DE10331358B4

DE10331358B4 - Positionier- und Montageträger zur automatisierbaren Herstellung eines integralen Strukturbauteils aus Faserverbundwerkstoffen

Info

Publication number: DE10331358B4
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: 2008-06-19
Anticipated expiration: 2023-07-12
Also published as: DE10331358A1

Abstract

Positionier- und Montageträger (Formträger) zur automatisierbaren Herstellung eines integralen Strukturbauteils aus Faserverbundwerkstoffen für Hochleistungsanwendungen, vorzugsweise einer mit Stringern in vorgegebenen Abständen versehenen Strukturschale im Flugzeugbau, wobei 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 ein Kreissegment bilden, wobei die Stützwände (2) unter, durch den Radius des Kreissegments vorgegebenen Winkeln zum Basisträger (1) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass an den das Kreissegment 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, wobei die modularen Profile (5) an ihren unteren Kanten Schlitze (6) für einen Luftdurchlass zu den Zwischenräumen (4) aufweisen, wobei an den oberen Kanten der modularen Profile (5) Profilnuten (7) eingefräst sind, die den Abmessungen und der Lage der...

Description

Die Erfindung betrifft einen 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, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Hochleistungsfaserverbundwerkstoffe werden vorwiegend im Vakuumsackverfahren zu Leichtbaustrukturen, zum Beispiel 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.
Aus der US 6 298 896 B1 ist eine Vorrichtung zur Herstellung einer Verbundstruktur, insbesondere von gekrümmten Sandwichplatten, bekannt.
Die Vorrichtung umfasst eine Auflagefläche, die mit einer elastischen Matte, die beispielsweise mit einem Flächengebilde geeigneter Dicke aus Polyurethan gebildet ist und zur Ablage eines ebenen oder eines eindimensional bzw. zweidimensional gekrümmten Verbundbauteils dient. Die elastische Matte ist in ein zum Beispiel rechteckförmiges Trägergestell aus Stahl eingespannt und mit einem Klemmrahmen umfangsseitig festgeklemmt. Unterhalb der Gummimatte ist eine Vielzahl von matrixförmig angeordneten Stempeln angeordnet, die zur unterseitigen Abstützung und Spannung der Gummimatte dienen. Die Stempel sind jeweils durch eine motorisch oder manuell betätigbare Gewindestange höhenverstellbar und weisen an ihren Enden eine bevorzugt quadratisch ausgestaltete Auflagefläche zur Abstützung der Gummimatte auf. Durch individuelles Verfahren der Stempel kann der Gummimatte nahezu jede beliebige ebene oder gekrümmte Oberflächengeometrie verliehen werden. Die Gummimatte kann mit den Auflageflächen der Stempel verklebt sein. Zusätzlich können in die Gummimatte Verstärkungsmittel, beispielsweise Verstärkungsfaserstränge, integriert sein, um die Steifigkeit lokal definiert zu verändern und eine optimale Anpassung an ein abzulegendes gekrümmtes oder ebenes Verbundbauteil zu erreichen.
Die aus der US 6 298 896 B1 bekannte Vorrichtung zur Herstellung von gekrümmten Verbundbauteilen ist jedoch nur bedingt zur vollautomatisierten Herstellung von komplexen und gekrümmten Verbundbauteilen geeignet, da keine Positioniereinrichtungen für zusätzliche Versteifungselemente vorgesehen sind und zudem jegliche Vakuumeinrichtungen fehlen.
Der Erfindung liegt daher 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 bei einer Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass an den das Kreissegment 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, wobei die modularen Profile an ihren unteren Kanten Schlitze für einen Luftdurchlass zu den Zwischenräumen aufweisen, wobei an den oberen Kanten der modularen Profile Profilnuten eingefräst sind, die den Abmessungen und der Lage der Stringer und Stützwände entsprechen, wobei die in unmittelbarer Nähe zum Basisträger angeordneten modularen Profile einen umlaufenden Ringkanal aufweisen, der mit einem hoch luftdurchlässigen Werkstoff ausgelegt ist sowie über eine Vielzahl von Bohrungen mit den Zwischenräumen in Verbindung steht.
Erfindungsgemäße Ausgestaltungen des Positionier- und Montageträgers sind in den Unteransprüchen 2 bis 7 beschrieben.
Durch den Einsatz des Positionier- und Montageträgers mit definierten Referenzkonturen zum Formwerkzeug werden in vorteilhafter Weise alle Strukturelemente zwangsweise präzise positioniert und fixiert. Hierdurch wird ein automatisiertes Einlegen der Strukturelemente in eine Strukturschale begünstigt.
Ein besonderer Vorteil bei der Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, dass durch das gleichmäßige und weitgehend spannungslose Vorformen der Vakuumfolie in definierter Referenz zur Strukturschale 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 ein, Kreissegment, wobei die Stützwände 2 unter, durch den Radius des Halbkreises vorgegebenen Winkeln zum Basisträger 1 angeordnet sind. An den, das Kreissegment 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, 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 abgedeckt sind
15: Hautschichten
16: Siegelmasse
17: Strukturschale

Claims

Positionier- und Montageträger (Formträger) zur automatisierbaren Herstellung eines integralen Strukturbauteils aus Faserverbundwerkstoffen für Hochleistungsanwendungen, vorzugsweise einer mit Stringern in vorgegebenen Abständen versehenen Strukturschale im Flugzeugbau, wobei 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 ein Kreissegment bilden, wobei die Stützwände (2) unter, durch den Radius des Kreissegments vorgegebenen Winkeln zum Basisträger (1) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass an den das Kreissegment 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, wobei die modularen Profile (5) an ihren unteren Kanten Schlitze (6) für einen Luftdurchlass zu den Zwischenräumen (4) aufweisen, wobei an den oberen Kanten der modularen Profile (5) Profilnuten (7) eingefräst sind, die den Abmessungen und der Lage der Stringer und Stützwände (2) entsprechen, wobei 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 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 1 oder 2, 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 3, dadurch gekennzeichnet, dass die kanalförmigen Vertiefungen (8) so angeordnet sind, dass sich zur Vertikalen keine Hinterschneidungen ergeben.
Formträger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Basisträger (1) bis zu seiner Umrandung vakuumdicht ausgeführt ist.
Formträger nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützwände (2) Durchlässe (3) zur Verbindung der Zwischenräume (4) untereinander aufweisen.
Formträger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die modularen Profile aus einem CNC-bearbeitbaren Leichtwerkstoff hergestellt sind.