Automobilbau, vielfach eine Bestrebung vorhanden, bisher konventionell aus metallischen Werkstoffen hergestellte Bauteile mithilfe faserverstärkter Kunststoffe herzustellen. Hierdurch lassen sich erhebliche Gewichtsvorteile, gegebenenfalls aber auch Konstruktionserleichterungen erzielen. Im Flugzeugtriebwerksbereich ist aufgrund der hohen Anforderungen an das verwendete Material, insbesondere aufgrund der in bestimmten Bereichen des Triebwerks herrschenden Temperaturen und mechanischen Belastungen der Einsatz von faserverstärkten Kunststoffen bisher limitiert. Insbesondere im Bereich des Kerntriebwerks eines Flugzeugtriebwerks kommen faserverstärkte Kunststoffe derzeit kaum zum Einsatz. So können aufgrund der hohen Temperaturen durch die Abwärme aus dem Kerntriebwerk herkömmliche Faserverbundwerkstoffe nicht eingesetzt werden. Dies schließt insbesondere das Gehäuse des Kerntriebwerks ein, welches bisher typischerweise aus Titan hergestellt wird, um den in Betrieb auftretenden Temperaturen und mechanischen Belastungen standzuhalten.Particularly with a view to achievable weight advantages, there is often an effort in various areas, particularly in automobile construction, to produce components that were previously conventionally made from metallic materials using fiber-reinforced plastics. This makes it possible to achieve significant weight advantages and, if necessary, also simplifications in construction. In the aircraft engine sector, the use of fiber-reinforced plastics has so far been limited due to the high demands on the material used, in particular due to the temperatures and mechanical loads prevailing in certain areas of the engine. Fiber-reinforced plastics are currently rarely used, particularly in the area of the core engine of an aircraft engine. Due to the high temperatures caused by the waste heat from the core engine, conventional fiber composite materials cannot be used. This includes in particular the housing of the core engine, which has typically been made of titanium in order to withstand the temperatures and mechanical stresses that occur during operation.

Vor diesem Hintergrund besteht Bedarf für den Einsatz von in dieser Hinsicht verbesserten Triebwerksbauteilen und verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Triebwerksbauteils aus mindestens einem faserverstärkten Kunststoff, sodass ein solches Triebwerksbauteil in Bereichen eines Kerntriebwerks eingesetzt werden kann.Against this background, there is a need for the use of engine components that are improved in this regard and an improved method for producing an engine component made of at least one fiber-reinforced plastic, so that such an engine component can be used in areas of a core engine.

Im Zuge der vorgeschlagenen Lösung wird bei der Herstellung des Triebwerksbauteils ein zweistufiger Ansatz gewählt, bei dem zunächst eine Fasern enthaltende Grundstruktur für das Triebwerksbauteil unter Nutzung eines ersten Verarbeitungsverfahrens hergestellt wird, bevor anschließend mindestens eine Fasern enthaltende lokale Verstärkung (z.B. gebildet mit mindestens einem Verstärkungselement und/oder zu Bildung von Verstärkungsstrukturen) an der Grundstruktur unter Nutzung eines zu dem ersten Verarbeitungsverfahren unterschiedlichen zweiten Verarbeitungsverfahrens angebracht wird. Die mit der mindestens einen lokalen Verstärkung versehene Grundstruktur wird im Anschluss zur Herstellung konsolidiert, um eine konsolidierte Bauteilstruktur bereitzustellen. Aus dieser konsolidierten Bauteilstruktur wird das Triebwerksbauteil fertiggestellt. Hierbei ist vorgesehen, dass die Konsolidierung unter Wärmeeinwirkung und gegebenenfalls unter erhöhtem Druck erfolgt, um wenigstens ein zur Herstellung der Grundstruktur (und gegebenenfalls auch der lokalen Verstärkung) genutztes faserverstärktes Kunststoffmaterial zu konsolidieren. Alternativ kann zur Herstellung der Grundstruktur Fasermaterial verwendet und Kunststoff bei der Konsolidierung der aus Fasermaterial gebildeten Grundstruktur zugeführt werden, sodass mit dem Konsolidieren ein Aushärten der mit der mindestens einen lokalen Verstärkung versehenen Grundstruktur einhergeht.In the course of the proposed solution, a two-stage approach is chosen in the production of the engine component, in which a fiber-containing basic structure for the engine component is first produced using a first processing method, before then at least one local reinforcement containing fibers (e.g. formed with at least one reinforcing element and /or to form reinforcing structures) is attached to the base structure using a second processing method that is different from the first processing method. The basic structure provided with the at least one local reinforcement is subsequently consolidated during production in order to provide a consolidated component structure. The engine component is completed from this consolidated component structure. It is provided here that the consolidation takes place under the influence of heat and, if necessary, under increased pressure in order to consolidate at least one fiber-reinforced plastic material used to produce the basic structure (and possibly also the local reinforcement). Alternatively, fiber material can be used to produce the basic structure and plastic can be supplied during the consolidation of the basic structure formed from fiber material, so that the consolidation is accompanied by hardening of the basic structure provided with the at least one local reinforcement.

Durch Nutzung zweier verschiedener Verarbeitungsverfahren kann den unterschiedlichen thermischen und mechanischen Belastungen eines Triebwerksbauteils gezielter Rechnung getragen werden. So kann unter Nutzung eines ersten Verarbeitungsverfahrens beispielsweise eine flächige bereits Fasern enthaltende Grundstruktur hergestellt werden. Mit einem hierzu unterschiedlichen zweiten Verarbeitungsverfahren werden dann gezielt lastpfadgerechte Verstärkungen an der Grundstruktur angebracht, bevor erst im Anschluss eine Konsolidierung erfolgt. Durch die Verwendung eines zweiten Verarbeitungsverfahrens für die Anbringung mindestens einer lokalen Verstärkung an die bereits hergestellte Grundstruktur lassen sich mechanische Parameter auch auf kleinsten Bereichen spezifisch einstellen und damit denen im Triebwerksbereich bestehenden hohen Anforderungen ausreichend Rechnung getragen. Der Ansatz der vorgeschlagenen Lösung ermöglicht dabei insbesondere eine effektive Verwendung hochtemperaturbeständiger Hochleistungskunststoffe oder Polymersysteme für den faserverstärkten Kunststoff. Hierunter werden dann beispielsweise Kunststoffe verstanden, deren Glasübergangstemperatur und/oder dauerhafte Einsatztemperatur über 120 °C, insbesondere über 220 °C liegt. Der vorgeschlagene Ansatz gestattet insbesondere die effektive Herstellung komplex geformter Gehäuse- oder Schalenstrukturen, insbesondere wenigstens einfach gewölbter Gehäuse- und Schalenstrukturen.By using two different processing methods, the different thermal and mechanical loads on an engine component can be taken into account more specifically. For example, using a first processing method, a flat basic structure that already contains fibers can be produced. Using a second processing method that is different from this, reinforcements appropriate to the load path are then specifically attached to the basic structure before consolidation takes place afterwards. By using a second processing method for attaching at least one local reinforcement to the basic structure that has already been produced, mechanical parameters can be specifically adjusted even in the smallest areas and thus the high requirements existing in the engine area are sufficiently taken into account. The approach of the proposed solution enables in particular an effective use of high-temperature-resistant high-performance plastics or polymer systems for the fiber-reinforced plastic. This then means, for example, plastics whose glass transition temperature and/or permanent operating temperature is above 120 °C, in particular above 220 °C. The proposed approach allows in particular the effective production of complex shaped housing or shell structures, in particular at least simply curved housing and shell structures.

Grundsätzlich kann es sich bei den verwendeten Fasern um Aramid-, Glas-, Basalt, oder Kohlenstofffasern, gegebenenfalls auch zumindest teilweise um Naturfasern handeln. Das erstellende Triebwerksbauteil ist somit in einer Ausführungsvariante des vorgeschlagenen Herstellungsverfahrens aus mindestens einem faserverstärkten, z.B. kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff hergestellt.In principle, the fibers used can be aramid, glass, basalt, or carbon fibers, and possibly also at least some natural fibers. In an embodiment variant of the proposed manufacturing method, the engine component that creates it is therefore made from at least one fiber-reinforced, for example carbon fiber-reinforced, plastic.

In einer Ausführungsvariante wird an die mit der mindestens einen lokalen Verstärkung versehene Grundstruktur in einem Werkzeug, in dem auch das Konsolidieren erfolgt, ein Funktionselement des Triebwerksbauteils angebracht. Dies schließt dann beispielsweise ein, dass ein entsprechendes Funktionselement, beispielsweise wenigstens ein Verstärkungsprofil oder wenigstens eine Verstärkungsrippe in einem Werkzeug angebracht wird, zum Beispiel angespritzt oder angepresst wird, in dem die Grundstruktur mit der hieran bereits angebrachten lokalen Verstärkung angeordnet und konsolidiert wird.In one embodiment variant, a functional element of the engine component is attached to the basic structure provided with the at least one local reinforcement in a tool in which the consolidation also takes place. This then includes, for example, that a corresponding functional element, for example at least one reinforcement profile or at least one Reinforcing rib is attached in a tool, for example molded or pressed, in which the basic structure is arranged and consolidated with the local reinforcement already attached thereto.

Alternativ kann an der bereits konsolidierten Bauteilstruktur - gegebenenfalls dann auch in einem anderen Werkzeug und/oder mithilfe einer anderen Maschine - das mindestens eine Funktionselement des Triebwerksbauteils angebracht werden. Gegebenenfalls kann das Anbringen des Funktionselements hierbei auch Nutzung eines weiteren, zu den ersten und zweiten Verarbeitungsverfahren verschiedenen Verarbeitungsverfahrens erfolgen.Alternatively, the at least one functional element of the engine component can be attached to the already consolidated component structure - possibly also in a different tool and/or using a different machine. If necessary, the functional element can also be attached using a further processing method that is different from the first and second processing methods.

Grundsätzlich kann das mindestens eine Funktionselement beispielsweise angespritzt, geklebt, thermisch angefügt (insbesondere geschweißt oder direkt thermisch angefügt) und/oder mechanisch angefügt werden.In principle, the at least one functional element can, for example, be molded on, glued, thermally attached (in particular welded or directly thermally attached) and/or mechanically attached.

Die unter Nutzung des ersten Verarbeitungsverfahrens und damit in einem ersten Prozessschritt hergestellte Grundstruktur kann mehrlagig ausgebildet sein. Es ist folglich ein Aufbau der Grundstruktur aus mehreren Materialschichten respektive Materiallagen vorgesehen. Insbesondere kann hierbei ein Lagenaufbau der Grundstruktur symmetrisch, quasiisotrop oder individuell aufgebaut werden. In einer Ausführungsvariante wird die Grundstruktur mit einer Gesamtschichtdicke im Bereich von 0,5 bis 4 mm, insbesondere von 0,5 bis 3 mm und 1 bis 2 mm ausgebildet.The basic structure produced using the first processing method and thus in a first process step can be designed in multiple layers. The basic structure is therefore designed to consist of several material layers or material layers. In particular, a layer structure of the basic structure can be constructed symmetrically, quasi-isotropically or individually. In one embodiment variant, the basic structure is formed with a total layer thickness in the range from 0.5 to 4 mm, in particular from 0.5 to 3 mm and 1 to 2 mm.

In einer Ausführungsvariante hat sich mit Blick auf die besonderen Anforderungen des Triebwerksbereichs eine Herstellung der Grundstruktur aus mehreren Bahnen faserverstärkten Kunststoffs als vorteilhaft erwiesen. Hierbei wird jeweils eine von mehreren (mindestens zwei) Materiallagen der mehrlagigen Grundstruktur aus einer Vielzahl von Bahnen des faserverstärkten Kunststoffs gebildet. Hierunter wird insbesondere verstanden, dass eine Materiallage aus einer Vielzahl identisch ausgerichteten Bahnen faserverstärkten Kunststoffs ausgebildet wird. Eine Bahn faserverstärkten Kunststoffs kann hierbei einem Abschnitt eines Bandes faserverstärkten Kunststoffs entsprechen, das vorgefertigt für das erste Verarbeitungsverfahren bereitgestellt wird. Beispielsweise wird hierbei die Grundstruktur aus sogenannten Tapes, insbesondere thermoplastischen Tapes, insbesondere Tapes aus kohlenstofffaserverstärktem PEEK, wie zum Beispiel: Tenax®-E TPUD PEEK-6-34-IMS65 P12 24K-UD-146" der Teijin Carbon Europe GmbH hergestellt. Eine Vielzahl von nebeneinander abgelegter Bahnen bildet dann jeweils eine Materiallage der Grundstruktur. Mehrere übereinander gelegter Materiallagen, zum Beispiel wenigstens 3, 4, 8, 10, 12 oder 16 Materiallagen bilden dann die Grundstruktur, an der in einem nachfolgenden Prozessschritt und unter Verwendung eines anderen Verarbeitungsverfahrens mindestens eine lokale Verstärkung angebracht wird.In one embodiment variant, producing the basic structure from several sheets of fiber-reinforced plastic has proven to be advantageous in view of the special requirements of the engine sector. Here, one of several (at least two) material layers of the multi-layer basic structure is formed from a large number of sheets of fiber-reinforced plastic. This is understood in particular to mean that a material layer is formed from a large number of identically aligned sheets of fiber-reinforced plastic. A web of fiber-reinforced plastic can correspond to a section of a strip of fiber-reinforced plastic that is provided prefabricated for the first processing method. For example, the basic structure is made from so-called tapes, in particular thermoplastic tapes, in particular tapes made of carbon fiber-reinforced PEEK, such as: Tenax®-E TPUD PEEK-6-34-IMS65 P12 24K-UD-146" from Teijin Carbon Europe GmbH. One A large number of webs placed side by side then each form a material layer of the basic structure. Several material layers placed one above the other, for example at least 3, 4, 8, 10, 12 or 16 material layers then form the basic structure, on which in a subsequent process step and using a different processing method at least one local reinforcement is applied.

Mit Blick auf einen quasiisotropen Aufbau der Grundstruktur bietet sich das Verlegen der Bahnen faserverstärkten Kunststoffs unterschiedlicher Materiallagen mit zueinander unterschiedlicher Ausrichtung der Fasern an. Beispielsweise können hierfür die Bahnen faserverstärkten Kunststoffs einer Materiallage in einem Winkel von 45°, 60° oder 70° zu den Bahnen faserverstärkten Kunststoffs einer anderen Materiallage ausgerichtet sein. Insbesondere kann ein symmetrischer quasiisotroper Materiallagenaufbau wie beispielsweise [45/0/-45/90]s oder [45/0/-45/90]2S vorgesehen sein. Die jeweils unter einem Winkel von 45° zueinander ausgerichteten Materiallagen respektive Bahnen dieser Materiallagen gestatten die Schaffung einer Grundstruktur mit ausgeglichenem Eigenschaftsprofil, insbesondere auch mit Blick auf eine Torsionssteifigkeit des hergestellten Triebwerksbauteils.With a view to a quasi-isotropic structure of the basic structure, it is advisable to lay the sheets of fiber-reinforced plastic in different material layers with different orientations of the fibers. For example, the webs of fiber-reinforced plastic of one material layer can be aligned at an angle of 45°, 60° or 70° to the webs of fiber-reinforced plastic of another material layer. In particular, a symmetrical quasi-isotropic material layer structure such as [45/0/-45/90]s or [45/0/-45/90] 2S can be provided. The material layers or paths of these material layers, each aligned at an angle of 45° to one another, allow the creation of a basic structure with a balanced property profile, in particular with regard to the torsional rigidity of the engine component produced.

Bei der Aufbringung der Bahnen bei dem ersten Verarbeitungsverfahren, zum Beispiel auf einer Herstellungsplattform, kann zumindest ein Teil der Bahnen von einem Band faserverstärkten Kunststoffs abgewickelt werden, z. B. von einer Rolle. Das bereits vorstehend angesprochene Tenax®-Tape wird beispielsweise in entsprechenden Rollen zur Verfügung gestellt. Insbesondere dieses faserverstärktes Kunststoffmaterial eignet sich dann auch für eine Herstellung der Grundstruktur mithilfe eines Automated Tape Placement, ATP-Verfahrens.When applying the webs in the first processing method, for example on a manufacturing platform, at least some of the webs can be unwound from a tape of fiber-reinforced plastic, e.g. B. from a role. The Tenax® tape already mentioned above, for example, is made available in appropriate rolls. In particular, this fiber-reinforced plastic material is then also suitable for producing the basic structure using an automated tape placement, ATP process.

Für das Anbringen der mindestens einen lokalen Verstärkung ist in einer Ausführungsvariante demgegenüber ein Druckverfahren genutzt. Dies schließt beispielsweise ein 3D-Druckverfahren für die Herstellung der mindestens einen lokalen Verstärkung ein, beispielsweise ein 3D-Druckverfahren unter Nutzung eines schmelzfähigen Garns, insbesondere unter Nutzung eines Hybridgarns oder ein 3D-Druckverfahren unter Nutzung eines Tapes und mithin ein 3D Tape Druckverfahren. In contrast, in one embodiment variant, a printing process is used to attach the at least one local reinforcement. This includes, for example, a 3D printing process for producing the at least one local reinforcement, for example a 3D printing process using a meltable yarn, in particular using a hybrid yarn, or a 3D printing process using a tape and therefore a 3D tape printing process.

Hierbei wird dann faserverstärkter Kunststoff über einen Druckkopf auf die bereits hergestellte Grundstruktur aufgedruckt. Ein hierfür nutzbares 3D Tape Druckverfahren ist beispielsweise in Borowski, A.; Vogel, C.; Behnisch, T.; Geske, V.; Gude, M.; Modler, N. „Additive Manufacturing-Based In Situ Consolidation of Continuous Carbon Fibre-Reinforced Polycarbonate“, Materials 2021, 14, 2450 . (https://doi.org/10.3390/ma14092450) beschrieben.Fiber-reinforced plastic is then printed onto the already manufactured basic structure using a print head. A 3D tape printing process that can be used for this is, for example Bourne, A.; Vogel, C.; Behnisch, T.; Geske, V.; Gude, M.; Modler, N. “Additive Manufacturing-Based In Situ Consolidation of Continuous Carbon Fiber-Reinforced Polycarbonate,” Materials 2021, 14, 2450 . (https://doi.org/10.3390/ma14092450).

Unabhängig von der Verwendung eines 3D Tape Druckverfahrens sieht eine Ausführungsvariante vor, dass für das Anbringen der mindestens einen lokalen Verstärkung wenigstens eine Bahn faserverstärkten Kunststoffs an einem vorgesehenen Bereich der Grundstruktur vorgesehen wird. Dies schließt besondere ein, dass derselbe oder ein anderer faserverstärkter Kunststoff im Rahmen des zweiten Verarbeitungsverfahrens an einem vorgesehenen Bereich der Grundstruktur abgelegt wird, um die mindestens eine lokale Verstärkung zu bilden, der auch bei dem ersten Verarbeitungsverfahren zur Bildung der Grundstruktur verarbeitet wird. So kann beispielsweise auch bei dem zweiten Verarbeitungsverfahren das vorstehend genannte Tenax®-Tape genutzt werden. Durch Nutzung desselben faserverstärkten Kunststoffmaterials ist dann die nachfolgende Konsolidierung vereinfacht. Zur lastpfadgerechten Ausbildung der mindestens einen lokalen Verstärkung an der Grundstruktur wird hierfür das andere zweite Verarbeitungsverfahren, zum Beispiel in einer Ausführungsvariante das vorstehend angesprochene 3D Tape Druckverfahren genutzt.Regardless of the use of a 3D tape printing process, one embodiment variant provides that for attaching the at least a local reinforcement of at least one web of fiber-reinforced plastic is provided on a designated area of the base structure. This particularly includes that the same or a different fiber-reinforced plastic is deposited on a designated area of the base structure as part of the second processing method in order to form the at least one local reinforcement, which is also processed in the first processing method to form the base structure. For example, the aforementioned Tenax® tape can also be used in the second processing method. By using the same fiber-reinforced plastic material, the subsequent consolidation is simplified. To form the at least one local reinforcement on the basic structure in accordance with the load path, the other second processing method is used, for example in one embodiment variant the 3D tape printing method mentioned above.

Im Zuge des anderen zweiten Verarbeitungsverfahrens kann auch vorgesehen sein, dass eine Bahn einer Materiallage für die Bildung der Grundstruktur eine Breite aufweist, die wenigstens dem Doppelten einer Breite einer Bahn für die mindestens eine lokale Verstärkung entspricht. In einer Ausführungsvariante ist beispielsweise eine Bahn für die Bildung einer Materiallage der Grundstruktur mit einer Breite von wenigstens 6 mm vorgesehen, zum Beispiel 1/4 Zoll (entspricht 6,35 mm) und gegebenenfalls bis zu einer Breite von 12 Zoll (entspricht 304,8 mm). Die Breite einer Bahn für die mindestens eine lokale Verstärkung übersteigt demgegenüber eine maximale Breite von 3,5 mm nicht. Beispielsweise liegt hier eine maximale Breite bei 1/8 Zoll (entspricht 3,175 mm). Dies unterstützt zusätzlich die Möglichkeit, Verläufe für die mindestens eine lokale Verstärkung mit vergleichsweise kleinen respektive engen Radien auszubilden. Hierunter werden Radien von weniger als 5 mm, insbesondere von weniger als 3 mm verstanden.In the course of the other second processing method, it can also be provided that a web of a material layer for forming the basic structure has a width that corresponds to at least twice the width of a web for the at least one local reinforcement. In one embodiment variant, for example, a web is provided for forming a material layer of the basic structure with a width of at least 6 mm, for example 1/4 inch (corresponds to 6.35 mm) and optionally up to a width of 12 inches (corresponds to 304.8 mm). In contrast, the width of a strip for the at least one local reinforcement does not exceed a maximum width of 3.5 mm. For example, a maximum width here is 1/8 inch (corresponds to 3.175 mm). This additionally supports the possibility of designing courses for the at least one local reinforcement with comparatively small or narrow radii. This refers to radii of less than 5 mm, in particular less than 3 mm.

Grundsätzlich können im Zuge einer Ausführungsvariante der vorgeschlagenen Lösung thermoplastische Kunststoffe vorgesehen werden, die eine vergleichsweise geringe Wärmestabilität aufweisen, so zum Beispiel Polyamid, insbesondere PA6 oder PA66, oder Polybutylenterephthalat (PBT) oder Polycarbonat (PC). Mit Blick auf die Erzielung einer höheren Temperaturbeständigkeit wird aber insbesondere die Verwendung von hochtemperaturbeständigen Thermoplasten, wie zum Beispiel Polyetheretherketon (PEEK), Polyetherketoneketone (PEKK), Polyaryletherketone (PAEK), Polyphenylensulfid (PPS) oder Polyetherimid (PEI) als vorteilhaft angesehen.In principle, in the course of an embodiment variant of the proposed solution, thermoplastic materials can be provided which have a comparatively low thermal stability, for example polyamide, in particular PA6 or PA66, or polybutylene terephthalate (PBT) or polycarbonate (PC). With a view to achieving higher temperature resistance, the use of high-temperature-resistant thermoplastics, such as polyether ether ketone (PEEK), polyether ketone ketones (PEKK), polyaryl ether ketones (PAEK), polyphenylene sulfide (PPS) or polyetherimide (PEI), is particularly considered advantageous.

Anstelle einer Herstellung einer Materiallage der Grundstruktur aus mehreren Bahnen faserverstärkten Kunststoffs, beispielsweise im Wege eines Automated Tape Placement Verfahrens kann auch vorgesehen sein, dass für die Bildung der mehrlagigen Grundstruktur in dem ersten Verarbeitungsverfahren trockene oder vorimprägnierte Faserlagen oder textile Halbzeuge aufeinander geschichtet werden. Hier kann dann folglich z.B. trockenes Gewebe oder vorimprägniertes Gewebe (sogenannte „Prepreg“) anstelle von Tape genutzt werden, um die Grundstruktur in einem ersten Prozessschritt auszubilden. Ein derartiges Vorgehen bietet sich insbesondere bei der Verwendung eines Duromers als Kunststoff an. Insbesondere kann hierbei das erste Verarbeitungsverfahren ein automatisiertes (also rotobergesteuertes) Preforming umfassen.Instead of producing a material layer of the basic structure from several sheets of fiber-reinforced plastic, for example by means of an automated tape placement process, it can also be provided that dry or pre-impregnated fiber layers or textile semi-finished products are layered on top of one another in order to form the multi-layer basic structure in the first processing method. Here, for example, dry fabric or pre-impregnated fabric (so-called “prepreg”) can be used instead of tape to form the basic structure in a first process step. Such a procedure is particularly suitable when using a duromer as a plastic. In particular, the first processing method can include automated (i.e. rotor-controlled) preforming.

Werden trockene oder vorimprägnierte Fasern, insbesondere als trockene oder vorimprägnierte textile Halbzeuge in dem ersten Verarbeitungsverfahren zur Bildung der Grundstruktur genutzt, kann das Anbringen der mindestens einen lokalen Verstärkung in dem anderen, zweiten Verarbeitungsverfahren ein Vernähen von Fasermaterial mit der Grundstruktur umfassen. So kann dann beispielsweise das zweite Verarbeitungsverfahren ein Tailored Fibre Placement, TFP, Verfahren umfassen.If dry or pre-impregnated fibers, in particular as dry or pre-impregnated textile semi-finished products, are used in the first processing method to form the basic structure, the application of the at least one local reinforcement in the other, second processing method can include sewing fiber material to the basic structure. For example, the second processing method can then include a tailored fiber placement, TFP, method.

Ist in den ersten und zweiten Verarbeitungsschritten die Verwendung von Faserlagen vorgesehen, kann das Konsolidieren eine Aushärtung des Kunststoffes einschließen, der erst bei dem Konsolidierungsschritt zugeführt wird. Beispielsweise wird hierfür dann ein Infiltrationswerkzeug genutzt, in das die mit der mindestens einen lokalen Verstärkung versehene Grundstruktur eingelegt wird.If the use of fiber layers is intended in the first and second processing steps, the consolidation can include hardening of the plastic, which is only supplied in the consolidation step. For example, an infiltration tool is then used for this purpose, into which the basic structure provided with the at least one local reinforcement is inserted.

Unabhängig davon, ob bereits faserverstärkter Kunststoff für die Ausbildung der Grundstruktur und der mindestens eine lokalen Verstärkung genutzt wird oder der Kunststoff erst später in dem Konsolidierungsschritt zugeführt wird, kann eine Ausführungsvariante vorsehen, dass unter Nutzung des ersten Verarbeitungsverfahrens bereits an der Grundstruktur mindestens ein lokal verstärkter Bereich gebildet wird, und zwar a) durch wenigstens eine Lage faserverstärkten Kunststoffs, insbesondere ein Band oder mehrere Bänder faserverstärkten Kunststoff oder b) durch eine Faserlage, also insbesondere durch eine trockene oder vorimprägnierte Faserlage. Dementsprechend wird bereits mit der Ausbildung der Grundstruktur über ein Band oder mehrere Bänder faserverstärkten Kunststoffs und/oder eine oder mehrere Faserlagen eine lokale Aufdickung und damit ein verstärkter Bereich an der Grundstruktur ausgebildet.Regardless of whether fiber-reinforced plastic is already used to form the basic structure and the at least one local reinforcement or the plastic is only added later in the consolidation step, an embodiment variant can provide that at least one locally reinforced material is already applied to the basic structure using the first processing method Area is formed, namely a) by at least one layer of fiber-reinforced plastic, in particular a band or several bands of fiber-reinforced plastic or b) by a fiber layer, i.e. in particular by a dry or pre-impregnated fiber layer. Accordingly, with the formation of the basic structure via a band or several bands of fiber-reinforced plastic and/or one or more fiber layers, a local thickening and thus a reinforced area is formed on the basic structure.

In einer Ausführungsvariante wird beispielsweise die Grundstruktur bereits im Wege des ersten Verarbeitungsverfahrens mit sich (nur) in einem definierten Überlappungsbereich überlappenden Bändern faserverstärkten Kunststoffs unterschiedlicher Ausrichtung ausgebildet. Beispielsweise ist ein solcher Überlappungsbereich an einem umlaufenden Rand der z.B. flächigen Grundstruktur und mithilfe im ATP Verfahren abgelegten Bändern faserverstärkten Kunststoffs ausgebildet. Eine solche Variante schließt ein, dass mit einem ATP Verfahren in einem ersten Prozessschritt die Grundstruktur bereits mit einer Grundfläche und im Vergleich größeren Radien verlaufenden verstärkten Bereichen hergestellt wird, bevor dann in einem anschließenden Prozessschritt, beispielsweise über 3D Druckverfahren, insbesondere 3D Tape Druckverfahren, präzise lastpfadgerechte lokale Verstärkungen mit engen Radienverläufen angebracht werden.In one embodiment variant, for example, the basic structure becomes more different as a result of the first processing method with bands of fiber-reinforced plastic that (only) overlap in a defined overlap area Alignment trained. For example, such an overlap area is formed on a circumferential edge of the flat basic structure, for example, and using strips of fiber-reinforced plastic deposited using the ATP process. Such a variant includes that with an ATP process in a first process step, the basic structure is already produced with a base area and reinforced areas with comparatively larger radii, before then precisely in a subsequent process step, for example using 3D printing processes, in particular 3D tape printing processes Local reinforcements with narrow radii that are appropriate for the load path must be installed.

Grundsätzlich kann das herzustellende Triebwerksbauteil eine Komponente eines Kerntriebwerks sein. Insbesondere kann es sich um wenigstens einen gewölbten Teil eines Gehäuses eines Kerntriebwerks handeln, zum Beispiel ein Gehäusesegment.In principle, the engine component to be manufactured can be a component of a core engine. In particular, it can be at least one curved part of a housing of a core engine, for example a housing segment.

Die vorgeschlagene Lösung betrifft ferner ein Triebwerksbauteil aus mindestens einem faserverstärkten Kunststoff, das eine aus mehreren Materiallagen faserverstärkten Kunststoffs gebildete Grundstruktur und mindestens eine ebenfalls mit faserverstärktem Kunststoff gebildeten lokale Verstärkung aufweist, wobei letztere an der Grundstruktur, zum Beispiel durch 3D Tape Druckverfahren oder Tailored Fiber Placement, angebracht ist und mit der Grundstruktur konsolidiert wurde.The proposed solution also relates to an engine component made of at least one fiber-reinforced plastic, which has a basic structure formed from several material layers of fiber-reinforced plastic and at least one local reinforcement also formed with fiber-reinforced plastic, the latter being attached to the basic structure, for example by 3D tape printing processes or tailored fiber placement , is attached and has been consolidated with the basic structure.

Ein vorgeschlagenes Triebwerksbauteil kann dabei insbesondere durch eine Ausführungsvariante eines vorgeschlagenen Herstellungsverfahrens hergestellt worden sein. Vorstehend und nachstehend für Ausführungsvarianten eines vorgeschlagenen Herstellungsverfahrens erläuterte Merkmale und Vorteile gelten somit auch für Ausführungsvarianten eines vorgeschlagenen Triebwerksbauteils.A proposed engine component can in particular have been produced by an embodiment variant of a proposed manufacturing method. Features and advantages explained above and below for embodiment variants of a proposed manufacturing method therefore also apply to embodiment variants of a proposed engine component.

Die beigefügten Figuren veranschaulichen exemplarisch mögliche Ausführungsvarianten der vorgeschlagenen Lösung.The attached figures illustrate exemplary possible embodiment variants of the proposed solution.

Hierbei zeigen:

  • 1 schematisch einen Gesamtfertigungsprozess für eine Ausführungsvariante eines vorgeschlagenen Herstellungsverfahrens, bei dem eine Herstellung eines Triebwerksbauteils auf Basis eines kohlenstofffaserverstärkten Thermoplasten erfolgt;
  • 2A-2D eine mit dem Verfahren der 1 herzustellendes Triebwerksbauteil in Form eines Gehäusesegments in verschiedenen Phasen während der Herstellung;
  • 3 das Gehäusesegment in mit den 2A bis 2D übereinstimmender Seitenansicht und unter Darstellung unterschiedlicher beispielhaft gewählter Materiallagen an einer Grundfläche;
  • 4 einen vergrößerten Ausschnitt der Basisfläche der 3 unter Darstellung verschiedener Materiallagen;
  • 5A-5C in vergrößertem Maßstab unterschiedliche Varianten eines randseitigen Überlappungsbereich des Gehäusesegments;
  • 6 in vergrößertem Maßstab nachträglich in einem zweiten Verarbeitungsverfahren hergestellte lokale Verstärkungen im Bereich von randnahen Bohrungen des Gehäusesegments;
  • 7 schematisch ein Druckkopf für das Aufbringen der lokalen Verstärkung der 6 im Wege eines 3D Tape Druckverfahrens;
  • 8 einzelne Darstellung unterschiedlicher beispielhafter gedruckter lokaler Verstärkungen;
  • 9 in Seitenansicht das Gehäusesegment nach einem Funktionalisierungsschritt, während dem Funktionselemente in Form von Quer- und Längsrippen an der Basisfläche fixiert werden;
  • 10 ein vergrößerter Ausschnitt der Grundfläche der 9;
  • 11 ein Diagramm zu einem exemplarischen Temperatur-, Druck- und Zeitverlauf für eine Konsolidierung einer im Rahmen des Herstellungsverfahrens des Gehäusesegments hergestellten Grundstruktur mit hieran angebrachten lokalen Verstärkungen;
  • 12 schematisch ein Gesamtfertigungsprozess für eine weitere Ausführungsvariante eines vorgeschlagenen Herstellungsverfahrens, bei dem ein kohlenstofffaserverstärktes Duromer zum Einsatz kommt;
  • 13 in geschnittener Seitenansicht ein Triebwerk, in dem ein gemäß der vorgeschlagenen Lösung hergestelltes Triebwerksbauteil zum Einsatz kommt.
Show here:
  • 1 schematically an overall manufacturing process for an embodiment variant of a proposed manufacturing method, in which an engine component is manufactured based on a carbon fiber-reinforced thermoplastic;
  • 2A-2D one with the procedure of 1 Engine component to be manufactured in the form of a housing segment in various phases during production;
  • 3 the housing segment in with the 2A until 2D matching side view and showing different exemplary material layers on a base surface;
  • 4 an enlarged section of the base area of the 3 showing different material layers;
  • 5A-5C on an enlarged scale, different variants of an edge overlap area of the housing segment;
  • 6 Local reinforcements subsequently produced on an enlarged scale in a second processing method in the area of holes near the edge of the housing segment;
  • 7 schematically a print head for applying the local reinforcement 6 using a 3D tape printing process;
  • 8th individual representation of different exemplary printed local reinforcements;
  • 9 in side view the housing segment after a functionalization step, during which functional elements in the form of transverse and longitudinal ribs are fixed to the base surface;
  • 10 an enlarged section of the base area of the 9 ;
  • 11 a diagram of an exemplary temperature, pressure and time curve for a consolidation of a basic structure produced as part of the manufacturing process of the housing segment with local reinforcements attached thereto;
  • 12 schematically an overall manufacturing process for a further embodiment variant of a proposed manufacturing method in which a carbon fiber-reinforced thermoset is used;
  • 13 in a sectional side view of an engine in which an engine component manufactured according to the proposed solution is used.

Die 13 veranschaulicht schematisch und in Schnittdarstellung ein (Turbofan-) Triebwerk T, bei dem die einzelnen Triebwerkskomponenten entlang einer Rotationsachse oder Mittelachse R hintereinander angeordnet sind und das Triebwerk T als Turbofan-Triebwerk ausgebildet ist. An einem Einlass oder Intake E des Triebwerks T wird Luft entlang einer Eintrittsrichtung mittels eines Fans F angesaugt. Dieser in einem Fangehäuse FC angeordnete Fan F wird über eine Rotorwelle S angetrieben, die von einer Turbine TT des Triebwerks T in Drehung versetzt wird. Die Turbine TT schließt sich hierbei an einen Verdichter V an, der beispielsweise einen Niederdruckverdichter 111 und einen Hochdruckverdichter 112 aufweist, sowie gegebenenfalls noch einen Mitteldruckverdichter. Der Fan F führt einerseits in einem Primärluftstrom F1 dem Verdichter V Luft zu sowie andererseits, zur Erzeugung des Schubs, in einem Sekundärluftstrom F2 einem Sekundärstromkanal oder Bypasskanal B. Der Bypasskanal B verläuft hierbei um ein den Verdichter V und die Turbine TT umfassendes Kerntriebwerk, das einen Primärstromkanal für die durch den Fan F dem Kerntriebwerk zugeführte Luft umfasst.The 13 illustrates schematically and in a sectional view a (turbofan) engine T, in which the individual engine components are arranged one behind the other along a rotation axis or central axis R and the engine T is designed as a turbofan engine. At an inlet or intake E of the engine T, air is sucked in along an inlet direction by means of a fan F. This fan F, which is arranged in a fan housing FC, is driven via a rotor shaft S, which is rotated by a turbine TT of the engine T. The turbine TT is connected to a compressor V, which has, for example, a low-pressure compressor 111 and a high-pressure compressor 112, and possibly also a medium pressure compressor. On the one hand, the fan F supplies air to the compressor V in a primary air flow F1 and, on the other hand, to generate the thrust, in a secondary air flow F2, a secondary flow channel or bypass channel B. The bypass channel B runs around a core engine comprising the compressor V and the turbine TT, which comprises a primary flow duct for the air supplied to the core engine by the fan F.

Die über den Verdichter V in den Primärstromkanal geförderte Luft gelangt in eine Brennkammerbaugruppe BK des Kerntriebwerks, in dem die Antriebsenergie zum Antreiben der Turbine TT erzeugt wird. Der Verdichter V kann hierbei grundsätzlich als Axialverdichter oder als Radialverdichter respektive Zentrifugalkompressor ausgebildet sein, wobei vorliegend von einer Ausbildung als Axialverdichter ausgegangen wird.The air conveyed into the primary flow channel via the compressor V reaches a combustion chamber assembly BK of the core engine, in which the drive energy for driving the turbine TT is generated. The compressor V can in principle be designed as an axial compressor or as a radial compressor or centrifugal compressor, in which case it is assumed that it is designed as an axial compressor.

Zur Erzeugung der Antriebsenergie weist die Turbine TT weiterhin eine Hochdruckturbine 113, eine (optionale) Mitteldruckturbine 114 und einen Niederdruckturbine 115 auf. Die Turbine TT treibt dabei über die bei der Verbrennung freiwerdende Energie die Rotorwelle S und damit den Fan F an, um über die die in den Bypasskanal B geförderte Luft den erforderlichen Schub zu erzeugen. Sowohl die Luft aus dem Bypasskanal B als auch die Abgase aus dem Primärstromkanal des Kerntriebwerks strömen über einen Auslass A am Ende des Triebwerks T aus. Der Auslass A weist hierbei üblicherweise eine Schubdüse mit einem zentral angeordneten Auslasskonus C auf.To generate the drive energy, the turbine TT also has a high-pressure turbine 113, an (optional) medium-pressure turbine 114 and a low-pressure turbine 115. The turbine TT uses the energy released during combustion to drive the rotor shaft S and thus the fan F in order to generate the required thrust via the air conveyed into the bypass channel B. Both the air from the bypass duct B and the exhaust gases from the primary flow duct of the core engine flow out via an outlet A at the end of the engine T. The outlet A usually has a thrust nozzle with a centrally arranged outlet cone C.

Insbesondere im Bereich des Kerntriebwerks herrschen bei dem (Flugzeug-) Triebwerk T der 13 im Betrieb hohe Temperaturen und Drücke sowie mechanische Lasten. Eine Gehäusestruktur für das Kerntriebwerk muss somit dementsprechend besonderen thermischen und mechanischen Anforderungen genügen. Typischerweise werden daher entsprechende Gehäusestrukturen des Kerntriebwerks aus Titan gefertigt. Ließen sich hier eine Herstellung in Faser-Kunststoff-Verbund-Bauweise realisieren, ginge hiermit eine erhebliche Gewichtseinsparung einher. Bisher waren in diesem Zusammenhang aber gerade die auftretenden Betriebstemperaturen von mehr als 120 °C eine besondere Herausforderung. Gleichzeitig muss ein hergestelltes Triebwerksbauteil, das Teil einer Gehäusestruktur für das Kerntriebwerk sein soll, auch mechanisch hoch belastbar sein, insbesondere an spezifisch vorgegebenen Bereichen. Mit üblichen Herstellungsverfahren und herkömmlichen technischen Kunststoffen oder Standardkunststoffen ließ sich dies nicht erreichen. Bei der vorgeschlagenen Lösung werden daher unterschiedliche Verarbeitungsverfahren, z.B. unter Verwendung von Hochleistungskunststoffen, bereits vor einem Konsolidierungsschritt miteinander kombiniert, um Fasern enthaltende Grundstrukturen mit lokalen Verstärkungen für das herzustellende Triebwerksbauteil auszubilden.Particularly in the area of the core engine, the (aircraft) engine T prevails 13 high temperatures and pressures as well as mechanical loads during operation. A housing structure for the core engine must therefore meet specific thermal and mechanical requirements. Typically, corresponding housing structures of the core engine are made of titanium. If production could be achieved using a fiber-plastic composite construction, this would result in significant weight savings. Until now, the operating temperatures of more than 120 °C have posed a particular challenge in this context. At the same time, a manufactured engine component that is intended to be part of a housing structure for the core engine must also be able to withstand high mechanical loads, especially in specifically specified areas. This could not be achieved with conventional manufacturing processes and conventional technical plastics or standard plastics. In the proposed solution, different processing methods, for example using high-performance plastics, are combined with one another before a consolidation step in order to form basic structures containing fibers with local reinforcements for the engine component to be produced.

Das vorgeschlagene Verfahren ist jedoch selbstverständlich auch für andere Triebwerksbauteile nutzbar, die nicht im Bereich eines Kerntriebwerks eingesetzt werden. Bei einem aus der 1 ersichtlichen Gesamtfertigungsprozess 100 ist beispielsweise ein Gehäusesegment 2 für das Kerntriebwerk als herzustellendes, finales Triebwerksbauteil/Endprodukt B4 lediglich exemplarisch zu verstehen.However, the proposed method can of course also be used for other engine components that are not used in the area of a core engine. With one of the 1 As can be seen from the overall manufacturing process 100, for example, a housing segment 2 for the core engine as the final engine component/end product B4 to be produced is to be understood only as an example.

Bei dem Gesamtfertigungsprozess 100 wird unter Nutzung eines Verarbeitungsmaterials W1 zunächst eine Gehäusestruktur B1a im Wege eines ersten Verarbeitungsverfahrens 101a - hier durch Automated Tape Placement, ATP - hergestellt. Mithilfe verschiedener Maschinen respektive Geräte M1 und M2, hier in Form eines Roboters und eines Tape-Legekopfes, werden hierbei von einer Rolle abgewickelte Bahnen kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffes mit einer Breite von mehr als 6 mm zur Bildung unterschiedlicher Materiallagen genutzt. Ein herzustellendes Gehäusesegment 2 (vergleiche insbesondere 2A bis 2D und 3) ist dabei Teil eines Gehäuses des Kerntriebwerks. Ein solches Gehäuse (ein sogenanntes „Core Fairing“) besteht beispielsweise aus vier solcher Gehäusesegmente 2 mit einer ungefähren Länge im Bereich von 450 mm bis 600 mm und einer Breite im Bereich von 600 mm bis 700 mm, wobei jedoch selbstverständlich die Größe je nach Typ des Triebwerks T variieren kann.In the overall manufacturing process 100, using a processing material W1, a housing structure B1a is first produced by means of a first processing method 101a - here by Automated Tape Placement, ATP. With the help of various machines or devices M1 and M2, here in the form of a robot and a tape laying head, webs of carbon fiber-reinforced plastic with a width of more than 6 mm unwound from a roll are used to form different material layers. A housing segment 2 to be produced (compare in particular 2A until 2D and 3 ) is part of a housing of the core engine. Such a housing (a so-called “core fairing”) consists, for example, of four such housing segments 2 with an approximate length in the range of 450 mm to 600 mm and a width in the range of 600 mm to 700 mm, although of course the size depends on the type of the engine T can vary.

Über das ATP wird die Grundstruktur B1a entsprechend der 2A hergestellt. Diese mehrlagig aufgebaute Grundstruktur B1a weist beispielsweise einen symmetrischen, quasiisotropen Materiallagenaufbau mit 8 oder 16 Lagen und einer Gesamtschichtdicke im Bereich von 0,5 bis 4 mm, z.B. 0,5 bis 3 mm oder 1-2 mm auf. Beispielsweise ist ein Lagenaufbau [45/0/-45/90]s oder [45/0/-45/90]2S gewählt. Für das bandförmige Ausgangsmaterial wird ein Tape genutzt, beispielsweise Tenax®-E TPUD PEEK-6-34-IMS65 P12 24K-UD-146" der Teijin Carbon Europe GmbH. Über ATP lassen sich dabei die thermoplastischen Tapes voll automatisiert ablegen und hierbei auch bereits einzelne verstärkte Bereiche an der Grundstruktur B1a ausbilden. Entsprechend der Darstellung der 2A zählt hierzu beispielsweise eine umlaufende Rahmenverstärkung 201, die ebenfalls durch entsprechend orientiert abgelegte Bahnen/Bänder gebildet wird. An dem umlaufenden randseitigen Rahmen der Grundstruktur B1a ist entsprechend dem in der 2A dargestellten Gehäusesegment 2 auch eine Vielzahl von Bohrungen 21 für die weitere Fixierung des Gehäusesegments 2 vorgesehen. Die Rahmenverstärkung 201 umrandet vorliegend umfangsseitig vollständig eine Grundfläche 20 des Gehäusesegments 2, in dem auch ein größeres Durchgangsloch 200 vorgesehen ist. Das Durchgangsloch 200 (wie auch eine Bohrung 21) kann hierbei beispielsweise durch Fräsen oder Bohren nachträglich an der Grundstruktur B1a hergestellt worden sein.The basic structure B1a is created via the ATP 2A manufactured. This multi-layer basic structure B1a has, for example, a symmetrical, quasi-isotropic material layer structure with 8 or 16 layers and a total layer thickness in the range of 0.5 to 4 mm, for example 0.5 to 3 mm or 1-2 mm. For example, a layer structure [45/0/-45/90]s or [45/0/-45/90] 2S is selected. A tape is used for the band-shaped starting material, for example Tenax®-E TPUD PEEK-6-34-IMS65 P12 24K-UD-146" from Teijin Carbon Europe GmbH. The thermoplastic tapes can be laid down fully automatically via ATP and this is already the case form individual reinforced areas on the basic structure B1a. According to the illustration 2A This includes, for example, a circumferential frame reinforcement 201, which is also formed by appropriately oriented strips/tapes. On the surrounding edge frame of the basic structure B1a is in accordance with that in the 2A Housing segment 2 shown also has a large number of holes 21 for further fixing of the housing sea segments 2 are provided. In the present case, the frame reinforcement 201 completely surrounds a base area 20 of the housing segment 2 on the circumference, in which a larger through hole 200 is also provided. The through hole 200 (as well as a bore 21) can have been subsequently produced on the basic structure B1a, for example by milling or drilling.

Im Wege von ATP lassen sich beispielsweise im Bereich des Durchgangslochs 200 oder der Bohrungen 21 letztlich nicht ohne weiteres und gegebenenfalls auch nicht mit gewünschten engradigen Verläufen lokale Verstärkungen ausbilden. Daher sieht der Gesamtfertigungsprozess 100 der 1 vor einem Konsolidierungsschritt 102 die Anbringung von lokalen Verstärkungen im Wege eines zweiten Verarbeitungsverfahrens 101b, hier durch 3D Tape Druckverfahren vor. Hierbei können ebenfalls ein Roboter und ein Tape-Legekopf oder alternativ wenigstens ein Druckkopf zum Einsatz kommen. Das für die Anbringung lokaler Verstärkungen B1b verwendete Tape und damit die hierüber an der Grundstruktur B1a abgelegten Bahnen sind deutlich schmaler als die Bahnen für die Herstellung der Grundstruktur B1a. Beispielsweise weisen die Bahnen/Bänder einer lokalen Verstärkung eine maximale Breite im Bereich von 3 mm oder 3,5 mm auf. Im 3D Tape Druckverfahren kann dann ebenfalls das genannte Tenax®-Material oder ein artgleiches kohlenstofffaserverstärktes Kunststoffmaterial zum Einsatz kommen. Durch den 3D Tape Druckverfahren werden lastpfadgerechte lokale Verstärkungen B1b insbesondere für das Durchgangsloch 200 und die Bohrungen 21 an der hergestellten Grundstruktur B1a angebracht (nachfolgend noch näher anhand der weiteren Figuren erläutert).Using ATP, for example, in the area of the through hole 200 or the bores 21, local reinforcements cannot ultimately be formed easily and possibly not with the desired narrow courses. Therefore, the overall manufacturing process sees 100 of the 1 Before a consolidation step 102, the attachment of local reinforcements by means of a second processing method 101b, here using 3D tape printing methods. A robot and a tape laying head or, alternatively, at least one print head can also be used here. The tape used for attaching local reinforcements B1b and thus the strips deposited on the base structure B1a are significantly narrower than the strips for producing the base structure B1a. For example, the sheets/tapes of local reinforcement have a maximum width in the range of 3 mm or 3.5 mm. The aforementioned Tenax® material or a similar carbon fiber-reinforced plastic material can also be used in the 3D tape printing process. Using the 3D tape printing process, load path-appropriate local reinforcements B1b are attached to the manufactured base structure B1a, in particular for the through hole 200 and the bores 21 (explained in more detail below using the other figures).

Insbesondere kann die im Wege des 3D Tape Drucks vorgesehene Anbringung von lokalen Verstärkungen auch ein etwaigen späteren Verzug des Triebwerksbauteils beim Abkühlen während des Herstellungsprozesses berücksichtigen. Hierfür werden beispielsweise die lokalen Verstärkungen B1b in einer Symmetrieebene des Triebwerksbauteils 2, d. h. zum Beispiel in Mitten eines mit dem ATP Verfahren gebildeten Grundlaminats, elektronisch gesteuert und mithin automatisiert positioniert. Dies kann bei dem fertiggestellten Gehäusesegment 2 im montierten Zustand zu einer gleichmäßige(re)n Lastverteilung führen.In particular, the application of local reinforcements provided by 3D tape printing can also take into account any later distortion of the engine component when cooling during the manufacturing process. For this purpose, for example, the local reinforcements B1b are in a plane of symmetry of the engine component 2, i.e. H. for example, in the middle of a base laminate formed using the ATP process, positioned electronically and therefore automatically. This can lead to an even load distribution in the finished housing segment 2 in the assembled state.

Die 2A, 2B und 2C zeigen in übereinstimmenden Ansichten unterschiedliche Phasen während des Gesamtfertigungsprozesses 100 respektive einer hergestellten Grundstruktur B1 b für das Gehäusesegment 2 mit hieran bereits vorgesehenen verstärkten Bereichen in Form der Rahmenverstärkung 201 oder einer zusätzlichen Querverstärkung 204 (vergleiche 2C). Zudem sind hier bereits im 3D Tape Druckverfahren eine Lochverstärkung 202 um das Durchgangsloch 200 sowie mehrere engradige Bohrungsverstärkungen 203 um die Bohrungen 21 angebracht.The 2A , 2 B and 2C show in matching views different phases during the overall manufacturing process 100 or a manufactured basic structure B1 b for the housing segment 2 with reinforced areas already provided thereon in the form of the frame reinforcement 201 or an additional transverse reinforcement 204 (compare 2C ). In addition, a hole reinforcement 202 around the through hole 200 and several narrow hole reinforcements 203 around the holes 21 are already attached here in the 3D tape printing process.

Ist die Grundstruktur B1a mit hieran zusätzlich vorgesehenen lokalen lastpfadgerecht ausgebildeten Verstärkungen B1b fertiggestellt, erfolgt im Rahmen des weiteren Gesamtfertigungsprozess 100 der 1 ein Konsolidierungsschritt 102, beispielsweise in einem Autoklaven M3. Die aus kohlenstofffaserverstärkten thermoplastischen Tapes unter Kombination zweier unterschiedlicher Verarbeitungsverfahren hergestellte Grundstruktur B1a mit lokalen Verstärkungen B1b wird hierbei erwärmt und mit erhöhtem Druck beaufschlagt, um das Material zu konsolidieren. Das Ergebnis ist eine konsolidierte Bauteilstruktur B2. Der Konsolidierungsschritt kann grundsätzlich auch bereits mit einer Funktionalisierung kombiniert sein, indem in dieser Phase bereits Funktionselemente, wie den Bohrungsverstärkungen 203, hergestellt werden.If the basic structure B1a is completed with additional local reinforcements B1b designed to suit the load path, this takes place as part of the further overall manufacturing process 100 1 a consolidation step 102, for example in an autoclave M3. The basic structure B1a with local reinforcements B1b, which is made from carbon fiber-reinforced thermoplastic tapes using a combination of two different processing methods, is heated and subjected to increased pressure in order to consolidate the material. The result is a consolidated component structure B2. The consolidation step can in principle also be combined with functionalization in that functional elements, such as the bore reinforcements 203, are already produced in this phase.

An diese konsolidierte Bauteilstruktur B2 können in einem nachfolgenden Funktionalisierungsschritt 103, beispielsweise mithilfe einer Spritzgießmaschine 4, (weitere) Funktionselemente angefügt werden. Beispielsweise ist hierfür entsprechend der 2D ein Anspritzen (alternativ z.B. auch ein Anschweißen oder Anpressen) eines Verstärkungsprofils 3 im Bereich der Querverstärkung 204 vorgesehen. Ein damit fertiggestelltes Zwischenprodukt B3 wird einem nachfolgenden Verarbeitungsschritt 104 weiter nachgearbeitet. Beispielsweise wird mittels einer Fräsmaschine M5 das zur Montage geeignete Gehäusesegment 2 finalisiert.(Further) functional elements can be added to this consolidated component structure B2 in a subsequent functionalization step 103, for example using an injection molding machine 4. For example, this is according to the 2D an injection molding (alternatively, for example, welding or pressing) of a reinforcing profile 3 in the area of the transverse reinforcement 204 is provided. An intermediate product B3 thus completed is further processed in a subsequent processing step 104. For example, the housing segment 2 suitable for assembly is finalized using an M5 milling machine.

Durch das beschriebene Herstellungsverfahren lassen sich an der konsolidierten Bauteilstruktur B2 auf unterschiedlichste Art und Weise zusätzliche Funktionselemente integrieren, was zu einer erheblichen Flexibilisierung des Fertigungsprozesses und Erweiterung der Gestaltungsmöglichkeiten beiträgt.The manufacturing process described allows additional functional elements to be integrated into the consolidated component structure B2 in a variety of ways, which contributes to making the manufacturing process significantly more flexible and expanding the design options.

Es sei an dieser Stelle auch hervorgehoben, dass ein in der 2A dargestelltes Gehäusesegment 2 mit bereits ausgebildeter Rahmenverstärkung 201 und Lochverstärkung 202 um das Durchgangsloch 200 selbstverständlich - nach einer Konsolidierung - auch das Endprodukt darstellen kann, das mit einem vorgeschlagenen Herstellungsverfahren gefertigt wird. Eine zusätzliche Funktionalisierung ist dementsprechend hiervon ausgehend nicht zwingend.It should also be emphasized at this point that one in the 2A shown housing segment 2 with already formed frame reinforcement 201 and hole reinforcement 202 around the through hole 200 can of course - after consolidation - also represent the end product, which is manufactured using a proposed manufacturing method. Based on this, additional functionalization is therefore not mandatory.

Im unteren Bereich der 1 sind auch noch mögliche Alternativen zu den einzelnen Verarbeitungsverfahren/Prozessschritten dargestellt. So kann beispielsweise vor der Konsolidierung anstelle einer automatisierten Ablage der Bahnen kohlenstofffaserverstärkten Tapes auch eine manuelle Fertigung 101c oder ein automatisiertes Preforming 101d vorgesehen sein. Im Rahmen der Konsolidierung 102 kann auch ein Spritzgießprozess 102a, ein Pressprozess 102b oder ein Ofenprozess 102c anstelle der Verwendung eines Autoklaven M3 vorgesehen sein. Hierbei kann dann beispielsweise für einen Spritzgießprozess 102a sowohl eine Funktionalisierung und Konsolidierung in einer Spritzgießmaschine erfolgen. Für die Anbringung zusätzlicher Funktionselemente im (gegebenenfalls ergänzend durchgeführten) Funktionalisierungsschritt 103 kann alternativ oder ergänzend ein thermisches Direktfügen 103a, ein mechanisches Fügen 103b, ein Schweißen 103c oder ein Kleben 103d vorgesehen sein.In the lower area of the 1 Possible alternatives to the individual processing methods/process steps are also shown. For example, coal can be used before consolidation instead of automated depositing of the railways Fabric fiber-reinforced tapes can also be provided with manual production 101c or automated preforming 101d. As part of the consolidation 102, an injection molding process 102a, a pressing process 102b or an oven process 102c can also be provided instead of using an autoclave M3. Here, for example, for an injection molding process 102a, both functionalization and consolidation can take place in an injection molding machine. For the attachment of additional functional elements in the (if necessary additionally carried out) functionalization step 103, a thermal direct joining 103a, a mechanical joining 103b, a welding 103c or a bonding 103d can alternatively or additionally be provided.

Die konsolidierte Bauteilstruktur B2 für das Gehäusesegment 2 ist in der 3 in einer teilweise geschnittenen Ansicht nochmals näher dargestellt. Insbesondere sind in der 3 unterschiedliche Materiallagen 20A bis 20D ersichtlich, deren einzelne Bahnen kohlenstofffaserverstärkten Tapes je Materiallage 20A bis 20D identisch ausgerichtet sind. Bahnen zweier Materiallagen sind aber in einem Winkel von 45° bzw. 90° zueinander ausgerichtet, um damit eine quasiisotrope Grundstruktur B1 a, insbesondere im Bereich der Grundfläche 20, bereitzustellen. Der entsprechende Materiallagenaufbau kann z.B. [45/0/- 45/90]S oder [45/0/-45/90]2S sein. In der vergrößerten Darstellung der 4 ist ein 45/-45/45/-45 Aufbau gezeigt.The consolidated component structure B2 for the housing segment 2 is in the 3 shown again in more detail in a partially sectioned view. In particular, in the 3 different material layers 20A to 20D can be seen, the individual strips of carbon fiber reinforced tapes are aligned identically for each material layer 20A to 20D. However, sheets of two material layers are aligned at an angle of 45° or 90° to one another in order to provide a quasi-isotropic basic structure B1a, in particular in the area of the base surface 20. The corresponding material layer structure can be, for example, [45/0/-45/90] S or [45/0/-45/90] 2S . In the enlarged view of the 4 A 45/-45/45/-45 setup is shown.

Während des ATP Verfahrens für die Ausbildung der Grundstruktur B1a wird auch die Rahmenverstärkung 201 über einzelne Kunststoffbahnen 2011, 2012, , hier faserverstärkte Tapes, gebildet. Die 5A, 5B und 5C zeigen hierbei jeweils exemplarisch drei parallel zueinander verlaufende Kunststoffbahnen 2011 oder 2012, die an jeweils einem Randabschnitt 201a oder 201b der Grundstruktur B1a des Gehäusesegments 2 entlang verlaufen und sich in einem Überlappungsbereich L (zum Beispiel an einer Ecke des Gehäusesegments 2) gezielt überlappen. Dabei können beispielsweise alle Kunststoffbahnen 2011 oder 2012 eines Randabschnitts 201a oder 201b Enden der Kunststoffbahnen 2012 oder 2011 des anderen Randabschnitts 201b oder 201a komplett überlappen (5A und 5B). Alternativ ist eine gestufte respektive versetzte Überlappung oder eine Anordnung auf Stoß ebenfalls möglich (vergleiche 5C). Der Überlappungsbereich L lässt sich somit flexibel ausgestalten und insbesondere unter Vermeidung einer Dickenerhöhung.During the ATP process for the formation of the basic structure B1a, the frame reinforcement 201 is also formed via individual plastic sheets 2011, 2012, here fiber-reinforced tapes. The 5A , 5B and 5C show an example of three plastic sheets 2011 or 2012 running parallel to one another, each of which runs along an edge section 201a or 201b of the basic structure B1a of the housing segment 2 and overlaps in a targeted manner in an overlap area L (for example at a corner of the housing segment 2). For example, all plastic sheets 2011 or 2012 of an edge section 201a or 201b can completely overlap the ends of the plastic sheets 2012 or 2011 of the other edge section 201b or 201a ( 5A and 5B) . Alternatively, a stepped or staggered overlap or an abutting arrangement is also possible (compare 5C ). The overlap area L can thus be designed flexibly and in particular while avoiding an increase in thickness.

Über den gewählten zweistufigen Ansatz und die Kombination unterschiedlicher Verarbeitungsverfahren 101 a, 101 b können an der Grundstruktur B1 b - vorliegend mithilfe 3D Tape Druckverfahrens - die lokalen Verstärkungen mit lastpfadgerechten und engradigen Verläufen, d. h. mit Verläufen und einem Radius von weniger als 5 mm, insbesondere weniger als 3 mm, angebracht werden. In der 6 ist dies beispielsweise anhand von schneckenförmig abgelegten schmalbandigen Bahnen für die Ausbildung einer jeweiligen Bohrungsverstärkung 203 in einem vergrößerten Maßstab veranschaulicht.Using the chosen two-stage approach and the combination of different processing methods 101 a, 101 b, the local reinforcements can be made on the basic structure B1 b - in the present case using the 3D tape printing process - with load path-appropriate and straight courses, ie with courses and a radius of less than 5 mm, in particular less than 3 mm. In the 6 This is illustrated, for example, on an enlarged scale using narrow-band paths deposited in a helical manner for the formation of a respective bore reinforcement 203.

In der 7 ist schematisch ein Druckkopf 4 mit einer zum Ausbringen des abzulegenden kohlenstofffaserverstärkten Tapes vorgesehenen Druckdüse 40 dargestellt. Über einen entsprechenden Druckkopf 4 für das 3D Tape Druckverfahren lassen sich dann beispielsweise auch die Kunststoffbahnen 2011, 2012 für die Rahmenverstärkung 201 ausbilden. In einer Ausführungsvariante wird das 3D Tape Druckverfahren aber vor allem für die kleineren lokalen Verstärkungen genutzt. Beispiele zeigt die 8 hierfür die Lochverstärkung 202 und einer Bohrungsverstärkungen 203. Ergänzend ist eine zusätzliche - hier ovale - Lochverstärkung 205 gezeigt, die ebenfalls aus mehreren parallel zueinander verlaufenden gedruckten Kunststoffbahnen gebildet ist.In the 7 A print head 4 is shown schematically with a print nozzle 40 provided for dispensing the carbon fiber-reinforced tape to be deposited. Using a corresponding print head 4 for the 3D tape printing process, the plastic sheets 2011, 2012 for the frame reinforcement 201 can then be formed, for example. In one embodiment, the 3D tape printing process is primarily used for smaller local reinforcements. The shows examples 8th For this purpose, the hole reinforcement 202 and a hole reinforcement 203. In addition, an additional - here oval - hole reinforcement 205 is shown, which is also formed from several printed plastic sheets running parallel to one another.

Die 9 zeigt eine konsolidierte Bauteilstruktur für das Gehäusesegment 2, an deren Grundfläche 20 bei der Funktionalisierung eine Rippenstruktur 31 mit mehreren sich überlappenden Längs- und Querrippen 311, 312 angefügt ist. Diese Rippenstruktur 31 ist in der 10 mit einem vergrößerten Ausschnitt der Rahmenverstärkung 201 und einigen Bohrlochverstärkungen 203 in vergrößertem Maßstab ausschnittsweise dargestellt.The 9 shows a consolidated component structure for the housing segment 2, to the base surface 20 of which a rib structure 31 with several overlapping longitudinal and transverse ribs 311, 312 is added during functionalization. This rib structure 31 is in the 10 with an enlarged section of the frame reinforcement 201 and some borehole reinforcements 203 shown in detail on an enlarged scale.

Das Diagramm 1100 der 11 veranschaulicht exemplarisch mögliche Druck-, Temperatur- und Zeitverläufe für eine Konsolidierung bei der Verwendung eines kohlenstofffaserverstärkten Thermoplasten für das ATP Verfahren und den 3D Tape Druck. Hierbei wird beispielsweise ausgehend von einer Ausgangstemperatur T1, zum Beispiel Umgebungstemperatur, zu einem Anfangszeitpunkt to eine - hier exemplarisch lineare Erhöhung - auf eine Zieltemperatur T2 vorgesehen. Diese Temperatur T2 wird für einen definierten Konsolidierungszeitraum der t3-t1 gehalten, bevor eine Abkühlung erfolgt. Zu einem Zeitpunkt t2 > t1 (mit t2 < t3) erfolgt ferner eine signifikante Druckerhöhung von einem Ausgangsdruck p1 auf einen Zieldruck p2 im Rahmen der Konsolidierung. Beispielsweise liegt T2 im Bereich von 400 °C, insbesondere bei etwa 390 °C ± 10 °C. Der Druck p2 liegt beispielsweise im Bereich von 20 bar ± 10 bar. Für die Konsolidierungszeit t3-t1 sind beispielsweise 20 min ± 10 min vorgesehen.The diagram 1100 of the 11 exemplarily illustrates possible pressure, temperature and time curves for consolidation when using a carbon fiber-reinforced thermoplastic for the ATP process and 3D tape printing. Here, for example, starting from an initial temperature T 1 , for example ambient temperature, an increase - in this case a linear increase - to a target temperature T 2 is provided at an initial time to. This temperature T 2 is maintained for a defined consolidation period of t 3 -t 1 before cooling takes place. At a time t 2 > t 1 (with t 2 <t 3 ), there is also a significant increase in pressure from an initial pressure p 1 to a target pressure p 2 as part of the consolidation. For example, T 2 is in the range of 400 °C, in particular around 390 °C ± 10 °C. The pressure p 2 is, for example, in the range of 20 bar ± 10 bar. For example, 20 minutes ± 10 minutes are provided for the consolidation time t 3 -t 1 .

Die 12 zeigt einen Gesamtfertigungsprozess 1200 für eine alternative Ausführungsvariante eines vorgeschlagen Herstellungsverfahrens, bei dem anstelle eines faserverstärkten Thermoplasten ein faserverstärktes, z.B. kohlenstofffaserverstärktes Duromer zum Einsatz kommt. Ausgangsmaterial ist hier somit kein faserverstärktes Tape W1, sondern ein textiles Halbzeug W2, z.B. Gewebe und/oder Gelege. Dementsprechend ist als erstes Verarbeitungsverfahren für die Ausbildung der mehrlagigen Grundstruktur B1a des Gehäusesegments 2 eine automatisierte Ablage trockener oder vorimprägnierter Faserlagen respektive deren Aufeinanderschichtung mithilfe eines Roboters M21 mit Legekopf M22 vorgesehen. Hier kommt folglich ein automatisiertes Preforming zum Einsatz. Lokale Verstärkungen B1b, wie beispielsweise eine Lochverstärkung 202 oder eine Bohrungsverstärkung 203, werden hier über Tailored Fibre Placement, TFP, als zweitem Verarbeitungsverfahren 1201B angebracht. Hierbei wird Fasermaterial an spezifischen Bereichen lokal mit der bereits hergestellten Grundstruktur B1a vernäht. Für das Vernähen kann ein entsprechender Nähkopf M23 vorgesehen sein.The 12 shows an overall manufacturing process 1200 for an alternative embodiment of a proposed manufacturing process, in which instead of a fiber-reinforced thermoplastic a fiber-reinforced, for example carbon fiber-reinforced, duromer is used. The starting material here is therefore not a fiber-reinforced tape W1, but a textile semi-finished product W2, e.g. fabric and/or scrim. Accordingly, the first processing method for the formation of the multi-layer basic structure B1a of the housing segment 2 is an automated placement of dry or pre-impregnated fiber layers or their layering on top of one another using a robot M21 with a laying head M22. Automated preforming is therefore used here. Local reinforcements B1b, such as a hole reinforcement 202 or a hole reinforcement 203, are applied here via Tailored Fiber Placement, TFP, as a second processing method 1201B. Here, fiber material is locally sewn to the already produced basic structure B1a in specific areas. A corresponding M23 sewing head can be provided for sewing.

Es sei noch erwähnt, dass anstelle eines automatisierten Preforming selbstverständlich auch ein manuelles oder teilautomatisiertes Preforming vorgesehen sein kann, entsprechend den in der 12 dargestellten Schritten 1201c und 1201d.It should also be mentioned that instead of automated preforming, manual or semi-automated preforming can of course also be provided, in accordance with the specifications in the 12 steps 1201c and 1201d shown.

Die mit den lokalen Verstärkungen B1b versehene Grundstruktur B1a wird dann im Anschluss einem Konsolidierungsschritt 202 zugeführt. Beispielsweise wird hierfür die mit den Verstärkungen versehene Grundstruktur B1a in ein Infiltrationswerkzeug M24 eingelegt. Wurden zuvor trockene Gewebelagen genutzt, erfolgt hier auch eine Infiltration mit dem Duromer. Alternativ können Konsolidierungsprozessschritte 1202a, 1202b und 1202c mit Autoklaven, Ofenprozess oder VARI-Prozess (VARI für „Vacuum Assisted Resin Infusion“) zum Einsatz kommen.The basic structure B1a provided with the local reinforcements B1b is then fed to a consolidation step 202. For example, the basic structure B1a provided with the reinforcements is inserted into an infiltration tool M24. If dry fabric layers were previously used, infiltration with the duromer also takes place here. Alternatively, consolidation process steps 1202a, 1202b and 1202c with autoclaves, oven processes or VARI processes (VARI for “Vacuum Assisted Resin Infusion”) can be used.

Die mit dem Konsolidierungsschritt 1202 erstellte konsolidierte Bauteilstruktur B2 kann analog zu dem Gesamtfertigungsprozess 100 der 1 weiter funktionalisiert werden. In einem entsprechenden Funktionalisierungsschritt 1203, der beispielsweise in dem gleichen oder einem anderen (Infiltrations-) Werkzeug M25 erfolgt wie die Konsolidierung, können beispielsweise Funktionselemente an infiltriert oder angespritzt werden. Alternativ oder ergänzend kann eine Funktionalisierung ein mechanisches Fügen 1203a oder Kleben 1203c einschließen. Aufgrund des verwendeten duroplastischen Kunststoffmaterials fällt jedoch typischerweise Schweißen hier als Option aus.The consolidated component structure B2 created with the consolidation step 1202 can be analogous to the overall manufacturing process 100 1 be further functionalized. In a corresponding functionalization step 1203, which takes place, for example, in the same or a different (infiltration) tool M25 as the consolidation, functional elements can, for example, be infiltrated or molded on. Alternatively or additionally, functionalization can include mechanical joining 1203a or bonding 1203c. However, due to the thermoset plastic material used, welding is typically not an option here.

Aus dem dann funktionalisierten Zwischenprodukt B3 wird im Rahmen eines Nachbearbeitungsschritts 1204, beispielsweise durchgeführt mittels einer Fräsmaschine M26, das fertig zu montierende Gehäusesegment 2 als Endprodukt B4 zur Verfügung gestellt.From the then functionalized intermediate product B3, the ready-to-assemble housing segment 2 is made available as the end product B4 as part of a post-processing step 1204, for example carried out using a milling machine M26.

Mit dem vorgeschlagenen Herstellungsverfahren lassen sich in effektiver Weise insbesondere Gehäusesegmente für eine Gehäusestruktur eines Kerntriebwerks aus faserverstärktem Kunststoff, insbesondere unter Verwendung von faserverstärkten Hochleistungskunststoffen, bereitstellen, die deutlich leichter sind als bisher in der Praxis genutzte Gehäusestrukturen aus Metall. Die hergestellten Triebwerksbauteile, wie beispielsweise das Gehäusesegment 2, weisen ein ausgezeichnetes Dämpfungsverhalten auf. Zudem lassen sich aufgrund des gewählten Ansatzes Komponentenkosten deutlich reduzieren und verschiedene Prozessschritte ohne weiteres in einen Gesamtfertigungsprozess 100 oder 120 integrieren, dass am Ende des Herstellungsprozesses ein hochtemperaturbeständiges und gezielt an die auftretenden Betriebsbedingungen angepasstes Triebwerksbauteil zur Verfügung steht.With the proposed manufacturing method, in particular housing segments for a housing structure of a core engine made of fiber-reinforced plastic, in particular using fiber-reinforced high-performance plastics, can be effectively provided, which are significantly lighter than metal housing structures previously used in practice. The engine components produced, such as housing segment 2, have excellent damping behavior. In addition, due to the chosen approach, component costs can be significantly reduced and various process steps can be easily integrated into an overall manufacturing process 100 or 120 so that at the end of the manufacturing process a high-temperature-resistant engine component that is specifically adapted to the operating conditions that arise is available.

BezugszeichenlisteReference symbol list

100100
Thermoplastischer GesamtfertigungsprozessOverall thermoplastic manufacturing process
101a - 101d101a - 101d
VerarbeitungsverfahrenProcessing method
102 - 104102 - 104
ProzessschrittProcess step
11001100
Diagramm zum Temperatur-, Druck- und ZeitverlaufDiagram showing temperature, pressure and time progression
111111
NiederdruckverdichterLow pressure compressor
112112
HochdruckverdichterHigh pressure compressor
113113
HochdruckturbineHigh pressure turbine
114114
MitteldruckturbineMedium pressure turbine
115115
NiederdruckturbineLow pressure turbine
12001200
Duroplastischer GesamtfertigungsprozessThermoset overall manufacturing process
1201 a-1201 d1201 a-1201 d
VerarbeitungsverfahrenProcessing method
1202 - 12041202 - 1204
ProzessschrittProcess step
22
Gehäusesegment (Triebwerksbauteil)Housing segment (engine component)
2020
GrundflächeFloor space
200200
Durchgangslochthrough hole
201201
Rahmenverstärkung (verstärkter Bereich)Frame reinforcement (reinforced area)
2011, 20122011, 2012
KunststoffbahnPlastic track
201a, 201b201a, 201b
RahmenabschnittFrame section
202202
LochverstärkungHole reinforcement
203203
BohrungsverstärkungBore reinforcement
204204
Querverstärkung (verstärkter Bereich)Transverse reinforcement (reinforced area)
205205
LochverstärkungHole reinforcement
20A - 20D20A - 20D
Materiallagematerial location
2121
Bohrungdrilling
33
Verstärkungsprofil (Funktionselement)Reinforcement profile (functional element)
3131
RippenstrukturRib structure
311311
Längsrippe (Funktionselement)Longitudinal rib (functional element)
312312
Querrippe (Funktionselement)Transverse rib (functional element)
44
DruckkopfPrinthead
4040
Druckdüsepressure nozzle
AA
Auslassoutlet
Bb
BypasskanalBypass channel
B1aB1a
GrundstrukturBasic structure
B1bB1b
Lokale VerstärkungLocal reinforcement
B2, B3B2, B3
Bauteilstruktur / ZwischenproduktComponent structure / intermediate product
B4B4
Finale Bauteilstruktur / EndproduktFinal component structure / final product
BKBK
BrennkammerbaugruppeCombustion chamber assembly
CC
Auslasskonusoutlet cone
EE
Einlass / IntakeInlet / Intake
FF
Fanfan
F1, F2F1, F2
FluidstromFluid flow
FCFC
FangehäuseFan housing
GG
KerntriebwerksgehäuseCore engine casing
LL
ÜberlappungsbereichOverlap area
M1 - M5M1 - M5
Maschine / GerätMachine/device
M6 - M21M6 - M21
Maschine / GerätMachine/device
RR
Mittelachse / RotationsachseCentral axis / rotation axis
SS
RotorwelleRotor shaft
TT
(Turbofan-)Triebwerk(Turbofan) engine
TTTT
Turbineturbine
Vv
(Axial-) Verdichter(Axial) compressor
W1W1
Thermoplastisches VerarbeitungsmaterialThermoplastic processing material
W2W2
Duroplastisches VerarbeitungsmaterialThermoset processing material

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte Nicht-PatentliteraturNon-patent literature cited

  • Borowski, A.; Vogel, C.; Behnisch, T.; Geske, V.; Gude, M.; Modler, N. „Additive Manufacturing-Based In Situ Consolidation of Continuous Carbon Fibre-Reinforced Polycarbonate“, Materials 2021, 14, 2450 [0015]Bourne, A.; Vogel, C.; Behnisch, T.; Geske, V.; Gude, M.; Modler, N. “Additive Manufacturing-Based In Situ Consolidation of Continuous Carbon Fiber-Reinforced Polycarbonate”, Materials 2021, 14, 2450 [0015]

Claims (26)

Verfahren zur Herstellung eines Triebwerksbauteils (2) aus mindestens einem faserverstärkten Kunststoff, aufweisend wenigstens die folgenden Schritte: - Herstellen Grundstruktur (B1a) für das Triebwerksbauteil (2) unter Nutzung eines ersten Verarbeitungsverfahrens (101a, 1201a), - Anbringen mindestens einer Fasern enthaltenden lokalen Verstärkung (202, 203, 205; B1b) an der Grundstruktur (B1a) unter Nutzung eines zu dem ersten Verarbeitungsverfahren (101a, 1201a) unterschiedlichen zweiten Verarbeitungsverfahrens (101b, 1202b) und - Konsolidieren der mit der mindestens einen lokalen Verstärkung versehenen Grundstruktur zur Herstellung einer konsolidierten Bauteilstruktur (B2), mit der das Triebwerksbauteil (2) fertiggestellt wird, wobei a) wenigstens zur Herstellung der Grundstruktur (B1a) faserverstärkter Kunststoff verwendet wird oder b) zur Herstellung der Grundstruktur (B1a) Fasermaterial verwendet und Kunststoff bei der Konsolidierung der aus Fasermaterial gebildeten Grundstruktur zugeführt wird.Method for producing an engine component (2) from at least one fiber-reinforced plastic, comprising at least the following steps: - Producing the basic structure (B1a) for the engine component (2) using a first processing method (101a, 1201a), - Attaching at least one local reinforcement (202, 203, 205; B1b) containing fibers to the base structure (B1a) using a second processing method (101b, 1202b) that is different from the first processing method (101a, 1201a) and - Consolidating the basic structure provided with the at least one local reinforcement to produce a consolidated component structure (B2) with which the engine component (2) is completed, wherein a) fiber-reinforced plastic is used at least for producing the basic structure (B1a) or b) for production the basic structure (B1a) fiber material is used and plastic is supplied during the consolidation of the basic structure formed from fiber material. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an die mit der mindestens einen lokalen Verstärkung versehene Grundstruktur in einem Werkzeug, in dem auch das Konsolidieren erfolgt, ein Funktionselement (3, 311, 312) des Triebwerksbauteils (2) angebracht wird oder an der konsolidierten Bauteilstruktur (B2) mindestens ein Funktionselement (3, 311, 312) des Triebwerksbauteils (2) angebracht wird.Procedure according to Claim 1 , characterized in that a functional element (3, 311, 312) of the engine component (2) is attached to the basic structure provided with the at least one local reinforcement in a tool in which the consolidation also takes place or to the consolidated component structure (B2) at least one functional element (3, 311, 312) of the engine component (2) is attached. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Funktionselement (3, 311, 312) angespritzt, geklebt, thermisch angefügt, insbesondere geschweißt oder direkt thermisch angefügt und/oder mechanisch angefügt wird.Procedure according to Claim 2 , characterized in that the at least one functional element (3, 311, 312) is molded on, glued, thermally attached, in particular welded or directly thermally attached and/or mechanically attached. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionselement ein Verstärkungsprofil (3) oder eine Verstärkungsrippe (311, 312) umfasst.Procedure according to Claim 2 or 3 , characterized in that the functional element comprises a reinforcing profile (3) or a reinforcing rib (311, 312). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundstruktur (B1a) mehrlagig ausgebildet wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the basic structure (B1a) is formed in multiple layers. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundstruktur (B1a) aus mehreren Bahnen faserverstärkten Kunststoffs hergestellt wird, wobei eine von mehreren Materiallagen (20A-20D) der mehrlagigen Grundstruktur (B1a) jeweils aus einer Vielzahl von Bahnen gebildet wird.Procedure according to Claim 5 , characterized in that the basic structure (B1a) is made from several sheets of fiber-reinforced plastic, one of several material layers (20A-20D) of the multi-layer basic structure (B1a) being formed from a plurality of sheets. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bahnen faserverstärkten Kunststoffs unterschiedlicher Materiallagen (20A-20D) mit zueinander unterschiedlicher Ausrichtung verlegt werden.Procedure according to Claim 6 , characterized in that the sheets of fiber-reinforced plastic of different material layers (20A-20D) are laid with different orientations to one another. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Bahnen faserverstärkten Kunststoffs einer Materiallage (20A-20D) in einem Winkel von 45°, 60° oder 70° zu den Bahnen faserverstärkten Kunststoffs einer anderen Materiallage (20D-20A) ausgerichtet sind.Procedure according to Claim 7 , characterized in that the fiber-reinforced plastic webs of one material layer (20A-20D) are aligned at an angle of 45°, 60° or 70° to the fiber-reinforced plastic webs of another material layer (20D-20A). Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Bahnen mit einem Band faserverstärkten Kunststoffs gebildet ist, das bei dem ersten Verarbeitungsverfahrens von einem Wickelkörper, insbesondere einer Rolle abgewickelt wird.Procedure according to one of the Claims 6 until 8th , characterized in that at least part of the webs is formed with a band of fiber-reinforced plastic, which is unwound from a winding body, in particular a roll, in the first processing method. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass für die Herstellung der Grundstruktur (B1a) ein Automated Tape Placement, ATP, Verfahren (101a) verwendet wird.Procedure according to Claim 9 , characterized in that an automated tape placement, ATP, method (101a) is used to produce the basic structure (B1a). Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass für das Anbringen der mindestens einen lokalen Verstärkung (202, 203, 205; B1b) ein Druckverfahren (101b) genutzt wird.Procedure according to one of the Claims 6 until 10 , characterized in that a printing process (101b) is used to attach the at least one local reinforcement (202, 203, 205; B1b). Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass für das Anbringen der mindestens einen lokalen Verstärkung (202, 203, 205; B1b) wenigstens eine Bahn faserverstärkten Kunststoffs an einem vorgesehenen Bereich der Grundstruktur (B1a) vorgesehen wird.Procedure according to one of the Claims 6 until 11 , characterized in that for attaching the at least one local reinforcement (202, 203, 205; B1b), at least one sheet of fiber-reinforced plastic is provided on a designated area of the base structure (B1a). Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Bahn für die mindestens eine lokale Verstärkung (202, 203, 205; B1b) durch einen Abschnitt eines Bandes faserverstärkten Kunststoffs gebildet ist.Procedure according to Claim 12 , characterized in that the path for the at least one local reinforcement (202, 203, 205; B1b) is formed by a section of a band of fiber-reinforced plastic. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bahn einer Materiallage (20A-20D) für die Bildung der Grundstruktur (B1a) eine Breite aufweist, die wenigstens dem Doppelten einer Breite einer Bahn für die mindestens eine lokale Verstärkung (202, 203, 205; B1b) entspricht.Procedure according to Claim 12 or 13 , characterized in that a web of a material layer (20A-20D) for forming the basic structure (B1a) has a width which corresponds to at least twice a width of a web for the at least one local reinforcement (202, 203, 205; B1b). . Verfahren nach Anspruch 11 und einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass für die Herstellung der mindestens einen lokalen Verstärkung (202, 203, 205; B1b) ein 3D Tape Druckverfahren (101b) verwendet wird.Procedure according to Claim 11 and one of the Claims 12 until 14 , characterized in that a 3D tape printing process (101b) is used to produce the at least one local reinforcement (202, 203, 205; B1b). Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass als faserverstärkter Kunststoff ein faserverstärkter Thermoplast, insbesondere PEEK, PEKK, PAEK, PPS oder PEI vorgesehen ist.Procedure according to one of the Claims 6 until 15 , characterized in that as a fiber server Reinforced plastic is a fiber-reinforced thermoplastic, in particular PEEK, PEKK, PAEK, PPS or PEI. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass für die Herstellung der Grundstruktur (B1a) und die mindestens eine Verstärkung (202, 203, 205; B1b) derselbe faserverstärkte Kunststoff verwendet wird oder artgleiche faserverstärkte Kunststoffe verwendet werden.Procedure according to one of the Claims 6 until 16 , characterized in that the same fiber-reinforced plastic is used for the production of the basic structure (B1a) and the at least one reinforcement (202, 203, 205; B1b) or fiber-reinforced plastics of the same type are used. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass für die Bildung der mehrlagigen Grundstruktur (B1a) in dem ersten Verarbeitungsverfahren (1201a, 1201c, 1201d) trockene oder vorimprägnierte Faserlagen aufeinandergeschichtet werden.Procedure according to Claim 5 , characterized in that to form the multi-layer base structure (B1a) in the first processing method (1201a, 1201c, 1201d), dry or pre-impregnated fiber layers are stacked on top of each other. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Verarbeitungsverfahren ein automatisiertes oder teilautomatisiertes Preforming (1201a, 1201d) umfasst.Procedure according to Claim 18 , characterized in that the first processing method includes automated or semi-automated preforming (1201a, 1201d). Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass für das Anbringen der mindestens einen lokalen Verstärkung (202, 203, 205; B1b) Fasermaterial mit der Grundstruktur (B1a) vernäht wird.Procedure according to Claim 18 or 19 , characterized in that for attaching the at least one local reinforcement (202, 203, 205; B1b) fiber material is sewn to the base structure (B1a). Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Verarbeitungsverfahren ein Tailored Fibre Placement, TFP, Verfahren umfasst.Procedure according to Claim 20 , characterized in that the second processing method comprises a Tailored Fiber Placement, TFP, method. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der verwendete Kunststoff ein Duromer ist.Procedure according to one of the Claims 18 until 21 , characterized in that the plastic used is a duromer. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Konsolidieren eine Aushärtung des Kunststoffs einschließt.Procedure according to Claim 22 , characterized in that consolidating includes hardening of the plastic. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass unter Nutzung des ersten Verarbeitungsverfahrens (101a, 1201a) bereits an der Grundstruktur (B1a) mindestens ein lokal verstärkter Bereich (201, 204) durch wenigstens eine Lage faserverstärkten Kunststoffs oder eine Faserlage vorgesehen wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that using the first processing method (101a, 1201a) at least one locally reinforced area (201, 204) is already provided on the basic structure (B1a) by at least one layer of fiber-reinforced plastic or a fiber layer. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das herzustellende Triebwerksbauteil (2) eine Komponente eines Kerntriebwerks ist, insbesondere wenigstens einen gewölbten Teil eines Gehäuses des Kerntriebwerks bildet.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the engine component (2) to be produced is a component of a core engine, in particular forms at least a curved part of a housing of the core engine. Triebwerksbauteil (2) aus mindestens einem faserverstärkten Kunststoff, insbesondere hergestellt in einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend: - eine aus mehreren Materiallagen (20A-20B) faserverstärkten Kunststoffs gebildete Grundstruktur (B1a) und - mindestens eine ebenfalls mit faserverstärktem Kunststoff gebildete lokale Verstärkung (202, 203, 205; B1b), die an der Grundstruktur (B1a) angebracht ist und mit der Grundstruktur (B1 a) konsolidiert wurde.Engine component (2) made of at least one fiber-reinforced plastic, in particular produced in a method according to one of the preceding claims, comprising: - a basic structure (B1a) formed from several material layers (20A-20B) of fiber-reinforced plastic and - at least one local reinforcement (202, 203, 205; B1b), also formed with fiber-reinforced plastic, which is attached to the basic structure (B1a) and has been consolidated with the basic structure (B1a).
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