DE10251579A1 - Verfahren zur Herstellung einer umlaufenden dreidimensionalen Faserverstärkungsstruktur - Google Patents

Verfahren zur Herstellung einer umlaufenden dreidimensionalen Faserverstärkungsstruktur

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Abstract

Verfahren zur Herstellung einer umlaufenden dreidimensionalen Faserverstärkungsstruktur für eine geschlossene Rahmenstruktur, insbesondere für ein Flugzeugfenster, wobei die Rahmenstruktur aus einer vorzugsweise runden oder ovalen flächenförmigen Sektion mit einem umlaufenden Bördel besteht. DOLLAR A Um eine in der Fertigung geforderte hohe Automatisierbarkeit bei ausreichend gesicherter Qualität zu erreichen, ist vorgesehen, dass ein in der Ebene drapierbares Material in Form einer textilen Bandware, einer Flechtware bzw. eines Flechtschlauches zur Erzeugung der gekrümmten Rahmenstruktur auf einem Trägermaterial derart fixiert wird, dass ihre Faserorientierung über den gesamten Umfang einheitlich eingestellt ist, und dass die Faserverstärkungsstruktur durch ein Harztränkungsverfahren (Harzimprägnierungsverfahren) fertiggestellt wird. Der den Bördel der Rahmenstruktur bildende Teil der textilen Bandware, der Flechtware bzw. des Flechtschlauches kann gegenüber der flächenförmigen Sektion in eine von der Ebene abweichende Lage geklappt werden, vorzugsweise in eine annähernd senkrechte Lage gegenüber der flächenförmigen Sektion.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer umlaufenden dreidimensionalen Faserverstärkungsstruktur für eine geschlossene Rahmenstruktur, insbesondere für ein Flugzeugfenster, wobei die Rahmenstruktur aus einer vorzugsweise runden oder ovalen flächenförmigen Sektion mit einem umlaufenden Bördel besteht.
  • Bisherige Fensterrahmen in Großraumflugzeugen werden, insbesondere aus Gründen der Wirtschaftlichkeit, als Aluminiumgesenkschmiedeteile hergestellt. Aufgrund der geringeren Dichte von kohlenstoffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) bei ähnlichen mechanischen Steifigkeitswerten verspricht jedoch eine CFK-Bauweise ein deutlich geringeres Gewicht. Dabei werden die einzelnen Materialzuschnitte ausgeschnitten und paßgenau übereinandergestapelt. Zur Erzielung der Verwindungssteifigkeit wird ein Kohlenstoffkurzfaserkernprepregmaterial verwendet, das allerdings bei geringeren mechanischen Eigenschaften zu einer Erhöhung des Bauteilgewichts führt. Mit einer CFK-Technologie können zwar die geforderten mechanischen Kennwerte erzielt werden, jedoch ist eine Herstellung unter wirtschaftlichen Bedingungen bisher nicht möglich, wobei die Nachteile bei bisherigen Konstruktionen in dem hohen manuellen Aufwand bei geringem Bauteilgewicht und bei gleichzeitig unzureichenden Qualitätssicherungskonzepten liegen.
  • Textile Materialien werden seit längerem für den Einsatz, z. B. bei Spanten, erprobt. Hauptgrund hierfür ist deren Drapier- bzw. Formbarkeit. Die wesentlichen Schwierigkeiten bei der großtechnischen Umsetzung von Fasern, die im sogenannten TFP-Verfahren (Tailored Fiber Placement-Verfahren) abgelegt und vernäht werden, und auch von Spiralgewebe, welches bei Lochverstärkungen zum Einsatz kommen kann, sind die aufwendige Halbzeugherstellung bzw. Verarbeitung. Bei der Herstellung von Spiralgewebe bedeutet insbesondere die ovale Geometrie ganz erhebliche Einschränkungen an die Verfügbarkeit wegen der Komplexität und der vergleichsweise aufwendigen Halbzeugherstellung. Das TFP-Verfahren ist ebenfalls wegen der zur Zeit geringen Ablagegeschwindigkeiten für eine großserientechnische Anwendung ungeeignet, zudem entstehen bei der Umsetzung einer gekrümmten Struktur erhebliche Inhomogenitäten in der Faserverteilung.
  • Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, durch welches eine in der Fertigung geforderte hohe Automatisierbarkeit bei einer geringen Fehlerrate und bei ausreichend gesicherter Qualität erreicht wird.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein in der Ebene drapierbares Material in Form einer textilen Bandware zur Erzeugung der gekrümmten Rahmenstruktur auf einem Trägermaterial derart fixiert wird, dass ihre Faserorientierung über den gesamten Umfang einheitlich eingestellt ist, und dass die Faserverstärkungsstruktur durch ein Harztränkungsververfahren fertiggestellt wird.
  • Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 15 beschrieben.
  • Ein Vorteil der Erfindung ist in der kostengünstigen, positioniergenauen Ablage und dem Vernähen von Faser-Halbzeugen zu sehen, so dass ein Vorformling mit gewünschter Faserorientierung in ein geöffnetes Werkzeug eingelegt werden kann und beispielsweise mittels Harzinjektionstechnik injiziert werden kann. Ein weiterer erfindungsgemäßer Vorteil liegt in der einheitlich eingestellten Faserorientierung über den gesamten Umfang einer Rahmenstruktur. Dies gilt sowohl für die flächenförmige Sektion (Nietreihen Fenster-Rumpf bei einem Flugzeug), als auch für den Bördel. Von Vorteil ist auch, dass die textile Bandware, Flechtware oder Flechtschläuche als Meterware leicht verfügbar und auch in den geforderten Mengen problemlos zu beziehen ist. Die Homogenität der Faserverteilung erscheint insbesondere für vorgescherte Gewebe über der Fläche gegenüber anderen Materialien und Herstellungsvarianten sehr gut.
  • In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung dargestellt, und zwar zeigt:
  • Fig. 1a einen Teil eines auf einem Trägermaterial fixierten Flechtschlauches in Draufsicht;
  • Fig. 1b den aus Fig. 1a ersichtlichen Flechtschlauch mit hochgeklapptem Bördel in Draufsicht; und
  • Fig. 2 eine vollständige Rahmenstruktur mit konstanter Faserorientierung und gleicher Bördelhöhe.
  • In Fig. 1a ist ein etwa quadratischer oder rechteckiger Teil eines Trägermaterials, beispielsweise ein Glasfasermaterial oder auch ein Kohlenfasermaterial, mit 1 bezeichnet, wobei insbesondere eine flächenförmige Faserstruktur verwendet werden kann. Auf diesem Trägermaterial 1 ist ein in der Ebene drapierbares (verformbares) Material 2 in Form eines Flechtschlauches 2a zur Erzeugung einer gekrümmten Rahmenstruktur 3 derart fixiert, dass ihre Faserorientierung über den gesamten Umfang einheitlich eingestellt ist. Anstelle des Flechtschlauches 2a können auch andere Flechtwaren oder anderes textiles Bandgewebe, welches z. B. diagonal aus einer Rolle ausgeschnitten wird und eine Faserorientierung von +/- 45° besitzt, verwendet werden. Weiterhin sind zur Verarbeitung sogenannte NCF-Gelege (Non- Crimp-Fabric-Gelege) verwendbar, z. B. Multiaxialgelege mit einem Aufbau der Faserorientierung von +/- 45°. Das Trägermaterial 1 kann zur Dimensionierung der Rahmenstruktur 3 herangezogen werden, die aus einer vorzugsweise runden oder ovalen flächenförmigen Sektion 4 mit einem umlaufenden Bördel 5 besteht. Durch den Einsatz geeigneter Konfektionstechnik ist es möglich, die Vorteile von Flechtschläuchen gezielt für die Herstellung von geschlossenen dreidimensionalen Verstärkungsstrukturen für Rahmenstrukturen einzusetzen, beispielsweise für Flugzeugfenster. Zur Fixierung der Faserorientierung in solch einem Halbzeug ist es erforderlich, das zu drapierende Material 2 selbst zu fixieren. Dieses erfolgt durch den Einsatz einer parallel zur Außen- bzw. Innenkontur der flächenförmigen Sektion 4 angeordneten Naht 6, die eine weitere Verformung des drapierbaren Materials 2 verhindert. Die genannte Fixierung des Materials 2, d. h. des Flechtschlauches 2a, auf dem Trägermaterial 1 muß in seinem drapierbaren (verformten) Zustand erfolgen, wobei der Flechtschlauch aufgenäht wird.
  • Wie aus Fig. 1b zu entnehmen ist, wird der den Bördel 5 der Rahmenstruktur bildende Teil 6 des Flechtschlauches 2a gegenüber der flächenförmigen Sektion 4 in eine von der Ebene abweichende Lage geklappt, und zwar in eine annähernd senkrechte Lage gegenüber der flächenförmigen Sektion 4. Hierbei dient die Naht 6 als Biegekante für denjenigen Teil des Flechtschlauches 2a, der als Bördel verwendet wird. Bei der Faserverstärkungsstruktur besteht die Möglichkeit, nur einen vorgegebenen Prozentsatz ihrer Breite bezüglich der Fixierung einzuschließen, so dass das nicht mit dem Trägermaterial 1 verbundene Material des Flechtschlauches 2a zu einer dreidimensionalen Form formbar ist. Gleichzeitig kann eine Dickenverstärkung im Bereich hoher Schälspannungen durch Aufnähen von zusätzlichem Trägermaterial 8 eingebracht werden. Durch zuvor eingebrachte Fixierungen kann der zum Bördel 5 hochgeklappte Teil 6 des Flechtschlauches 2a definiert werden. Die Vorbereitung des Flechtschlauches kann als endlos vorgeschalteter Prozess erfolgen, wobei während der Vorbereitung auch zusätzliche Verstärkungen in den Flechtschlauch 2a eingebracht werden können. Die Rahmenstruktur selbst wird durch ein Harztränkungsverfahren, beispielsweise durch ein Handlaminierverfahren, ein Harzinjektionsverfahren oder ein Film-Infusions-Verfahren fertiggestellt. Auch kann eine Fertigstellung durch eine Erwärmung bzw. Erhitzung von Harzfasern erfolgen, die in das drapierbare Material - vorzugsweise vor der Herstellung der Rahmenstruktur - eingebracht werden.
  • In Fig. 2 ist eine vollständige ovale Faserverstärkungsstruktur 9 dargestellt, deren Faserorientierung konstant ist. Dieses ist mit Hilfe von zwei Kontrollpunkten 10 und 11 nachprüfbar. Der hochgeklappte Bördel 5 liegt an der Innenkontur der Faserverstärkungsstruktur 9.
  • Zusammenfassend sind folgende Vorteile der Erfindung zu nennen.
    • - Einstellbarkeit der Faserorientierung im Flansch- und im Bördelbereich.
    • - Problem der automatisiert "nicht handhabbaren" textilen Bandware, Flechtware bzw. Flechtschlauchware behoben (ohne den Einsatz von Binder)
    • - Reproduzierbarkeit
    • - Freiheit im Lagenaufbau bei der Auslegung, z. B. durch Einsatz des Trägermaterials
    • - Gleichzeitig eingebrachte Dickenverstärkung
    • - Einstellung der Kompaktierung der Faserpackung durch die Nähte im gleichen Prozess
    • - Auf Nähautomaten "semi-kontinuierlich" produzierbar
    • - Nahezu "homogene" Flächengewichtsverteilung
  • Ein erheblicher Vorteil besteht darin, daß die zum Vernähen erforderlichen Trägermaterialien bereits in der Berechnung berücksichtigt werden und somit nicht als überschüssige Masse zu einem erhöhten Bauteilgewicht beiträgt. Bezugszeichenliste 1 Trägermaterial
    2 Drapierbares Material
    2a Flechtschlauch
    3 Gekrümmte Rahmenstruktur
    4 Flächenförmige Sektion
    5 Bördel
    6 Bördel 5 bildender Teil der gekrümmten Rahmenstruktur
    7 Naht
    8 Zusätzliches Trägermaterial
    9 Faserverstärkungsstruktur
    10 Kontrollpunkt
    11 Kontrollpunkt

Claims (15)

1. Verfahren zur Herstellung einer umlaufenden dreidimensionalen Faserverstärkungsstruktur für eine geschlossene Rahmenstruktur, insbesondere für ein Flugzeugfenster, wobei die Rahmenstruktur aus einer vorzugsweise runden oder ovalen flächenförmigen Sektion mit einem umlaufenden Bördel besteht, dadurch gekennzeichnet, dass ein in der Ebene drapierbares Material (2) in Form einer textilen Bandware zur Erzeugung der gekrümmten Rahmenstruktur (3) auf einem Trägermaterial (1) derart fixiert wird, dass ihre Faserorientierung über den gesamten Umfang einheitlich eingestellt ist, und dass die Faserverstärkungsstruktur (9) durch ein Harztränkungsverfahren fertiggestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung einer Flechtware.
3. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Flechtschlauches (2a).
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der den Bördel der Rahmenstruktur (3) bildende Teil (6) der textilen Bandware, der Flechtware bzw. des Flechtschlauches (2a) gegenüber der flächenförmigen Sektion (4) in eine von der Ebene abweichende Lage geklappt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der den Bördel (5) der Rahmenstruktur (3) bildende Teil (6) der textilen Bandware, der Flechtware bzw. des Flechtschlauches (2a) in eine annähernd senkrechte Lage gegenüber der flächenförmigen Sektion (4) gebracht wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Trägermaterial (1) eine flächenförmige Faserstruktur verwendet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 6, gekennzeichnet durch die Verwendung von Glasfasermaterial oder Kohlenstoffmaterial als Trägermaterial (1).
8. Verfahren nach Anspruch 1, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial (1) zur Dimensionierung der Rahmenstruktur (3) herangezogen wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die textile Bandware, die Flechtware bzw. der Flechtschlauch (2a) in seinem drapierbaren (verformten) Zustand auf dem Trägermaterial (1) fixiert wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die textile Bandware, die Flechtware bzw. der Flechtschlauch (2a) mittels Konfektionstechnik auf dem Trägermaterial (1) aufgenäht wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Naht (7) parallel zur Außen- bzw. Innenkontur der flächenförmigen Sektion (4) angeordnet sowie als Biegekante für den den Bördel (5) bildenden Teil (6) der textilen Bandware, der Flechtware bzw. des Flechtschlauches (2a) verwendet wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial (1) im Bereich hoher Schälspannungen durch Aufnähen von zusätzlichem Trägermaterial (8) verstärkt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserverstärkungsstruktur (9) durch ein Handlaminierverfahren fertiggestellt wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Harzinjektionsverfahrens zur Fertigstellung der Faserverstärkungsstruktur (9).
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserverstärkungsstruktur (9) durch ein Film-Infusions-Verfahren fertiggestellt wird.
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