DE10251579B4

DE10251579B4 - Verfahren zur Herstellung einer umlaufenden dreidimensionalen Faserverstärkungsstruktur

Info

Publication number: DE10251579B4
Application number: DE10251579A
Authority: DE
Inventors: Dr.-Ing. Edelmann Klaus; Dr.-Ing. Weimer Christian
Original assignee: Institut fuer Verbundwerkstoffe GmbH; Airbus Operations GmbH
Current assignee: Leibniz Institut Fuer Verbundwerkstoffe De GmbH; Airbus Operations GmbH
Priority date: 2002-03-08
Filing date: 2002-11-06
Publication date: 2012-02-02
Anticipated expiration: 2022-11-07
Also published as: DE10251579A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer umlaufenden dreidimensionalen Faserverstärkungsstruktur (9) für eine geschlossene Rahmenstruktur (3), insbesondere für ein Flugzeugfenster, wobei die Rahmenstruktur (3) aus einer vorzugsweise runden oder ovalen flächenförmigen Sektion (4) mit einem umlaufenden Bördel (5) besteht, dadurch gekennzeichnet, dass ein in einer Ebene drapierbares Material (2) in Form einer textilen Bandware mit einem zum Bilden des Bördels (5) vorgesehenen Teil (6) und einem zum Bilden der flächenförmigen Sektion (4) vorgesehenen Teil zur Erzeugung einer gekrümmten Rahmenstruktur (3) auf einem Trägermaterial (1) entlang einer Linie fixiert wird, welche den zum Bilden des Bördels (5) vorgesehenen Teil (6) und den zum Bilden der flächenförmigen Sektion (4) vorgesehenen Teil trennt, dass die Orientierung der Fasern relativ zueinander über den gesamten Umfang einheitlich eingestellt ist; dass der zum Bilden des Bördels (5) vorgesehene Teil (6) relativ zu dem zum Bilden der flächenförmigen Sektion (4) vorgesehenen...

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 kohlenstofffaserverstärkten 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.
In der DE 4314078 C1 wird eine Vorrichtung zum Herstellen von Glasfaser-Vorformlingen aus Glasfaserendlosmatten für den anschließenden Verbund mit Polyurethan beschrieben.
Die DE 2912463 A1 offenbart eine dreidimensionale ringförmige Textur, die eine regelmäßige Überkreuzung von gereckten fadenförmigen Elementen aufweist.
In der DE 69516105 T2 werden faserige Substrate für die Herstellung von Verbundstoffen beschrieben, die Kohlenstoff und Keramik aufweisen und die durch Kohlenstoff oder Keramik aufweisende Fasern verstärkt sind.
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 durch das Verfahren nach Anspruch 1 gelöst.
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 9 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:
1a: einen Teil eines auf einem Trägermaterial fixierten Flechtschlauches in Draufsicht;
1b: den aus 1a ersichtlichen Flechtschlauch mit hochgeklapptem Bördel in Draufsicht; und
2: eine vollständige Rahmenstruktur mit konstanter Faserorientierung und gleicher Bördelhöhe.
In 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 die Orientierung der Fasern relativ zueinander 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 7, 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 (verformbaren) Zustand erfolgen, wobei der Flechtschlauch aufgenäht wird.
Wie aus 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 7 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 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

Verfahren zur Herstellung einer umlaufenden dreidimensionalen Faserverstärkungsstruktur (9) für eine geschlossene Rahmenstruktur (3), insbesondere für ein Flugzeugfenster, wobei die Rahmenstruktur (3) aus einer vorzugsweise runden oder ovalen flächenförmigen Sektion (4) mit einem umlaufenden Bördel (5) besteht, dadurch gekennzeichnet, dass ein in einer Ebene drapierbares Material (2) in Form einer textilen Bandware mit einem zum Bilden des Bördels (5) vorgesehenen Teil (6) und einem zum Bilden der flächenförmigen Sektion (4) vorgesehenen Teil zur Erzeugung einer gekrümmten Rahmenstruktur (3) auf einem Trägermaterial (1) entlang einer Linie fixiert wird, welche den zum Bilden des Bördels (5) vorgesehenen Teil (6) und den zum Bilden der flächenförmigen Sektion (4) vorgesehenen Teil trennt, dass die Orientierung der Fasern relativ zueinander über den gesamten Umfang einheitlich eingestellt ist; dass der zum Bilden des Bördels (5) vorgesehene Teil (6) relativ zu dem zum Bilden der flächenförmigen Sektion (4) vorgesehenen Teil umgeklappt wird, und dass die Faserverstärkungsstruktur (9) durch ein Harztränkungsverfahren fertiggestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung einer Flechtware.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Flechtschlauches (2a).
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zum Bilden des Bördels (5) der Rahmenstruktur (3) vorgesehene Teil (6) der textilen Bandware, der Flechtware bzw. des Flechtschlauches (2a) gegenüber dem zum Bilden der flächenförmigen Sektion (4) vorgesehenen Teil in eine von der Ebene abweichende Lage geklappt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zum Bilden des Bördels (5) der Rahmenstruktur (3) vorgesehene Teil (6) der textilen Bandware, der Flechtware bzw. des Flechtschlauches (2a) in eine annähernd senkrechte Lage gegenüber dem zum Bilden der flächenförmigen Sektion (4) vorgesehenen Teil gebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Trägermaterial (1) eine flächenförmige Faserstruktur verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 6, gekennzeichnet durch die Verwendung von Glasfasermaterial oder Kohlenstoffmaterial als Trägermaterial (1).
Verfahren nach Anspruch 1, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial (1) zur Dimensionierung der Rahmenstruktur (3) herangezogen wird.
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 (verformbaren) Zustand auf dem Trägermaterial (1) fixiert wird.