DE10251580B4

DE10251580B4 - Verfahren zum Herstellen eines Bauelementes aus faserverstärktem Kunststoff

Info

Publication number: DE10251580B4
Application number: DE10251580A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Eberth Ulrich; Dipl.-Ing. Jörn Paul
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2002-03-08
Filing date: 2002-11-06
Publication date: 2013-01-10
Anticipated expiration: 2022-11-07
Also published as: DE10251580A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Bauelementes aus faserverstärktem Kunststoff, insbesondere eines Fensterrahmens für Flugzeugfenster, unter Verwendung von textilen Halbzeugen (Vorprodukten), die für die Herstellung von textilen Vorformlingen (Preforms) konfektioniert und geformt werden, dadurch gekennzeichnet, dass a) textile Halbzeuge (6) jeweils auf ein zugeordnetes Träger-/Umformwerkzeug (1, 11, 18 bzw. 29a, 29b) aufgewickelt oder abgelegt und mit einem Binder (7) fixiert werden, wobei eine Kompaktierung sowie Formgebung mit Anpress-/Umformrollen (9, 16, 35) erfolgt, b) Träger-/Umformwerkzeuge (1, 11, 18 bzw. 29a, 29b) mit jeweils einer Negativ- bzw. Positivform zu der Kontur bzw. Geometrie des späteren zugehörigen Vorformlings (10, 17, 21 bzw. 32) verwendet werden, c) nach Entfernung der Träger-/Umformwerkzeuge (1, 11, 18 bzw. 29a, 29b) die untereinander sowie auf die Gesamtgeometrie des Bauelementes (22) abgestimmten Vorformlinge (10, 17, 21 bzw. 32) in einem weiteren Kompaktierungsschritt zu einem hochkompaktierten und endkonturnahen Bauelement (22) zusammengesetzt werden, d) das anschließend mittels eines Matrixsystems...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Bauelementes aus faserverstärktem Kunststoff, insbesondere eines Fensterrahmens für Flugzeugfenster, unter Verwendung von textilen Halbzeugen (Vorprodukten), die für die Herstellung von textilen Vorformlingen (Preforms) konfektioniert und geformt werden, sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Die Erfindung bezieht sich ferner auf einen Fensterrahmen aus faserverstärktem Kunststoff für Flugzeuge.
Im Flugzeugbau werden heutige Fensterrahmen überwiegend als geschmiedete Aluminiumteile gefertigt. Aus Gewichtseinsparungsgründen besteht jedoch der Wunsch, zukünftige Fensterrahmen aus faserverstärkten Kunststoffen zu fertigen.
Zur Herstellung von Bauelementen aus faserverstärkten Kunststoffen werden bisher textile Vorprodukte, so genannte Halbzeuge wie z. B. Gewebe und Geflechte am Ende des Herstellprozesses in oder auf einen Zwischenträger aufgebracht. Bei Geweben kann es sich dabei z. B. um zylindrische Körper handeln, um die diese umlaufend bahnförmig aufgewickelt werden. Die Geometrie dieser Träger dient nicht nur zur Vor- oder Umformen der Halbzeuge, sondern auch als Hilfsmittel zum Transport und zur Lagerung. Im Laufe des weiteren Herstellungsprozesses werden die Halbzeuge vom Zwischenträgerkörper wieder entnommen, konfektioniert und anschließend durch Umorientierung und Umformung (Drapieren) des Fasergebildes in die gewünschte Form (sog. Vorformling/Preform) gebracht.
Die Fixierung von Vorformlingen kann mit Hilfe eines Binders geschehen. Bei den verwendeten Bindersystemen handelt es sich hauptsächlich um thermoplastische Substanzen, die z. B. pulverförmig auf das Halbzeug aufgebracht und unter Temperatureinfluss aktiviert werden. Neben einer Festlegung der Faserorientierung können die Bindersysteme dazu verwendet werden, die Vorformlinge in einem kompaktierten Zustand zu fixieren.
Aus der DE 100 61 028 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen von mehrschichtigen TFP-Preforms mittels schmelzbarer oder chemisch auflösbarer Fixierfäden bekannt.
Hierbei werden Verstärkungsfasern, zum Beispiel Kohlefaserrovings oder dergleichen, zur Bildung der TFP-Preform sukzessive abgelegt und mittels eines Fixierfadens auf einer Unterlage angeheftet. Bei der Unterlage handelt es sich um ein Abreißgewebe, das nachträglich entfernt werden kann. Der Fixierfaden zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass er sich entweder durch eine chemische Reaktion mit dem zum Imprägnieren üblicherweise verwendeten Material (typischerweise ein aushärtbares Kunststoffmaterial) oder durch externe Wärmeeinwirkung vollständig auflösen lässt. Dadurch wird es möglich, TFP-Preforms mit hohen Schichtdicken ohne den Lagenaufbau störende Fixierfäden herzustellen. Die thermisch oder chemisch schmelzbaren Fixierfäden dienen nach dem Auflösen gleichzeitig als Klebmittel zur Vorfixierung. Bei dem aus DE 100 61 028 A1 bekannten Verfahren ist eine Verwendung von Faserhalbzeugen zur Schaffung des Vorformlings nicht vorgesehen.
Die US 5 346 774 A betrifft ein faserverstärktes Bauteil sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Der Vorformling zur Herstellung des Bauteils ist im Wesentlichen kastenförmig ausgebildet und weist eine ebene Grundfläche sowie hierauf im Randbereich senkrecht stehend angeordnete umlaufende Seitenwände zur Begrenzung auf. Jeweils zwei gegenüberliegende Seitenwände sind mit einer Versteifungswand verbunden, die sich in der Bauteilmitte durchdringen. Zur Herstellung des Vorformlings werden endlose Verstärkungsfaserstränge, zum Beispiel Kohlefaserrovings, um eine Vielzahl von senkrecht stehenden und matrixförmig angeordneten Pins wiederholt wellenförmig herum gelegt. Hierbei wird zunächst die Bodenfläche abgelegt und anschließend erfolgt die Herstellung der Seitenwände und der Versteifungswände. Nach dem Erreichen einer bestimmten Lagenstärke kann der Vorformling von der Matrix abgehoben und mittels bekannter Imprägnierungsverfahren mit einem aushärtbaren Kunststoffmaterial zur Fertigstellung des Bauteils durchtränkt werden. Das Zusammensetzen einer komplexen Geometrie aus mehreren Vorformlingen ist nicht vorgesehen.
Die DE 697 10 418 T2 betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung einer Vorform für eine Felge durch Ablage eines textilen Halbzeugs auf einer rotierenden Vorformmatrize.
Die drehbar gelagerte, teilbare Vorformmatrize ist im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet, wobei der Radius in Abhängigkeit von der Höhe variiert, um eine Innenkontur der herzustellenden Felge abzubilden. Das Halbzeug ist ein endloser, bandförmiger Abschnitt, der aus einem Flächengebilde aus miteinander unter einem Winkel von etwa 90° verwobenen Kett- und Schussfäden aus geeigneten Verstärkungsfasern hergestellt ist. Die Kett- bzw. Schussfäden verlaufen schräg zur Längsachse des bandförmigen Abschnitts, wodurch dieser drapierbar ist. Durch das Ablegen des bandförmigen Abschnitts auf der rotierenden Vorformmatrize wird der Vorformling lagenweise aufgebaut. Der drapierfähige Bandabschnitt ermöglicht eine faltenfreie Ablage auch auf einer von der idealen Zylindergeometrie abweichenden Vorformmatrize. Zum Verdichten bzw. Kompaktieren der einzelnen Lagen auf der Vorformmatrize sind mindestens eine Verdichtungskufe und eine Auftragekufe vorgesehen, die auf einem Umfangsabschnitt (Sektor) der Vorformmatrize anliegen und die gleitend abgelegten Bandabschnitte an die Vorformmatrize andrücken. Das textile Halbzeug kann mittels eines thermoplastischen Bindemittels, das zum Beispiel durch Heißluft aufgeschmolzen wird, in seiner Lage fixiert werden. Zudem erfolgt eine Kompaktierung der abgelegten Verstärkungsfasern Zur endgültigen Fertigstellung der Felge nach dem Erreichen der erforderlichen Lagenstärke wird der Vorformling mit einem aushärtebaren Kunststoffmaterial imprägniert.
Aus der DE 696 10 666 T2 sind ein faserverstärktes Bauteil sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung bekannt.
Zur Herstellung eines im Wesentlichen kastenförmigen, nach oben hin offenen trockenen Vorformlings werden mehrere kohlefaserhaltige Textilmateriallagen, d. h. Fasergelege oder Fasergewebe, auf einer ebenen Oberseite einer quaderförmigen Formvorrichtung abgelegt. Die Verstärkungsfasern in den Textilmateriallagen können parallel und/oder diagonal zu den Kanten des zur Formgebung benutzten Quaders verlaufen. Die überstehenden Abschnitte der Textilmateriallagen werden nach unten abgeklappt, bis sie im Wesentlichen an den vier senkrechten Seitenflächen des Formquaders anliegen. Die senkrecht nach unten verlaufenden Verstärkungsfasern werden händisch oder maschinell mit zusätzlichen Verstärkungsfasern verwoben, die parallel zu den Kanten in den Ebenen der Seitenflächen des Formquaders verlaufen.
Mehrere dieser kastenförmigen Vorformlinge können zum Beispiel mit trockenen Vorformlingen mit einer T-förmigen oder U-förmigen Querschnittsgeometrie zur Schaffung eines trockenen Vorformlings für einen Träger mit einer beispielsweise im Wesentlichen T-förmigen Querschnittsgeometrie kombiniert werden. Ferner können mittels einer matrixförmigen Anordnung einer Vielzahl von derartigen kastenartigen Vorformlingen großformatige gekrümmte Türstrukturen oder hohlzylindrische Strukturen für Rumpfzellen von Luftfahrzeugen gebildet werden. Nach dem Gruppieren der kastenförmigen Vorformlinge mit werteren Vorformlingen anderer geometrischer Gestalt erfolgt die Fertigstellung des Bauteils durch das Imprägnieren der Vorformlinge mit einem aushärtbaren Kunststoffmaterial und dem thermischen Aushärten desselben in einer evakuierten Form unter Anwendung von Druck.
Die US 4 512 835 A offenbart schließlich ein Verfahren zur Herstellung eines gekrümmten Trägers mit einer beispielsweise im Wesentlichen S-förmigen Querschnittsgeometrie aus einem Faserverbundmaterial.
Zunächst werden Verstärkungsfasern auf einem entsprechend in Längsrichtung gekrümmten Kern mit einer im Wesentlichen rechteckförmigen Querschnittsgeometrie diagonal abgelegt, wobei sich Verlaufsrichtungen von etwa ±45° ergeben. Die Verstärkungsfasern werden hierbei kontinuierlich von einer Spule abgezogen und auf dem rotierenden Kern abgelegt. Mehrere derartig vorbereitete Kerne werden anschließend auf einem Tisch, dessen Krümmung der Biegung der Träger entspricht, nebeneinander platziert. Zwischen der Tischoberseite und der Unterseite der umwickelten Kerne sowie auf der Oberseite derselben ist jeweils eine mehrlagige Deckschicht aus einem Verbundmaterial positioniert. Beide Deckschichten enthalten im Gegensatz zu den umwickelten Kernen vorzugsweise Lagen aus Verstärkungsfasern mit einer 0° Verlaufsrichtung. Der gesamte Aufbau wird in einem Vakuumsack mit einem aushärtbaren Kunststoffmaterial imprägniert. Nach erfolgter Aushärtung werden die beiden Deckschichten in Längsrichtung der Kerne durchtrennt und die Kerne entfernt. Zum gleichzeitigen Durchtrennen der Deckschichten an mehreren Stellen sind zwei rotierende Wellen vorgesehen, auf denen eine Vielzahl von Kreissägeblättern befestigt ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem, bei einer optimalen Ausnutzung der Eigenschaften von faserverstärkten Kunststoffen eine wirtschaftliche Fertigung erzielt wird.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass textile Halbzeuge jeweils auf einem zugeordneten Träger angeordnet und mit einem Binder fixiert werden, wobei eine Kompaktierung sowie Formgebung mit Anpress-/Umformrollen erfolgt, dass Träger mit jeweils einer Negativ- bzw. Positivform zu der Kontur bzw. Geometrie des späteren zugehörigen Vorformlings verwendet werden, und dass nach Entfernung der Träger die untereinander sowie auf die Gesamtgeometrie des Bauelementes abgestimmten Vorformlinge in einem weiteren Kompaktierungsschritt zu einem hochkompaktierten und endkonturennahen Bauelement zusammengesetzt werden, das anschließend mittels eines Matrixsystems mit einem Klebeharz getränkt und unter erhöhter Temperatur und gegebenenfalls erhöhtem Druck ausgehärtet wird.
Erfindungsgemäße Ausgestaltungen des Verfahrens sind aus den Unteransprüchen 2 bis 8 ersichtlich. Drei erfindungsgemäße Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens sind jeweils in den Ansprüchen 9, 12 und 14 beschrieben. Erfindungsgemäße Weiterbildungen der Vorrichtungen sind den Unteransprüchen 10 und 11 sowie 13 und 15 zu entnehmen. Ein erfindungsgemäßer Fensterrahmen für Flugzeuge ist in Anspruch 16 und den zugehörigen Ansprüchen 17 bis 20 beschrieben.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Halbzeuge auf einen Träger, der eine dem späteren Bauelement oder Vorformling angepasste Kontur bzw. Geometrie aufweist, aufgebracht und mit Hilfe eines Binders fixiert werden. Die verwendeten Halbzeuge müssen dabei vorteilhafterweise nicht erst auf Zwischenträgern befestigt werden, vielmehr können sie direkt aus dem textilen Herstellungsprozess heraus auf den Träger mit der gewünschten Kontur gebracht werden. Das Wegfallen dieses Zwischenschritts hat den Vorteil, dass eine Beschädigung und Ondulation der Fasern durch Handhabungen verringert werden können. Es ist jedoch auch möglich, in diesen Prozess herkömmliche textile Halbzeuge (z. B. Gelege, Geflechte, Gewebe) einlaufen zu lassen. Von Vorteil ist auch, dass die erzeugten Vorformlinge (Preforms) bei dem erfindungsgemäßen Verfahren aufeinander und gleichzeitig auf die Gesamtgeometrie des späteren Bauelementes abgestimmt sind. In einem Kompaktierungsschritt werden die einzelnen Vorformlinge zusammengebracht und zu einem hochkompaktierten und endkonturnahen Bauelement zusammengesetzt.
In der Zeichnung ist ein mögliches Ausführungsbeispiel nach der Erfindung dargestellt, und zwar zeigt:
1: einen Herstellungsprozess eines Vorformlings am Beispiel eines Flechtschlauches in Vorderansicht (1a) und in Seitenansicht (1b);
2: Fixierungsmöglichkeiten der Halbzeuge auf den Umformwerkzeugen (2a, 2b und 2c);
3: drei Vorrichtungen zur Herstellung von drei unterschiedlich aufgebauten Vorformlingen (3a, 3b, und 3c);
4: den Ablauf zur Herstellung eines aus faserverstärktem Kunststoff bestehenden Bauelementes aus drei vorgefertigten Vorformlingen;
5: einen von drei Vorformlingen eingeschlossenen Wickelkern; und
6: einen alternativen Lege- und Drapiervorgang (6a, 6b, 6c und 6d)
Die in den 1a und 1b dargestellte Vorrichtung zeigt ein rotierendes Träger- und Umformwerkzeug 1, welches eine zylindrische Trommel 2 mit einer seitlich an der Trommel 2 befestigten Begrenzungsscheibe 3 aufweist. Der Durchmesser der Begrenzungsscheibe 3 geht über den Durchmesser der Trommel 2 hinaus, so dass neben einer zylindrischen Aufnahmefläche 4 auch eine flanschähnliche Aufnahmefläche 5 für ein textiles Halbzeug 6 vorhanden ist. Auf die zylindrische Aufnahmefläche 4 der Trommel 2 wird ein lockeres, drapierbares und gegebenenfalls mit einem Binderauftrag 7 versehenes Vorgeflecht 8 aufgelegt, z. B. in Form eines Geleges oder eines Flechtschlauches 8a, wobei die Trommel 2 gleichzeitig zur fixierten Lagerung des Vorproduktes 8 als auch zum Transport des umgeformten Halbzeuges 6 dient. Der Binderauftrag 7 kann z. B. in Form eines Pulvers, Fadens oder Flächengebildes erfolgen, wobei der Binder z. B. durch Heißluft, Flamme, Infrarot oder Mikrowelle aktiviert werden kann. Durch zusätzliche Umform- und Anpressrollen 9, die mit der zylindrischen Aufnahmefläche 4 und der flanschähnlichen Aufnahmefläche 5 zusammenwirken, wird eine definierte Positionierung des Halbzeuges 6 erzielt. Die Umform- und Anpressrollen 9 können gegebenenfalls mit einer zeichnerisch nicht dargestellten Heiz- oder Kühlvorrichtung für den Binderauftrag und -aktivierung 7 ausgerüstet sein.
Aus 3a ist das in 1 gezeigte Träger- und Umformwerkzeug 1 in vereinfachter Form dargestellt, wobei deutlich zu ersehen ist, dass die Umform- und Anpressrollen oder -elemente 9 direkt auf dem Halbzeug 6 aufliegen. Die äußere zylindrische Aufnahmefläche 4 der Trommel 2 und die flanschähnliche Aufnahmefläche 5 bilden einen Winkel. Somit ist mit dieser Vorrichtung die Herstellung eines ersten ovalförmigen Vorformlings 10 oder Segmenten davon möglich, welcher eine ovalförmige Öffnung und in einem Winkel α zueinander angeordnete Schenkel 10a und 10b aufweist (wie auch in 4 dargestellt ist).
Das in 3b dargestellte Träger- und Umformwerkzeug 11, dessen Trommel mit 12, Begrenzungsscheibe mit 13 und Aufnahmeflächen mit 14 sowie 15 bezeichnet sind, unterscheidet sich von demjenigen gemäß 3a dadurch, dass der von der äußeren zylindrischen Aufnahmefläche 14 und der flanschähnlichen Aufnahmefläche 15 gebildete Winkel größer als 90° ist. Die mit 16 bezeichneten Umform- und Anpressrollen sind der Lage der zylindrischen und flanschähnlichen Aufnahmeflächen 14 und 15 angepasst. Mit dieser Vorrichtung kann der zweite ovalförmige Vorformling 17 mit ovaler Öffnung hergestellt werden, dessen Schenkel 17a und 17b einen Winkel β von größer 90° einschließen (vgl. 4).
Eine weitere Herstellungsmöglichkeit für ovale Vorformlinge mit L-förmigem Querschnitt ist in 6 dargestellt. Hierbei wird ein bandförmiges textiles Halbzeug 6 auf einer ebenen, der Kontur des zu fertigenden Vorformlings teilweise angepasster Legematrize 29a durch Drehen des Legekopfes 33 oder der Legematrize abgelegt. Nach dem Legevorgang wird ein Teil des Legewerkzeugs 29b entfernt und mit Hilfe einer werteren Matrize 30 ein Teil des Vorformlings 31 umgeformt, so dass ein Vorformling mit der gewünschten Kontur 32 entsteht.
Zur Herstellung eines dritten flachen, ovalen Vorformlings 21 mit ovaler Öffnung oder Teilstücke davon, dessen Schenkel 21a und 21b einen Winkel unterhalb von 180° oder beispielsweise einen Absatz einschließen (siehe auch 4), ist das in 3c gezeigte Träger- und Umformwerkzeug vorgesehen. Es handelt sich hierbei um eine rotierende Drehscheibe 18, welche auf einer ihrer Stirnseiten 19 eine kreisringförmige Aufnahmefläche 20 aufweist. Diese Aufnahmefläche 20 ist den Schenkeln 21a und 21b sowie dem Winkel γ zwischen den Schenkeln 21a und 21b oder einer Durchsetzung des dritten Vorformlings 21 derart angepasst, dass der dritte Vorformling 21 im Auflegverfahren hergestellt werden kann.
Gemäß 4 sind zur Herstellung eines aus faserverstärktem Kunststoff bestehenden Bauelementes, im gezeigten Fall zur Herstellung eines ovalen Fensterrahmens 22 mit ovaler Öffnung 23 für ein Flugzeugfenster, die drei ovalen Vorformlinge 10, 17 und 21 vorgesehen, wobei die zeichnerische Darstellung einen Querschnitt durch einen Teil des Fensterrahmens 22 zeigt. Der dritte Vorformling 21 mit seinen Schenkeln 21a und 21b, die einen Winkel γ unterhalb von 180° und eine eventuelle Durchsetzung einschließen, bildet den Basiskörper für den Fensterrahmen 22, während der Steg 24 des Fensterrahmens 22 von den beiden Schenkeln 10a und 17a der beiden anderen Vorformlinge 10 und 17 gebildet wird. Hierbei können die Vorformlinge 10, 17 und 21 aus mehreren übereinander gewickelten textilen Lagen oder aus weiteren Subpreforms hergestellt werden.
Als zusätzlich mögliches Preformelement zeigt 5 einen Wickelkern 26, der zwischen den benachbarten Schenkeln 10a, 10b, 17a, 17b, 21a und 21b der drei Vorformlinge 10, 17 und 21 angeordnet ist.
Wie der 4 weiterhin zu entnehmen ist, werden die untereinander sowie auf die Gesamtgeometrie des Fensterrahmens 22 abgestimmten Vorformlinge 10, 17 und 21 in einem Kompaktierungsschritt zu einem hochkompaktierten und endkonturennahen Fensterrahmen 22 zusammengesetzt, dessen Querschnitt mit 25 bezeichnet ist. Anschließend wird der zusammengesetzte Fensterrahmen 25 mittels eines Matrixsystems mit einem Klebeharz getränkt und unter erhöhter Temperatur und gegebenenfalls erhöhtem Druck ausgehärtet, so dass als Ergebnis des Herstellungsverfahrens der Fensterrahmen 22 vorliegt.
Bezugszeichenliste

1: Träger- und Umformwerkzeug
2: Trommel
3: Begrenzungsscheibe
4: äußere zylindrische Aufnahmefläche der Trommel 2
5: flanschähnliche Aufnahmefläche der Begrenzungsscheibe 3
6: textiles Halbzeug
7: Binderauftrag
8: textiles Vorprodukt
8a: Gelege, Flechtschlauch oder andere textile Halbzeuge
9: Umform- und Anpressrollen
10: erster ovalförmiger Vorformling
10a: Schenkel des ersten ovalförmigen Vorformlings 10
10b: Schenkel des ersten ovalförmigen Vorformlings 10
11: Träger- und Umformwerkzeug
12: Trommel
13: Begrenzungsscheibe
14: äußere zylindrische Aufnahmefläche der Trommel 12
15: flanschähnliche Aufnahmefläche der Begrenzungsscheibe 13
16: Umform- und Anpressrollen
17: zweiter ovalförmiger Vorformling
17a: Schenkel des zweiten ovalförmigen Vorformlings 17
17b: Schenkel des zweiten ovalförmigen Vorformlings 17
18: Drehscheibe
19: Stirnseite der Drehscheibe 18
20: Aufnahmefläche auf der Stirnseite 19
21: dritter Vorformling
21a: Schenkel des dritten ovalförmigen Vorformlings 21
21b: Schenkel des dritten ovalförmigen Vorformlings 21
22: ovaler Fensterrahmen
23: ovale Öffnung des Fensterrahmens 22
24: Steg des Fensterrahmens 22
25: Querschnitt durch den Fensterrahmen 22
26: Wickelkern
27: Fixierungs-/Positionierungselemente
28: Ablegen des textilen Halbzeuges auf dem ebenen Werkzeug
29a: zweiteiliges, ebenes Legewerkzeug
29b: entfernbarer Teil des Legewerkzeugs
30: Drapierungswerkzeug
31: flacher, noch nicht drapierter Vorformling
32: drapierter Vorformling mit Endkontur
33: rotierender Ablagekopf
34: Drapier- und Positionierungselement
35: Umform- und Anpressrollen

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Bauelementes aus faserverstärktem Kunststoff, insbesondere eines Fensterrahmens für Flugzeugfenster, unter Verwendung von textilen Halbzeugen (Vorprodukten), die für die Herstellung von textilen Vorformlingen (Preforms) konfektioniert und geformt werden, dadurch gekennzeichnet, dass a) textile Halbzeuge (6) jeweils auf ein zugeordnetes Träger-/Umformwerkzeug (1, 11, 18 bzw. 29a, 29b) aufgewickelt oder abgelegt und mit einem Binder (7) fixiert werden, wobei eine Kompaktierung sowie Formgebung mit Anpress-/Umformrollen (9, 16, 35) erfolgt, b) Träger-/Umformwerkzeuge (1, 11, 18 bzw. 29a, 29b) mit jeweils einer Negativ- bzw. Positivform zu der Kontur bzw. Geometrie des späteren zugehörigen Vorformlings (10, 17, 21 bzw. 32) verwendet werden, c) nach Entfernung der Träger-/Umformwerkzeuge (1, 11, 18 bzw. 29a, 29b) die untereinander sowie auf die Gesamtgeometrie des Bauelementes (22) abgestimmten Vorformlinge (10, 17, 21 bzw. 32) in einem weiteren Kompaktierungsschritt zu einem hochkompaktierten und endkonturnahen Bauelement (22) zusammengesetzt werden, d) das anschließend mittels eines Matrixsystems mit einem Klebeharz getränkt und unter erhöhter Temperatur und gegebenenfalls erhöhtem Druck ausgehärtet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch einen Umform- und Drapierprozess die nicht endgültig fixierten Fasern der textilen Halbzeuge (6) in eine gewünschte Orientierung gebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Binder (7) in Form eines Fluids, pastösen Stoffes, Pulvers, Fadens oder Flächengebildes verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Binder (7) durch Heißluft, Flamme, Infrarot, Induktion, Laser, Kontaktwärme oder Mikrowelle aktiviert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorformlinge (10, 17, 21) aus mehreren übereinander abgelegten textilen Lagen oder einzelnen textilen Lagen hergestellt werden, die entweder eine geschlossene ovalförmige Kontur oder ein Segment davon darstellen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere ovalförmige Vorformlinge (z. B. 10, 17, 21) mit jeweils einer ovalförmigen Öffnung und mit jeweils abgewinkelten Schenkeln (10a, 10b, 17a, 17b, 21a, 21b) verwendet werden, und dass jeweils ein Schenkel eines Vorformlings (10, 17 bzw. 21) zu einem Schenkel eines anderen Vorformlings (10, 17, 21) derart benachbart angeordnet wird, dass ein ovaler ebener Fensterrahmen (22) mit einem annähernd senkrecht zur Ebene verlaufenden Steg (24) gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster ovalförmiger Vorformling (10) mit Schenkeln (10a, 10b), die einen ersten Winkel (α) einschließen, und ein zweiter ovalförmiger Vorformling (17) mit Schenkeln (17a, 17b), die einen zweiten Winkel (β) einschließen, und ein dritter ovalförmiger Vorformling (21) mit Schenkeln (21a, 21b), die einen dritten Winkel (γ) oder eine Durchsetzung einschließen, verwendet werden, wobei der dritte Vorformling (21) als Basiskörper für einen Fensterrahmen (22) dient und der Steg (24) des Fensterrahmens (22) von jeweils einem Schenkel (10a, 17a) des ersten (10) bzw. zweiten Vorformlings (17) gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass beim Zusammensetzen der drei Vorformlinge (10, 17, 21) zwischen den benachbarten Schenkeln (10a, 10b, 17a, 17b, 21a, 21b) ein Kernelement (26) angeordnet wird.
Vorrichtung zum Herstellen von textilen Vorformlingen (Preforms) aus textilen Halbzeugen (Vorprodukten) für Bauelemente aus faserverstärktem Kunststoff, insbesondere für Flugzeugfensterrahmen, umfassend ein rotierendes Träger-/Umformwerkzeug (1, 11) zur Aufnahme von textilen Halbzeugen (6), dessen Form an die Gesamtgeometrie des herzustellenden Bauelements (22) bzw. an die das Bauelement (22) bildenden Vorformlinge (10, 17) angepasst ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Träger-/Umformwerkzeug (1, 11) als rotierende Trommel (2, 12) mit einer zylindrischen äußeren Aufnahmefläche (4, 14) und einer seitlich an der Trommel (2,12) befestigten Begrenzungsscheibe (3, 13) ausgebildet ist, wobei der Durchmesser der Begrenzungsscheibe (3, 13) den Außendurchmesser der Trommel (2, 12) derart übertrifft, dass eine zusätzliche, flanschähnliche Aufnahmefläche (5, 15) für das textile Halbzeug (6) an einer Stirnseite der Begrenzungsscheibe (3, 13) entsteht, und dass ferner Umform-/Anpressrollen (9, 16) vorgesehen sind, die mit der zylindrischen und der flanschähnlichen Aufnahmefläche (4, 5, 14, 15) für eine definitive Positionierung des aufgewickelten textilen Halbzeuges (6) zusammenwirken.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die flanschförmige Aufnahmefläche (5, 15) der Begrenzungsscheibe (3, 13) unter einem vorgegebenen Winkel (α, β), der von der Kontur bzw. Geometrie des herzustellenden Vorformlings (10, 17) abhängig ist, zu der zylindrischen äußeren Aufnahmefläche (4, 14) der Trommel (2, 12) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Umform- und Anpressrollen (9, 16) mit einer Heiz- oder Kühleinrichtung versehen sind.
Vorrichtung zum Herstellen von textilen Vorformlingen (Preforms) aus textilen Halbzeugen (Vorprodukten) für Bauelemente aus faserverstärktem Kunststoff, insbesondere für Flugzeugfensterrahmen, umfassend ein rotierendes Träger-/Umformwerkzeug (18) zur Aufnahme von textilen Halbzeugen (6), dessen Form an die Gesamtgeometrie des herzustellenden Bauelements (22) bzw. an die das Bauelement (22) bildenden Vorformlinge (21) angepasst ist, dadurch gekennzeichnet, dass das rotierende Träger-/Umformwerkzeug eine Drehscheibe (18) ist, welche auf einer Stirnfläche (19) eine kreisringflächenförmige Aufnahmefläche (20) für das textile Halbzeug (6) zum Herstellen eines Vorformlings mittels Auflegetechnik aufweist, und dass ferner Umform-/Anpressrollen (35) vorgesehen sind, die mit der Aufnahmefläche (20) für eine definitive Positionierung des abgelegten textilen Halbzeuges (6) zusammenwirken.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmefläche (20) den Schenkeln (21a, 21b) und einem von den Schenkeln (21a, 21b) eines herzustellenden Vorformlings (21) eingeschlossenen Winkel (γ) oder einer Durchsetzung zwischen den Schenkeln (21a, 21b) eines herzustellenden Vorformlings (21) angepasst ist.
Vorrichtung zum Herstellen von textilen Vorformlingen (Preforms) aus textilen Halbzeugen (Vorprodukten) für Bauelemente aus faserverstärktem Kunststoff, insbesondere für Flugzeugfensterrahmen, umfassend ein Träger-/Umformwerkzeug (29a, 29b) zur Aufnahme von textilen Halbzeugen (6) und einen Ablagekopf (33), wobei entweder das Träger-/Umformwerkzeug (29a, 29b) oder der Ablagekopf (33) rotierbar ist, und die Form des Träger-/Umformwerkzeuges (29a, 29b) an die Gesamtgeometrie des herzustellenden Bauelements (22) bzw. an die das Bauelement (22) bildenden Vorformlinge (32) angepasst ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Träger-/Umformwerkzeug ein aus mehreren Teilen bestehendes Legewerkzeug (29a, 29b) ist, das eine kreisringflächenförmige Aufnahmefläche (29a, 29b) für textile Halbzeuge (6) aufweist, wobei der Ablagekopf (33) mit der Aufnahmefläche (29a, 29b) des Legewerkzeuges (29a, 29b) für eine definierte Positionierung des abgelegten textilen Halbzeuges (6) zusammenwirkt.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teilstück (29b) des Legewerkzeugs (29a, 29b) entfernbar ist, und dass ein Drapierwerkzeug (30) vorgesehen ist, durch den der zum Teil konturgerecht abgelegte flache Vorformling (31) zum drapierten Vorformling mit Endkontur (32) formbar ist.
Fensterrahmen für Flugzeuge aus faserverstärktem Kunststoff, umfassend mehrere aus textilen Halbzeugen (Vorprodukten) hergestellte Vorformlinge (Preforms), deren Konturen bzw. Geometrien untereinander sowie auf die Gesamtgeometrie des Fensterrahmens abgestimmt sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Fensterrahmen (22) aus mehreren ovalförmigen Vorformlingen (10, 17, 21) mit jeweils einer ovalförmigen Öffnung und mit jeweils abgewinkelten Schenkeln (10a, 10b, 17a, 17b, 21a, 21b) zusammengesetzt ist, wobei jeweils ein Schenkel eines Vorformlings (10, 17 bzw. 21) zu einem Schenkel eines anderen Vorformlings (10, 17, 21) derart benachbart angeordnet ist, dass der Fensterrahmen (22) eine ovale ebene Öffnung (23) und einen annähernd senkrecht zur Ebene verlaufenden Steg (24) aufweist.
Fensterrahmen nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass er aus drei ovalförmigen Vorformlingen (10, 17, 21) zusammengesetzt ist, wobei die Schenkel (10a, 10b) des ersten Vorformlings (10) einen ersten Winkel (α) einschließen, die Schenkel (17a, 17b) des zweiten Vorformlings (17) einen zweiten Winkel (β) einschließen, und der dritte Vorformling (21) mit seinen Schenkeln (21a, 21b), die einen dritten Winkel (γ) oder eine Durchsetzung einschließen, als Basiskörper für den Fensterrahmen (22) dient, und der Steg (24) des Fensterrahmens (22) von jeweils einem Schenkel (10a, 17a) des ersten (10) bzw. zweiten Vorformlings (17) gebildet wird.
Fensterrahmen nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Winkel (α) 90° beträgt.
Fensterrahmen nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Winkel (β) größer als 90° ist.
Fensterrahmen nach Anspruch 17, 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Winkel (γ) kleiner als 180° ist.