DE10331358A1

DE10331358A1 - Positionier- und Montageträger sowie ein Verfahren zur automatisierbaren Herstellung eines integralen Strukturbauteils aus Faserverbundwerkstoffen

Info

Publication number: DE10331358A1
Application number: DE10331358A
Authority: DE
Inventors: Axel Siegfried Prof. Dr.-Ing. Herrmann; Arno Pabsch
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2002-08-08
Filing date: 2003-07-11
Publication date: 2004-02-26
Anticipated expiration: 2023-07-12
Also published as: DE10331358B4

Abstract

Positionier- und Montageträger (Formträger) sowie Verfahren zur automatisierbaren Herstellung eines integralen Strukturbauteiles aus Faserverbundwerkstoffen für Hochleistungsanwendungen, vorzugsweise einer, mit Stringern in vorgegebenen Abständen versehenen Strukturschale im Flugzeugbau. DOLLAR A Um beispielsweise ein Verfahren zur automatisierbaren Herstellung einer integralen, mit Stringern in vorgegebenen Abständen versehenen Strukturschale aus Faserverbundwerkstoffen zu ermöglichen, ist auf einer Oberfläche eines ebenen und länglich ausgebildeten Basisträgers ein Raster von mindestens zwei Stützwänden unterschiedlicher Länge befestigt. Die freien Enden der Stützwände bilden einen Halbkreis, wobei die Stützwände unter, durch den Radius des Halbkreises vorgegebenen Winkeln zum Basisträger angeordnet sind. An den, den Halbkreis bildenden Enden der Stützwände sind modulare Profile befestigt, die die Zwischenräume zwischen den Stützwänden abdecken und deren äußere Oberflächen modular konzipiert der Innenkontur des herzustellenden integralen Strukturbauteiles entsprechen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Positionier- und Montageträger (Formträger) sowie ein Verfahren zur automatisierbaren Herstellung eines integralen Strukturbauteiles aus Faserverbundwerkstoffen für Hochleistungsanwendungen, vorzugsweise einer, mit Stringern in vorgegebenen Abständen versehenen Strukturschale im Flugzeugbau.
Hochleistungsfaserverbundwerkstoffe werden vorwiegend im Vakuumsackverfahren zu Leichtbaustrukturen, z. B. für den Flugzeugbau verarbeitet. Dabei ergeben sich besonders bei integral versteiften Strukturen erhebliche Qualitätsrisiken durch manuelles Positionieren der einzelnen Strukturkomponenten und das manuelle Aufbringen einer Vakuumhaut sowie deren manuelle Versiegelung. Eine automatisierte Fertigung ist mit diesem Verfahren nicht möglich.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Positionier- und Montageträger (Formträger) zur automatisierbaren Herstellung eines integralen Strukturbauteiles aus Faserverbundwerkstoffen für Hochleistungsanwendungen zu schaffen, mit dem beispielsweise ein Verfahren zur automatisierbaren Herstellung einer integralen, mit Stringern in vorgegebenen Abständen versehenen Strukturschale aus Faserverbundwerkstoffen ermöglicht wird.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass auf einer Oberfläche eines ebenen und länglich ausgebildeten Basisträgers ein Raster von mindestens zwei Stützwänden unterschiedlicher Länge derart befestigt ist, dass deren freie Enden einen Halbkreis bilden und die Stützwände unter, durch den Radius des Halbkreises vorgegebenen Winkeln zum Basisträger angeordnet sind, und dass an den, den Halbkreis bildenden Enden der Stützwände modulare Profile befestigt sind, die die Zwischenräume zwischen den Stützwänden abdecken und deren äußere Oberflächen modular konzipiert der Innenkontur des herzustellenden integralen Strukturbauteiles entsprechen.
Erfindungsgemäße Ausgestaltungen des Positionier- und Montageträgers sind in den Unteransprüchen 2 bis 10 beschrieben.
Durch den Einsatz des Positionier- und Montageträgers mit definierten Referenzkonturen zum Formwerkzeug werden in vorteilhafterweise Weise alle Strukturelemente zwangsweise präzise positioniert und fixiert. Hierdurch wird ein automatisiertes Einlegen der Strukturelemente in eine Strukturschale begünstigt.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur automatisierbaren Herstellung beispielsweise einer integralen, mit Stringern in vorgegebenen Abständen versehenen Strukturschale aus Faserverbundwerkstoffen für Hochleistungsanwendungen, unter Verwendung eines Positionier- und Montageträgers (Formträger) gemäß der Erfindung ist gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

a) die äußeren Oberflächen der von dem Ringkanal eingeschlossenen modularen Profile werden mit einer lose aufliegenden Folie abgedeckt,
b) der durch die Zwischenräume gebildete Hohlraum wird mit einem Vakuum derart beaufschlagt, dass die Folie über den Ringkanal und die Schlitze der modularen Profile angesaugt wird,
c) nach Erreichung eines ausreichenden Vakuums wird die Rolle der Folie mit der Rolle einer Vakuumhaut derart gekoppelt, dass die Folie aufgerollt und die Vakuumhaut auf den äußeren Oberflächen der modularen Profile abgerollt und formtreu in die Profilnuten und Vertiefungen eingezogen wird,
d) in die von der Vakuumhaut bedeckten Profilnuten werden mit Stützelementen versehene Stringerprofile eingelegt,
e) auf von der Vakuumhaut bedeckten äußeren Oberflächen der modularen Profile und die Stringerprofile werden alle Hautschichten aus Faserverbundwerkstoffen aufgelegt,
f) auf die äußerste Hautschicht wird eine Siegelmasse in optimierter Menge aufgetragen,
g) auf die Siegelmasse wird eine um 180° gedrehte Strukturschale passgenau aufgelegt, die umlaufende Siegelmasse derart verdichtet, dass eine vakuumdichte Siegelung zwischen der Vakuumhaut und der Strukturschale entsteht sowie die Kavität zwischen der Vakuumhaut und der Strukturschale evakuiert wird,
h) nach Erreichen des vorgesehenen Prozessvakuums in der Kavität zwischen der Vakuumhaut und der Strukturschale wird das Vakuum in dem durch die Zwischenräume gebildete Hohlraum abgeschaltet sowie der Hohlraum zur Atmosphäre geöffnet, und
i) die Strukturschale wird angehoben, um 180° gedreht und einem Injektions- und Härtungsprozess zugeführt.

Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen 12 bis 14 beansprucht.
Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass durch das gleichmäßige und weitgehend spannungslose Vorformen der Vakuumfolie in definierter Referenz zur Strukzurschale ein automatisches Siegeln ermöglicht und eine Positionstreue der Strukturelemente begünstigt wird.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung zur Herstellung beispielsweise einer integralen, mit Stringern in vorgegebenen Abständen versehenen Strukturschale aus Faserverbundwerkstoffen für Hochleistungsanwendungen unter Verwendung eines Positionier- und Montageträgers beschrieben, und zwar zeigt:
1 den Aufbau eines Positionier- und Montageträgers (Formträger) zur automatisierbaren Herstellung eines integralen Strukturbauteiles aus Faserverbundwerkstoffen für Hochleistungsanwendungen, sowie die
2 bis 9 Verfahrensschritte zur automatisierbaren Herstellung der integralen Strukturschale.
In 1 ist ein ebener und länglich ausgebildeter Basisträger 1 dargestellt, der bis zu seiner Umrandung vakuumdicht ausgeführt ist und auf dessen einer Oberfläche ein Raster von mindestens sieben Stützwänden 2 unterschiedlicher Länge befestigt ist. Die Stützwände 2 weisen Durchlässe 3 zur Verbindung von Zwischenräumen 4 untereinander auf, die sich zwischen den Stützwänden 2 befinden. Die freien Enden der Stützwände 2 bilden einen Halbkreis, wobei die Stützwände 2 unter, durch den Radius des Halbkreises vorgegebenen Winkeln zum Basisträger 1 angeordnet sind. An den, den Halbkreis bildenden Enden der Stützwände 2 sind modulare, die Zwischenräume 4 zwischen den Stützwänden 2 abdeckende Profile 5 vorzugsweise aus einem CNC-bearbeitbaren Leichtwerkstoff befestigt, deren äußere Oberflächen modular konzipiert der Innenkontur des herzustellenden integralen Strukturbauteiles entsprechen. Die modularen Profile 5 weisen an ihren unteren Kanten Schlitze 6 für einen Luftdurchlass zu den Zwischenräumen 4 auf, wobei die in unmittelbarer Nähe zum Basisträger 1 angeordneten modularen Profile 5 einen umlaufenden Ringkanal 9 besitzen, der mit einem hoch luft durchlässigen Werkstoff ausgelegt ist sowie über eine Vielzahl von Bohrungen mit den Zwischenräumen 4 in Verbindung steht. Zur Herstellung einer, mit Stringern versehenen Strukturschale sind das Raster der Stützwände 2 sowie die Teilung der modularen Profile 5 derart ausgebildet, dass der Fügespalt der modularen Profile 5 jeweils unter der Position eines Stringers angeordnet ist. An den oberen Kanten der modularen Profile 5 sind Profilnuten 7 eingefräst, die den Abmessungen und der Lage der Stringer und Stützwände 2 entsprechen. Die Profilnuten 7 sind mit jeweils einer zusätzlichen kanalförmigen Vertiefung 8 versehen sind, die jeweils auf der Stirnseite der zugehörigen Stützwand 2 aufliegt.
Die erforderlichen Verfahrensschritte zur Herstellung einer integralen, mit Stringern in vorgegebenen Abständen versehenen Strukturschale aus Faserverbundwerkstoffen werden an Hand der 2 bis 9 beschrieben:
Wie aus 2 zu ersehen ist, wird eine äußere Fläche der modularen Profile 5, die durch den Ringkanal 9 eingeschlossen ist, durch eine lose aufliegende Folie 10 abgedeckt. Entsprechend 3 wird der durch die Zwischenräume 4 gebildete Hohlraum mit einem Vakuum derart beaufschlagt, dass die Folie 10 über den Ringkanal 9 und die Schlitze 6 in die Profilnuten 7 der modularen Profile 5 angesaugt wird. Nach Erreichen eines ausreichenden Vakuums wird die Rolle der eigentlichen Vakuumhaut 12 mit der Rolle der Folie 10 derart gekoppelt, dass auf kurzer Distanz die Folie 10 aufgerollt und die Vakuumhaut 12 abgerollt wird. Durch eine geringe Rückhaltekraft an der Vakuumhaut 12 wird diese formgetreu in die Profilnuten 7 und Vertiefungen 8 eingezogen. Ist eine sphärische Verformung der Vakuumhaut 12 an kreuzenden Profilfurchen erforderlich, kann eine spannungsfreie Formgebung durch das Einwirken eines Heißluftstromes auf die entsprechenden Bereiche begünstigt werden. Bei Vakuumhäuten 12 aus Polyamid wird der Effekt durch Heißdampf verstärkt.
Gemäß 4 werden alle mit Stützelementen aus beispielsweise Leichtmetall, Schaumstoff oder Silikon versehenen Stringerprofile 13 (Preformlinge) in die von der Vakuumfolie 12 abgedeckten Profilnuten 7 eingelegt. Beim Einsatz einer Injektionstechnologie (DP-RTM, SLI) können zuvor in die kanalförmigen Vertiefungen 14 Injektionslinien eingelegt werden.
Wie 5 zu entnehmen ist, werden alle Hautschichten 15 aus Faserverbundwerkstoffen auf die Vakuumhaut 12 bzw. die Stringerprofile 13 aufgelegt und eventuell mit den Stringerprofilen 13 vernäht.
Entsprechend 6 wird zum Beispiel durch einen Roboter oder manuell eine Siegelmasse 16 auf die äußere Hautschicht 15 in optimierter Menge umlaufend aufgetragen.
Gemäß 7 wird eine um 180° gedrehte Strukturschale 17 passgenau aufgelegt und die umlaufende Siegelmasse 16 so vorverdichtet, dass eine vakuumdichte Versiegelung zwischen der Vakuumhaut 12 und der Strukturschale 17 entsteht. Danach wird die Kavität zwischen der Vakuumhaut 12 und der Strukturschale 17 evakuiert.
Nach Erreichen des vorgesehenen Prozessvakuums in der Kavität zwischen der Vakuumhaut 12 und der Strukturschale 17 wird das Vakuum in dem durch die Zwischenräume 4 gebildeten Hohlraum abgeschaltet und der Hohlraum zur Atmosphäre geöffnet. Danach wird die Strukturschale 17 entsprechend 8 angehoben und um 180° gedreht.
Wie 9 zeigt, wird nach dem Drehen der Strukturschale 17 das Bauteil dem Injektionsprozess und der Härtung zugeführt, beispielsweise wird die Strukturschale 17 in einen Autoklaven unter Prozessvakuum eingebracht.

1: Basisträger
2: Stützwände des Basisträgers 1
3: Durchlässe der Stützwände 2
4: Zwischenräume zwischen den Stützwänden 2
5: modulare Profile
6: Schlitze für Lufteinlaß
7: Profilnuten der modularen Profile 5
8: kanalförmige Vertiefungen
9: umlaufender Ringkanal (mit luftdurchlässigem Werkstoff)
10: Folie
11: Vakuum der Zwischenräume 4 (des Hohlraumes)
12: Vakuumhaut
13: Stringerprofile
14: kanalförmige Vertiefungen, die durch Stringerprofile 8
15: Hautschichten
16: Siegelmasse
17: Strukturschale

Claims

Positionier- und Montageträger (Formträger) zur automatisierbaren Herstellung eines integralen Strukturbauteiles aus Faserverbundwerkstoffen für Hochleistungsanwendungen, vorzugsweise einer, mit Stringern in vorgegebenen Abständen versehenen Strukturschale im Flugzeugbau, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer Oberfläche eines ebenen und länglich ausgebildeten Basisträgers (1) ein Raster von mindestens zwei Stützwänden (2) unterschiedlicher Länge derart befestigt ist, dass deren freie Enden einen Halbkreis bilden und die Stützwände (2) unter, durch den Radius des Halbkreises vorgegebenen Winkeln zum Basisträger (1) angeordnet sind, und dass an den, den Halbkreis bildenden Enden der Stützwände (2) modulare Profile (5) befestigt sind, die die Zwischenräume (4) zwischen den Stützwänden (2) abdecken und deren äußere Oberflächen modular konzipiert der Innenkontur des herzustellenden integralen Strukturbauteiles entsprechen.
Formträger nach Anspruch 1 zur Herstellung einer, mit Stringern versehenen Strukturschale, dadurch gekennzeichnet, dass das Raster der Stützwände (2) sowie die Teilung der modularen Profile (5) derart ausgebildet ist, dass der Fügespalt der modularen Profile (5) jeweils unter der Position eines Stringers angeordnet ist.
Formträger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass an den oberen Kanten der modularen Profile (5) Profilnuten (7) eingefräst sind, die den Abmessungen und der Lage der Stringer und Stützwände (2) entsprechen.
Formträger nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilnuten (7) mit jeweils einer zusätzlichen kanalförmigen Vertiefung (8) versehen sind, die jeweils auf der Stirnseite der zugehörigen Stützwand (2) aufliegt.
Formträger nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die kanalförmigen Vertiefungen (8) so angeordnet sind, dass sich zur Vertikalen keine Hinterschneidungen ergeben.
Formträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Basisträger (1) bis zu seiner Umrandung vakuumdicht ausgeführt ist.
Formträger nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützwände (2) Durchlässe (3) zur Verbindung der Zwischenräume (4) untereinander aufweisen.
Formträger nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die modularen Profile (5) an ihren unteren Kanten Schlitze (6) für einen Luftdurchlass zu den Zwischenräumen (4) aufweisen.
Formträger nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die in unmittelbarer Nähe zum Basisträger (1) angeordneten modularen Profile (5) einen umlaufenden Ringkanal (9) aufweisen, der mit einem hoch luftdurchlässigen Werkstoff ausgelegt ist sowie über eine Vielzahl von Bohrungen mit den Zwischenräumen (4) in Verbindung steht.
Formträger nach Anspruch 1, 2, 3, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die modularen Profile aus einem CNCbearbeitbaren Leichtwerkstoff hergestellt sind.
Verfahren zur automatisierbaren Herstellung einer integralen, mit Stringern in vorgegebenen Abständen versehenen Strukturschale aus Faserverbundwerkstoffen für Hochleistungsanwendungen, unter Verwendung eines Positionier- und Montageträgers (Formträger) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: a) die äußeren Oberflächen der von dem Ringkanal (9) eingeschlossenen modularen Profile (5) werden mit einer lose aufliegenden Folie (10) abgedeckt, b) der durch die Zwischenräume (4) gebildete Hohlraum wird mit einem Vakuum (11) derart beaufschlagt, dass die Folie (10) über den Ringkanal (9) und die Schlitze (6) der modularen Profile (5) angesaugt wird, c) nach Erreichung eines ausreichenden Vakuums (11) wird die Rolle der Folie (10) mit der Rolle einer Vakuumhaut (12) derart gekoppelt, dass die Folie (10) aufgerollt und die Vakuumhaut (12) auf den äußeren Oberflächen der modularen Profile (5) abgerollt und formtreu in die Profilnuten (7) und Vertiefungen (8) eingezogen wird, d) in die von der Vakuumhaut (12) bedeckten Profilnuten (7) werden mit Stützelementen versehene Stringerprofile (13) eingelegt, e) auf von der Vakuumhaut (12) bedeckten äußeren Oberflächen der modularen Profile (5) und die Stringerprofile (13) werden alle Hautschichten (15) aus Faserverbundwerkstoffen aufgelegt, f) auf die äußerste Hautschicht (15) wird eine Siegelmasse (16) in optimierter Menge aufgetragen, g) auf die Siegelmasse (16) wird eine um 180° gedrehte Strukturschale (17) passgenau aufgelegt, die umlaufende Siegelmasse (16) derart verdichtet, dass eine vakuumdichte Siegelung zwischen der Vakuumhaut (12) und der Strukturschale (17) entsteht sowie die Kavität zwischen der Vakuumhaut (12) und der Strukturschale (17) evakuiert wird, h) nach Erreichen des vorgesehenen Prozessvakuums in der Kavität zwischen der Vakuumhaut (12) und der Strukturschale (17) wird das Vakuum in dem durch die Zwischenräume (4) gebildete Hohlraum abgeschaltet sowie der Hohlraum zur Atmosphäre geöffnet, und i) die Strukturschale (17) wird angehoben, um 180° gedreht und einem Injektions- und Härtungsprozess zugeführt.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzielung einer sphärischen Verformung der Vakuumhaut (12) an kreuzenden Profilfurchen eine spannungsfreie Formgebung durch Einwirkung eines Heizluftstromes auf vorgegebene Bereiche der Vakuumhaut (12) begünstigt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass beim Einsatz einer Injektionstechnologie in die kanalförmigen Vertiefungen (8) zuvor Injektionslinien eingelegt werden.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass alle aufgelegten Hautschichten (15) mit Stringerpreformlingen vernäht werden.