DE202017102169U1

DE202017102169U1 - Fertigung gekrümmter Strukturbauteile aus Faserverbundwerkstoff

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Publication number: DE202017102169U1
Application number: DE202017102169.6U
Authority: DE
Original assignee: Premium Aerotec GmbH
Current assignee: Premium Aerotec GmbH
Priority date: 2017-06-07
Filing date: 2017-06-07
Publication date: 2017-06-12
Anticipated expiration: 2027-06-08

Abstract

Eine Vorrichtung (46) für die Herstellung eines wenigstens in einer Längsrichtung gekrümmten Werkstücks für ein Strukturbauteil aus einem Faserverbundwerkstoff, mit einer ersten Werkzeugstruktur (48), die zum Ablegen von Fasern zum Erzeugen eines Geleges eine Ablegefläche (50) mit wenigstens einem längsgerichteten Ablegebereich (56) aufweist, der mit einer ersten (58) und einer zweiten Längsseite (60) ausgebildet ist; wobei die Längsseiten mit unterschiedlichen Oberflächenprofilen ausgebildet sind, und wobei zwischen der ersten und der zweiten Längsseite ein Übergang (62) ausgebildet ist; und wobei für einen Abschnitt einer Längsseite des Ablegebereichs eine in Längsrichtung auf den jeweiligen Oberflächenprofilen zurückzulegende Länge (68) entlang der zweiten Längsseite länger ist als entlang der ersten Längsseite.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die Herstellung eines wenigstens in einer Längsrichtung gekrümmten Werkstücks für ein Strukturbauteil aus einem Faserverbundwerkstoff, ein Gelege für ein Strukturbauteil aus einem Faserverbundwerkstoff und ein Strukturbauteil aus Faserverbundwerkstoff.
Strukturbauteile aus Faserverbundwerkstoff kommen beispielsweise bei Fahrzeugen, insbesondere bei Luftfahrzeugen, wie zum Beispiel Flugzeugen, zum Einsatz bei möglichst leichten und dennoch tragfähigen Strukturen. Strukturbauteile aus Faserverbundwerkstoff werden beispielsweise hergestellt, indem Fasern zusammen mit einem Matrixmaterial in eine Form eingebracht und anschließend ausgehärtet werden. Zum Beispiel werden für Trägerprofile Fasermatten ausgelegt und mit einem Matrixmaterial zu einem Trägerprofil geformt. Aus der DE 10 2006 035 939 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen eines Strukturbauteils aus Faserverbundwerkstoff bekannt. Es hat sich jedoch gezeigt, dass das Auslegen von Fasermatten bei gekrümmten Werkstücken nur bedingt einsetzbar ist. Das manuelle Anordnen von Fasern in einer gekrümmten Form, die bereits die Form des fertigen Werkstücks, zum Beispiel eines Tragprofils, aufweist, ist zum einen sehr zeitaufwendig und zum anderen auch aufgrund der erforderlichen manuellen Tätigkeit des Ablegens der Fasern eher für Fehler anfällig.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein gekrümmtes Werkstücks für ein Strukturbauteil aus einem Faserverbundwerkstoff zur Verfügung zu stellen, das besser herzustellen ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung für die Herstellung eines wenigstens in einer Längsrichtung gekrümmten Werkstücks für ein Strukturbauteil aus einem Faserverbundwerkstoff, durch ein Gelege für ein Strukturbauteil aus einem Faserverbundwerkstoff und ein Strukturbauteil aus einem Faserverbundwerkstoff nach einem der unabhängigen Ansprüche erreicht. Beispielhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen dargestellt.
Gemäß einem ersten Aspekt ist eine Vorrichtung für die Herstellung eines wenigstens in einer Längsrichtung gekrümmten Werkstücks für ein Strukturbauteil aus einem Faserverbundwerkstoff vorgesehen, das eine erste Werkzeugstruktur aufweist, die zum Ablegen von Fasern zum Erzeugen eines Geleges eine Ablegefläche mit wenigstens einem längsgerichteten Ablegebereich aufweist, der mit einer ersten und einer zweiten Längsseite ausgebildet ist. Die Längsseiten sind mit unterschiedlichen Oberflächenprofilen ausgebildet, und zwischen der ersten und der zweiten Längsseite ist ein Übergang ausgebildet. Für einen Abschnitt einer Längsseite des Ablegebereichs ist eine in Längsrichtung auf den jeweiligen Oberflächenprofilen zurückzulegende Länge entlang der zweiten Längsseite länger als entlang der ersten Längsseite.
Dadurch ist es möglich, ein Gelege als quasi-ebenes Gelege auszulegen, und gleichzeitig aufgrund der verlängerten Ablegelängen für diese Bereiche des späteren Profils derart zusätzliches Material, d.h. zusätzliche Faserlänge, zur Verfügung zu stellen, dass bei einem späteren Umformen diese Bereiche eine größere Ausdehnung, zum Beispiel aufgrund eines größeren Radius bei einem gekrümmten Bauteil, aufweisen.
Der Begriff „Abschnitt einer Längsseite des Ablegebereichs“ bezieht sich dabei auf einen festlegbaren Teil einer Längsseite, der durch seine projizierte Länge, also nicht die Länge entlang der Oberfläche, beschrieben wird. Um die Längen entlang der Oberfläche vergleichen zu können, wird der „Abschnitt“ pro Längsseite mit der gleichen projizierten Länge bestimmt, so dass auch bei gekrümmter Längsrichtung, z.B. bei einem (in seitlicher Richtung) gekrümmten Auslegen auf einer (mehr oder weniger ebenen, oder auch gekrümmten) Ablegefläche ein Vergleich möglich ist. Bei einem (seitlich) gekrümmten Auslegen ist die Länge in der Horizontalen bei einem Außenradius zwangsläufig größer als die des Innenradius. Bei einem geradlinigen Verlauf der längsgerichteten Fasern kann sich folglich der „Abschnitt“ auch auf einen festlegbaren Teil der Längsachse beziehen. Entscheidend ist, dass die zurückzulegende Länge auf der einen Längsseite aufgrund der größeren Profilierung länger ist, d.h. aufgrund der vertikalen Struktur der Oberfläche. Ein in der Horizontalen gekrümmtes Auslegen ist zwar auch möglich, jedoch nur dann, wenn nur ein Ablegebereich vorgesehen ist, da das gekrümmte Auslegen nicht mit der Ausbildung eines weiteren Profilsegments vereinbar ist, bei dem im fertigen Halbzeug keine unterschiedlichen Krümmungsradien vorgesehen sind und die Längsfasern in diesem Abschnitt alle die gleiche Länge aufweisen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Ablegefläche mit in Querrichtung nebeneinanderliegenden längsgerichteten Ablegebereichen mit unterschiedlichen Oberflächenprofilen ausgebildet, wobei wenigstens ein erster Ablegebereich und ein zweiter Ablegebereich vorgesehen sind. Der zweite Ablegebereich weist die erste und die zweite Längsseite auf und schließt mit der ersten Längsseite an den ersten Ablegebereich an.
Als Fasern können beispielsweise Kohle-, beziehungsweise Karbonfasern, Aramidfasern, Glasfasern und andere Fasern zum Einsatz kommen, die in der Lage sind, Zugkräfte zu übertragen, und die mit einem Matrixmaterial den Faserverbundwerkstoff bilden.
Der Begriff „Strukturbauteil“ bezieht sich auf ein Bauteil zur Aufnahme und/oder Weiterleitung von Lasten, zum Beispiel Windlasten, Eigenlasten, Vortriebs- und Antriebskräfte, etc.; Strukturbauteile können auch Leisten zum Aufbringen einer Haltekraft umfassen.
Unter einem „gekrümmten Strukturbauteil“ wird auch ein Bauteil verstanden, das nur in einem kleinen Bereich gekrümmt ist, z.B. ein Stringer, der über Unebenheiten einer Anlagefläche laufen soll, wie beispielsweise über Hautaufdickungen oder Rampen. Hier muss der Stringer zumindest lokal gekrümmt werden, wozu eine längere Faserlänge der Längsfasern notwendig ist.
Der Begriff „Strukturbauteil“ bezieht sich auch auf flächige Bauteile, wie zum Beispiel Türen oder andere Rumpfabdeckungen bzw. auch andere Karosserieteile.
Es ist also das Ablegen von zusätzlichem Material, d.h. von zusätzlicher Faserlänge, auch bei der Herstellung eines in zwei Richtungen gekrümmten Werkstücks vorgesehen, z.B. zur Herstellung einer Halbkugel, wie dies bei Kotflügel, Türen zur Anwendung kommen kann.
Der „Ablegebereich“ kann auch eine sehr schmale, zum Beispiel kantenförmige Ablegefläche sein.
Der erste Ablegebereich kann eine in Querrichtung gleichbleibende Oberflächenprofilierung aufweisen.
Der zweite Ablegebereich kann eine von der ersten Längsseite zur zweiten Längsseite hin zunehmende Oberflächenprofilierung aufweisen, d.h., bei einer Wellenstruktur, zum Beispiel, nimmt die Wellenamplitude von der ersten Längsseite, wo sie beispielsweise beim Anschluss an einen ebenen ersten Bereich keine Amplitude aufweist, in Richtung der zweiten Längsseite derart zu, dass dort ein maximaler Ausschlag, und damit eine maximale Strecke auf der Oberfläche vorliegt, bezogen auf einen (senkrecht projektierten) Abschnitt der Ablegefläche.
Der zweite Ablegebereich stellt in Relation zum ersten Ablegebereich wenigstens im Bereich der zweiten Längsseite eine verlängerte Ablegelänge zur Verfügung.
Es kann auch wenigstens ein dritter Ablegebereich vorgesehen sein, der sich an den wenigsten einen zweiten Ablegebereich anschließt, und der eine in Querrichtung gleichbleibende Oberflächenprofilierung aufweist.
Es können auch noch weitere Ablegebereiche vorgesehen sein, die sich aneinander anschließen, beispielsweise auch auf der anderen Seite des ersten Ablegebereichs. Dabei können Ablegebereiche mit zunehmender Profilierung vorgesehen sein, wenn hier eine zunehmende Ablegelänge für diese Bereiche zur Verfügung gestellt werden soll, um diese Bereiche später mit einer größeren Ausdehnung, zum Beispiel einem größeren Radius, auszubilden. Die Ablegebereiche können auch mit einer in Querrichtung gleichbleibenden Oberflächenprofilierung ausgebildet werden, wenn es sich um Flächen handelt, die keine unterschiedlichen Krümmungsradien aufweisen.
Um ein Strukturbauteil mit einem gewinkelten Profil zur Verfügung zu stellen, werden entsprechend unterschiedliche Ablegebereiche benötigt. Bei einem zweischenkligen Winkelprofil, zum Beispiel einem L-Profil, sind ein erster und ein zweiter Ablegebereich vorgesehen. Für ein U-Profil werden drei Ablegebereiche vorgesehen, und für ein C-Profil, oder Halfenschiene, bzw. auch für ein Omega-Profil oder Hut-Profil, werden fünf oder mehr Ablegebereiche vorgesehen. Je nach Anordnung der Krümmungsradien; d.h. je nachdem welche Flächen senkrecht zur radialen Richtung ausgerichtet sind, beziehungsweise in radialer Richtung verlaufen, wobei letztere dann bezogen auf die Fläche unterschiedliche Ausdehnungen, d.h. auch unterschiedliche Radien aufweisen, sind die jeweiligen Ablegebereiche entweder mit einer gleichbleibenden Profilierung oder mit einer zu- beziehungsweise abnehmenden Profilierung ausgebildet. Selbstverständlich lassen sich auch Profilstrukturen erzeugen, bei denen einzelne Bereiche nicht zu separieren sind, sondern ineinander übergehen. In einem solchen Fall ist ein durchgehender Ablegebereich vorgesehen, der sich ändernde Oberflächenprofilierungen aufweist, mit denen entsprechend unterschiedliche Ablegelängen (pro Abschnitt) zur Verfügung gestellt werden, um anschließend die unterschiedlichen Radien bei einem gekrümmten Bauteil spannungsfrei erzeugen zu können, beziehungsweise das Gelege spannungsfrei umformen zu können.
Der Begriff „pro Abschnitt“ bezieht sich auf eine auf das Gelege, beziehungsweise auf die Ablegefläche des Werkzeugs senkrecht projizierte Abschnittslänge.
Die Ablegefläche kann entlang einer ebenen Fläche ausgebildet sein. Mit anderen Worten, bei einer profilierten Oberfläche bildet die Verbindung der Mittelwerte der Profilierung eine ebene Fläche, wobei die Oberfläche selbst aufgrund der zumindest teilweise vorhandenen Profilierung eben nicht eben im eigentlichen Sinne ist.
Die Ablegefläche kann auch entlang einer gekrümmten Fläche ausgebildet sein, d.h. die Oberflächenprofilierungen weisen sozusagen Mittelwerte auf, die in einer gekrümmten Fläche angeordnet sind. Der Begriff „pro Abschnitt“ bezieht sich dabei dann auf einen Längenabschnitt, beziehungsweise ein Längenmaß, entlang der (gedachten) gekrümmten Fläche.
Die Ablegefläche kann auch entlang einer umlaufenden Fläche auf einer Walzenstruktur ausgebildet sein. Dadurch lassen sich beispielsweise Gelege in größeren Längen fortlaufend herstellen.
Die Oberflächenprofilierungen der Ablegebereiche können in Längsrichtung variieren. Damit können Bauteile hergestellt werden, die über die Länge unterschiedliche Krümmungsradien aufweisen. Beispielsweise kann der zweite Ablegebereich auf der zweiten Längsseite an einem Ende der Ablegefläche eine sehr stark ausgeprägte Welle aufweisen, um in diesem Bereich des Bauteils eine möglichst lange Ablegelänge zur Verfügung zu stellen, wobei die Wellenstärke, und damit auch die Ablegelänge, über die Länge gesehen abnimmt, sodass der zweite Ablegebereich auf der zweiten Längsseite am anderen Ende der Ablegefläche eine nur schwach ausgeprägte Welle aufweist, um in diesem Bereich des Bauteils eine (gegenüber dem normalen, zum Beispiel nicht verlängerten ersten Ablegebereich) nur geringfügig verlängerte Ablegelänge zur Verfügung zu stellen. Damit lässt sich ein Bauteil herstellen, das an dem einen Ende stärker gekrümmt ist als an dem anderen Ende.
Beispielsweise können die Ablegebereiche auch derart mit zu- beziehungsweise abnehmenden Wellenstrukturen, oder anderen Unebenheiten, zur Erzeugung verlängerter Ablegelängen, ausgebildet werden, dass über die Länge des Bauteils gegenläufige Krümmungen erzeugt werden, zum Beispiel sind die Schenkel eines U-Profils bezogen auf den Krümmungsradius zunächst nach außen abstehend, und weisen daher am Ende einen größeren Radius auf, als der mittlere Bereich. Im Laufe des Profils erfolgt jedoch eine Änderung der Krümmungsrichtung derart, dass nun der mittlere Bereich außen liegt und folglich einen größeren Radius aufweist, während die Schenkelenden innen liegen und den kleinsten Radius aufweisen. In diesem Bereich ist dann der Ablegebereich für die Schenkel mit einer zum Rand hin abnehmenden Oberflächenprofilierung ausgebildet, während der Ablegebereich für den mittleren Teil des U-Profils eine stärker ausgeprägte Oberflächenprofilierung, zum Beispiel Wellenstruktur, aufweist. Mit anderen Worten, die für den „ersten Ablegebereich“ und den „zweiten Ablegebereich“ beschriebenen Eigenschaften beziehen sich auf die verschiedenen Ablegebereiche nebeneinander. Im Laufe des Profils können die Eigenschaften dann derart wechseln, dass der erste, beziehungsweise zweite Ablegebereich nun vertauscht angeordnet sind.
Der erste Ablegebereich der ersten Werkzeugstruktur kann entlang der Ablegefläche einen ersten Unebenheitsgrad aufweisen, und der zweite Ablegebereich der ersten Werkzeugstruktur kann an der zweiten Längsseite entlang der Ablegefläche einen zweiten Unebenheitsgrad aufweisen, wobei der zweite Unebenheitsgrad größer ist als der erste Unebenheitsgrad.
Der Begriff „Unebenheitsgrad“ bezieht sich auf die in Längsrichtung zurückzulegende Länge entlang der Oberflächenprofile mit der Vielzahl von Erhebungen und Vertiefungen, also auf diejenigen Eigenschaften, die für eine verlängerte Ablegelänge verantwortlich sind.
Die Erhebungen und Vertiefungen des Oberflächenprofils können abwechselnd angeordnet sein. Das Oberflächenprofil ist beispielsweise wellenförmig ausgebildet, wobei die Welle entlang der Ablegefläche in Längsrichtung ausgebildet ist. Beispielsweise kann der erste Ablegebereich leicht gewellt sein und der zweite Ablegebereich kann an der zweiten Längsseite stark gewellt sein. Wichtig ist, dass die in Längsrichtung zurückzulegende Länge entlang der Oberflächenprofile im Ablegebereich der zweiten Längsseite länger ist als die zurückzulegende Länge entlang der Oberflächenprofile im ersten Ablegebereich.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der erste Ablegebereich entlang der Auslegefläche eben, und der zweite Ablegebereich weist wenigstens im Bereich der zweiten Längsseite eine in Relation zum ersten Ablegebereich verlängerte Ablegelänge in Form einer Wellenstruktur auf.
Statt einer Welle kann auch eine gewinkelte Struktur vorgesehen sein, wobei insbesondere bei Verwendung mit Kohlefasern abgerundete Übergänge vorgesehen sein können.
Die Oberflächenprofile können auch als profilierte Oberflächenstrukturen bezeichnet werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der erste Gelegebereich zuerst auf einer linearen Fläche ablegbar und der zweite Gelegebereich ist anschließend auf einer gekrümmten Fläche ablegbar.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel bildet die lineare Fläche einen Bogen und die gekrümmte Fläche schließt sich an einer Seite des Bogens an.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel schließt sich auf beiden Seite des Bogens eine gekrümmte Fläche an.
Beispielsweise ist eine Faserandrückvorrichtung vorgesehen, die eine Flexibilität aufweist, die mindestens so groß ist wie die Profiltiefen der ersten Werkzeugstruktur.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist eine zweite Werkzeugstruktur vorgesehen, die eine Formfläche aufweist, welche in einer Längsrichtung wenigstens eine Krümmung aufweist und im Querschnitt mit einem Formprofil mit unterschiedlichen Formprofilbereichen ausgebildet ist, die, bezogen auf die Krümmung, unterschiedliche Krümmungsradien aufweisen. Ein erster Formprofilbereich weist einen ersten Krümmungsradius, und wenigstens ein zweiter Formprofilbereich weist einen zweiten Krümmungsradius auf, der größer ist als der erste Krümmungsradius.
Die Ablegefläche der ersten Werkzeugstruktur kann eine erste Ablegefläche bilden und die Formfläche der zweiten Werkzeugstruktur kann eine zweite Ablegefläche bilden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der erste Formprofilbereich zum ersten Ablegen eines ersten Bereichs eines Geleges ausgebildet, und der zweite Formprofilbereich ist zum zweiten Ablegen eines zweiten Bereichs des Geleges ausgebildet.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist ein Kombinationswerkzeug vorgesehen, das eine anpassbare Werkzeugoberfläche aufweist, die in einem ersten Zustand die erste Werkzeugstruktur bildet, und die in einem zweiten Zustand die zweite Werkzeugstruktur bildet.
Das Kombinationswerkzeug kann für das Auslegen eines Geleges und das anschließende Umformen verwendet werden.
Zusätzlich kann das Kombinationswerkzeug auch zum Aushärten verwendet werden.
Zum Beispiel sind erste anpassbare Bereiche vorgesehen, die im ersten Zustand in einer ersten Position den ersten Ablegebereich bilden und in einem zweiten Zustand in einer zweiten Position den ersten Formprofilbereich bilden. Weiter können zweite anpassbare Bereiche vorgesehen sein, die im ersten Zustand in einer ersten Position den zweiten Ablegebereich bilden und im zweiten Zustand in einer zweiten Position den zweiten Formprofilbereich bilden.
Die anpassbare Werkzeugoberfläche kann im ersten Zustand und im zweiten Zustand die Krümmung in Längsrichtung des herzustellenden Profils aufweisen.
Beispielsweise kann ein Oberwerkzeug vorgesehen sein, welches zum Umformen eines auf der Formfläche angeordneten Geleges eine Umformkontur aufweist, die an das Formprofil der Formfläche angepasst ist und dessen Gegenstück bildet. Das Oberwerkzeug kann beispielsweise für die zweite Werkzeugstruktur, aber auch für die anpassbare Werkzeugoberfläche des Kombinationswerkzeugs vorgesehen sein.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist eine dritte Werkzeugstruktur vorgesehen, die zum Rollformen des Geleges eine Vielzahl von Rollenpaaren aufweist.
Die dritte Werkzeugstruktur kann beispielsweise zwischen der ersten und der zweiten Werkzeugstruktur vorgesehen sein, um beispielsweise das Gelege bereits etwas vorzuformen, sodass der Umformungsprozess mit der zweiten Werkzeugstruktur erleichtert ist. Das Vorformen mittels einer Rollformvorrichtung, d.h. der dritten Werkzeugstruktur, kann beispielsweise auch die Handhabung erleichtern, wenn zum Beispiel das quasi-flache Gelege aufgrund seiner Flexibilität eher durchhängt und deswegen z.B. beim Versetzen oder Transportieren an mehreren Stellen unterstützt werden müsste, wohingegen ein bereits vorgeformtes, d.h. angewinkeltes, Gelege bereits eine gewisse Stabilität aufweist und daher besser zu handhaben ist.
Die dritte Werkzeugstruktur kann auch nach der zweiten Werkzeugstruktur vorgesehen sein, wenn beispielsweise die Formfläche der zweiten Werkzeugstruktur die fertige Form des Strukturbauteils nur teilweise abbildet, um mittels der Rollformvorrichtung das durch die zweite Werkzeugstruktur vorgeformte Gelege in die endgültige Form zu bringen. Das Rollformen mit der dritten Werkzeugstruktur kann auch an Stelle der zweiten Werkzeugstruktur vorgesehen sein. Das Rollformen eignet sich insbesondere für komplexere Gesamtquerschnitte, beispielsweise Querschnitte mit einem Hinterschnitt.
Beispielsweise ist eine Aushärtevorrichtung zur Aushärtung eines Geleges aus Faserverbundmaterial vorgesehen. Beispielsweise kann ein Autoklav vorgesehen sein zur Druckerzeugung, und/oder ein Ofen für die Erwärmung, und/oder ein geschlossenes Werkzeug mit Mitteln zur Injektion von Matrixmaterial und eventuell auch mit Mitteln zum Erwärmen.
Um die Vorrichtung, das Gelege und das erstellte Strukturbauteil weiter zu erläutern, wird im folgenden auf die Herstellung eingegangen. Für die Herstellung eines wenigstens in einer Längsrichtung gekrümmten Werkstücks für ein Strukturbauteil aus einem Faserverbundwerkstoff ist vorgesehen: a) Ablegen von einer Vielzahl von Fasern auf einer ersten Werkzeugstruktur zum Erzeugen eines durchgehenden Geleges, wobei wenigstens ein Teil der Fasern in Längsrichtung verläuft. Die Fasern werden in wenigstens einem längsgerichteten Gelegebereich abgelegt, der eine erste und eine zweite Längsseite aufweist, wobei die Längsseiten mit unterschiedlichen Oberflächenprofilen ausgebildet werden, und wobei zwischen der ersten und der zweiten Längsseite ein Übergang gebildet wird, Für einen Abschnitt einer Längsseite werden die Fasern entlang der zweiten Längsseite mit einer größeren Länge abgelegt als die Fasern entlang der ersten Längsseite (zu dem Begriff „Abschnitt“ etc.: siehe oben).
In einem Beispiel werden die Fasern in längsgerichteten Gelegebereichen, die in Querrichtung nebeneinanderliegen und unterschiedliche Oberflächenprofilen aufweisen, in wenigstens einem ersten und wenigstens einem zweiten Gelegebereich abgelegt, wobei der wenigstens eine zweite Gelegebereich die erste und die zweite Längsseite aufweist und mit der ersten Längsseite an den wenigstens einen ersten Gelegebereich anschließt.
In Schritt a) kann ein Gelege mit einer Laminatstruktur als Laminat auf der ersten Werkzeugstruktur abgelegt werden.
Die Fasern werden, bezogen auf einen Abschnitt der Ablegefläche, wenigstens im Bereich der zweiten Längsseite des zweiten Ablegebereichs mit einer in Relation zum ersten Ablegebereich verlängerten Ablegelänge abgelegt.
Das Ablegen erfolgt beispielsweise mit einer Faserandrückvorrichtung. Die Faserandrückvorrichtung ist beispielsweise eine Faserandrückrolle.
In Schritt a) kann das Ablegen der Fasern vorzugsweise mit einer Faserlegevorrichtung (Advanced Fiber Placement, AFP) erfolgen.
Die Fasern in Schritt a) können als Prepreg verwendet werden, wobei der Begriff „Prepreg“ vorimprägnierte Fasern bezeichnet, d.h. ein Halbzeug, das aus Fasern und Matrixmaterial besteht, zum Beispiel ungehärtetes, duroplastisches Kunststoffmatrixmaterial. Die Fasern können in Schritt a) auch als Trockenmaterial verwendet werden, bei denen ein Binder zugegeben wird, oder bereits aufgebracht ist. In Schritt a) können die Fasern und ein Matrixmaterial in zumindest teilweise separaten Unterschritten, d.h. Teilschritten, aufgebracht werden.
Die Querverbindung der in Längsrichtung verlaufenden Fasern kann eine Vielzahl von quer verlaufenden Fasern aufweisen, zum Beispiel bezogen auf die Längsrichtung (0°-Richtung) in beispielsweise +45°, –45° und/oder 90°. Selbstverständlich können auch davon abweichende Winkelanordnungen vorgenommen werden.
Die Verbindung der in Längsrichtung verlaufenden Fasern ist vorzugsweise ein Matrixmaterial. Das Matrixmaterial kann Fasern aufweisen, die in aufgebrachtem Zustand wenigstens teilweise quer zur Längsrichtung verlaufen.
Es können mehrere Lagen Fasern aufgebracht werden, zum Beispiel mehrere Längs- und Querlagen.
Nach Schritt a) kann das Gelege zu Transport- oder Lagerzwecken auf einer Rolle aufgewickelt werden.
In einem Beispiel sind folgende Schritte vorgesehen: b) Umformen des Geleges in eine für das Strukturbauteil vorgesehene Querschnittsform; und c) Aushärten des Geleges.
Vor Schritt b) wird eine Querverbindung der in Längsrichtung verlaufenden Fasern vorgesehen.
Das Umformen in Schritt b) kann beispielsweise durch Formen mittels eines Vakuums erfolgen. Dazu wird eine Membran (z.B. Folie) über das Laminat gelegt und zum Werkzeug abgedichtet. Anschließend wird der entstandene Raum evakuiert, so dass das Laminat an das Werkzeug angedrückt wird. Zusätzlich können in dem Raum auch unterstützende Hilfsmittel das Andrücken verbessern (z.B. Druckstücke).
Das Umformen in Schritt b) kann auch durch Streckziehen gegen ein Positivwerkzeug (hier z. B. Oberwerkzeug) geschehen. Dabei wird das Gelege an den Enden gefasst und über die Form gezogen, so dass sich die Wellen entsprechend aus dem Gelege ziehen und ein gleichmäßiges Laminat entsteht.
Das Umformen in Schritt b) kann auch durch eine Presse mit Unter- und Oberwerkzeug oder andere formgebenden Flächen- oder Einzelelementen geschehen.
In einem Beispiel ist unabhängig vom Umformverfahren die erforderliche zusätzliche Länge der Fasern bereits im Gelege eingebracht, so dass trotz des Umformens ein spannungsfreier Zustand erreicht wird.
In einem Beispiel erfolgt das Umformen in Schritt b) durch Rollformen.
In einem Beispiel ist für das Umformen in Schritt b) Folgendes vorgesehen: Anordnen des Geleges auf einer zweiten Werkzeugstruktur, die in einer Längsrichtung wenigstens eine Krümmung aufweist und im Querschnitt mit einem Profil mit unterschiedlichen Profilbereichen ausgebildet ist, welche bezogen auf die Krümmung unterschiedliche Krümmungsradien aufweisen. Ein erster Profilbereich weist einen ersten Krümmungsradius und wenigstens ein zweiter Profilbereich weist einen zweiten Krümmungsradius auf, der größer ist als der erste Krümmungsradius. Außerdem ist ein Umformen des Geleges durch Anlegen des ersten Gelegebereichs an den ersten Profilbereich vorgesehen, und durch Anlegen des wenigstens einen zweiten Gelegebereichs an den wenigstens einen zweiten Profilbereich.
In einem Beispiel ist auch eine (nicht gezeigte) zweite Werkzeugstruktur vorgesehen, bei der nur der zweite Profilbereich ausgebildet ist.
Das Ablegen eines Bereichs kann auch das Ablegen auf einer Kante umfassen.
In Schritt b) kann auch eine Kombination von Rollformen und dem Auflegen auf ein Formwerkzeug vorgesehen sein.
In Schritt b) kann die Laminatstruktur auf der zweiten Werkzeugstruktur angeordnet werden.
Das Gelege kann für Schritt b) von einer Rolle abgewickelt werden, auf der es vorher als Halbzeug zwischengelagert oder transportiert worden ist.
Der Begriff „Längsrichtung“ bezeichnet beispielsweise eine Profilachse eines Stringers oder eines Spants für ein Luftfahrzeug. Bei diesen beiden Bauteilen kommt es in der Regel zu einer gekrümmten Ausführung aufgrund der üblicherweise im Querschnitt runden, ovalen oder zumindest abgerundeten Rumpfformen. Der Begriff „Längsrichtung“ bezieht sich auch auf die Profilachse eines umlaufenden Rahmenprofils, zum Beispiel eines Fenster- oder Türrahmenprofils eines Luftfahrzeugs.
Der Schritt b) kann ein Positionieren des Geleges über der zweiten Werkzeugstruktur und ein Ablegen des Geleges auf der zweiten Werkzeugstruktur umfassen.
Der Schritt b) kann auch durch eine Adaption der Auflagefläche eines Kombinationswerkzeugs herbeigeführt werden, bei dem sich die Oberfläche von einer Oberfläche mit den verschiedenen Ablegebereichen und deren Oberflächenprofilen in ein Formprofil für das Umformen umwandeln lässt.
Das anzufertigende Bauteil weist im Querschnitt ein Profil auf, das bezogen auf die Krümmung Profilbereiche mit unterschiedlichen Krümmungsradien aufweist.
Das Profil weist beispielsweise einen offenen Querschnitt auf, zum Beispiel ein L-Profil, Z-Profil, U-Profil oder C-Profil oder auch Omega-Profil, Hut-Profil etc. Außerdem kann das Profil auch einen geschlossenen Querschnitt aufweisen, wobei zunächst ein in der Ebene ausgelegtes Gelege mit den entsprechenden Oberflächenstrukturen ausgelegt wird, um das Gelege anschließend durch Umformen zu einem geschlossenen Profil umzuformen.
Aus einzelnen Profilen, für die jeweils ein separates Gelege vorgesehen ist, kann auch eine komplexere Profilstruktur zusammengesetzt werden, zum Beispiel nach dem Umformen der Gelege können mehrere Profile zu einer Struktur zusammengefügt werden, um dann anschließend den Aushärtevorgang durchzuführen, zum Beispiel um einen sogenannten LCF-Spant herzustellen, bei dem ein L-Profil mit einem C-Profil derart kombiniert wird, dass eine Art F-Struktur zur Verfügung gestellt wird.
Beispielsweise lassen sich auch gekrümmte T-Stringer herstellen, bei denen L-Profile zusammengesetzt werden. Beispielsweise kann ein T-Stringer im Steg auch ein sogenanntes Blade zwischen zwei L-Profilen aufweisen. Die L-Profile können zum Beispiel keinen geraden Bereich aufweisen, sondern nur eine sogenannte 0-Faser oben am Steg. Für das Blade kann dann als Halbzeug ein gerades, flaches Gelege ausgelegt werden, das mit einem welligen Seitenrand ausgebildet wird. Das Blade wird dann zwischen zwei L-Profilen angeordnet. Anschließend kann dann entweder das gesamte zusammengelegte Profil gebogen werden, oder jedes Einzel-L gebogen werden und dann zum T-Stringer zusammengesetzt werden.
In Schritt a) wird aufgrund der Oberflächenprofilierung, insbesondere des zweiten Ablegebereichs, derart eine Zugabe von Material in das Gelege eingebracht, dass das Gelege nach Schritt b) spannungsfrei ist.
In Schritt b) kann ein Werkzeugstrukturgegenstück auf die zweite Werkzeugstruktur aufgesetzt werden.
In einem Beispiel ist in Schritt a) die zweite Längsseite des Geleges wellenförmig hergestellt, und in Schritt b) wird die Wellenstruktur der zweiten Längsseite des zweiten Gelegebereichs geglättet.
Das Aushärten in Schritt c) kann in einem Autoklav erfolgen. Das Aushärten kann beispielsweise auch in einem Ofen erfolgen. Außerdem kann das Aushärten auch in einer geschlossenen Form, beziehungsweise einem geschlossenen Werkzeug erfolgen, bei dem z.B. eine Injektionsmöglichkeit für das Einspritzen von Matrixmaterial vorgesehen ist.
Gemäß einem zweiten Aspekt ist ein Gelege für ein Strukturbauteil aus einem Faserverbundwerkstoff vorgesehen, wobei das Gelege eine Vielzahl von Fasern aufweist, wobei wenigstens ein Teil der Fasern in Längsrichtung verläuft, und wobei eine Querverbindung der in Längsrichtung verlaufenden Fasern vorgesehen ist. Das Gelege weist wenigstens einen Gelegebereich auf, der mit einer ersten und einer zweiten Längsseite ausgebildet ist. Die Längsseiten sind mit unterschiedlichen Oberflächenprofilen ausgebildet, wobei zwischen der ersten und der zweiten Längsseite ein Übergang ausgebildet ist. Für einen Abschnitt einer Längsseite des Gelegebereichs ist eine in Längsrichtung auf den jeweiligen Oberflächenprofilen zurückzulegende Länge entlang der zweiten Längsseite länger als entlang der ersten Längsseite.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist das Gelege mit in Querrichtung nebeneinanderliegenden längsgerichteten Gelegebereichen mit unterschiedlichen Oberflächenprofilen ausgebildet. Wenigstens ein erster Gelegebereich und wenigstens ein zweiter Gelegebereich sind vorgesehen, wobei der wenigstens eine zweite Gelegebereich die erste und die zweite Längsseite aufweist. Der zweite Gelegebereich schließt mit der ersten Längsseite an den wenigstens ersten Gelegebereich an.
Bei der Querverbindung handelt es sich primär um eine Verbindung der in Längsrichtung verlaufenden Fasern für die anschließende Weiterverarbeitung. Bei der Querverbindung kann es sich beispielsweise um ein Matrixmaterial oder einen Binder zum temporären Fixieren handeln. Bei der Querverbindung kann es sich auch um bereits auf den Fasern angeordnetes Matrixmaterial handeln, die einen Zusammenhalt der Längsfasern bewirken, wie dies z.B. bei Prepregs der Fall ist. Als Querverbindung können auch quer verlaufende Fasern vorgesehen sein.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der erste Gelegebereich eben und der zweite Gelegebereich weist wenigstens im Bereich der zweiten Längsseite eine in Relation zum ersten Gelegebereich verlängerte Gelegeform in Form einer Wellenstruktur auf.
In einem Beispiel ist vorgesehen, dass das Gelege mit einem ersten Gelegebereich zunächst auf einem geraden Ablegebereich abgelegt wird. Danach wird ein oder zwei sich angrenzende Bereiche auf einen zweiten Ablegebereich abgelegt, bzw. umgeklappt. Der eine oder beide zweite Ablegebereiche weisen eine Krümmung auf. Für diese Krümmung weist das Gelege den Materialvorrat in Form der längeren Fasern auf, die z.B. durch den wellenförmigen Ablagebereich erzeugt wurden.
Bei dem Gelege handelt es sich um ein sozusagen quasi-flaches Halbzeug. Der zweite Gelegebereich weist in Relation zum ersten Gelegebereich wenigstens im Bereich der zweiten Längsseite für einen Abschnitt des Geleges eine verlängerte Ablegelänge auf. Die verlängerte Ablegelänge stellt eine vorgeformte Materialzugabe für eine spätere Umformung dar, um unterschiedliche Flächenausdehnungen zu ermöglichen.
Gemäß einem Aspekt ist das Gelege für einen Stringer, einen Spant, einen Fensterrahmen und/oder einen Türrahmen eines Luftfahrzeugs vorgesehen.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Strukturbauteil aus einem Faserverbundwerkstoff vorgesehen. Das Strukturbauteil weist eine erste Seitenfläche und eine zweite Seitenfläche und eine Oberseite auf. Das Strukturbauteil ist in Längsrichtung gekrümmt. Das Strukturbauteil ist durch Ablegen von einer Vielzahl von Fasern auf einer ersten Werkzeugstruktur zum Erzeugen eines durchgehenden Geleges hergestellt. Ferner verläuft wenigstens ein Teil der Fasern in Längsrichtung. Die Fasern sind in wenigstens einem längsgerichteten Gelegebereich abgelegt, der eine erste und eine zweite Längsseite aufweist. Die Längsseiten sind mit unterschiedlichen Oberflächenprofilen ausgebildet. Zwischen der ersten und der zweiten Längsseite ist ein Übergang gebildet. Für einen Abschnitt einer Längsseite sind die Fasern entlang der zweiten Längsseite mit einer größeren Länge abgelegt als die Fasern entlang der ersten Längsseite.
In einem Beispiel sind die Fasern des Strukturbauteils aus einem Faserverbundwerkstoff in längsgerichteten Gelegebereichen, die in Querrichtung nebeneinanderliegen und unterschiedliche Oberflächenprofilen aufweisen, in wenigstens einem ersten und wenigstens einem zweiten Gelegebereich abgelegt. Ferner weist der wenigstens eine zweite Gelegebereich die erste und die zweite Längsseite auf und schließt mit der ersten Längsseite an den wenigstens einen ersten Gelegebereich an.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Strukturbauteil weiter durch Umformen des Geleges in eine für das Strukturbauteil vorgesehene Querschnittsform und durch Aushärten des Geleges hergestellt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Strukturbauteil aus Faserverbundwerkstoff durch Rollformen hergestellt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Strukturbauteil aus einem Faserverbundwerkstoff beim Umformen durch Anordnen des Geleges auf einer zweiten Werkzeugstruktur, die in einer Längsrichtung wenigstens eine Krümmung aufweist und im Querschnitt mit einem Profil mit unterschiedlichen Profilbereichen ausgebildet ist, welche bezogen auf die Krümmung unterschiedliche Krümmungsradien aufweist, hergestellt. Ein erster Profilbereich der zweiten Werkzeugstruktur weist einen ersten Krümmungsradius und wenigstens ein zweiter Profilbereich der zweiten Werkzeugstruktur einen zweiten Krümmungsradius auf, der größer als der erste Krümmungsradius ist. Ferner ist das Strukturbauteil aus einem Faserverbundwerkstoff durch Umformen des Geleges durch Anlegen des ersten Gelegebereichs an den ersten Profilbereich und durch Anlegen des wenigstens einen zweiten Gelegebereichs an den wenigstens einen zweiten Profilbereich hergestellt.
In einem Beispiel ist das Strukturbauteil aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt, wobei die zweite Seite des hergestellten Geleges wellenförmig ist.
Ferner ist die Wellenstruktur der zweiten Längsseite durch Umformen mit der zweiten Wellenstruktur geglättet.
Gemäß einem Aspekt wird eine abwechselnd erhabene und abgesenkte Struktur, zum Beispiel eine Welle, auf einer ansonsten ebenen Platte als Zugabe dem Material beigefügt. Die damit verlängerte Gelegeform passt sich bei der anschließenden Umformung der gewünschten Struktur an. Die ins Ablegewerkzeug eingebrachte Struktur, die dem Gelege eine Zugabe des Materials ermöglicht, die in der späteren Verformung bzw. der Umformung ausgenutzt wird, ermöglicht die Herstellung eines verspannungsfreien Zustandes im fertigen Faserverbund. Beispielsweise kann das Gelege mit einer automatisierten Anlage in einem quasi-flachen Zustand mit hoher Geschwindigkeit hergestellt werden, wobei trotz der quasi-flachen Fertigung eine Umformung des Geleges in eine Stringer- oder Spant-Kontur, zum Beispiel, eigenspannungsarm möglich ist. Dies ergibt eine effiziente Fertigung zu einem eigenspannungsarmen Bauteil.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Merkmale der Ausführungsbeispiele und Aspekte der Vorrichtung auch für Ausführungsformen des Verfahrens, das Produkt des Verfahrens, sowie die Verwendung der Vorrichtung gelten und umgekehrt. Außerdem können auch diejenigen Merkmale frei miteinander kombiniert werden, bei denen dies nicht explizit erwähnt ist.
Nachfolgend wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher auf Ausführungsbeispiele eingegangen. Es zeigen:
1 ein Strukturbauteil aus einem Faserverbundwerkstoff, das in Längsrichtung eine Krümmung aufweist;
2 ein Ausführungsbeispiel für ein Gelege für das Strukturbauteil aus 1;
3 ein Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung für die Herstellung eines wenigstens in einer Längsrichtung gekrümmten Werkstücks für ein Strukturbauteil aus einem Faserverbundwerkstoff;
4A–4E ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine erste Werkzeugstruktur für die Herstellung eines Strukturbauteils im Zusammenhang mit verschiedenen Ausführungsschritten;
5A–5E ein Ausführungsbeispiel für eine zweite Werkzeugstruktur für die Herstellung eines Strukturbauteils, im Zusammenhang mit verschiedenen Ausführungsschritten;
6A–6B ein Ausführungsbeispiel für eine dritte Werkzeugstruktur zum Rollformen des Geleges in Zusammenhang mit einem weiteren Ausführungsschritt;
7 ein Ausführungsbeispiel für ein Kombinationswerkzeug mit einer anpassbaren Werkzeugoberfläche für eine Vorrichtung für die Herstellung eines in Längsrichtung gekrümmten Werkstücks für ein Strukturbauteil;
8 ein Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung mit einer Aushärtevorrichtung in verschiedenen Ausführungsvarianten;
9 ein Beispiel für ein Verfahren für die Herstellung eines wenigstens in einer Längsrichtung gekrümmten Werkstücks für ein Strukturbauteil aus einem Faserverbundwerkstoff;
10 u. 11 weitere Beispiele für Verfahren zur Herstellung eines gekrümmten Werkstücks aus Faserverbundwerkstoff;
12A–E ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung mit einer ersten Werkzeugstruktur zum Ablegen von Fasern;
13A–F ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine zweite Werkzeugstruktur zum Umformen eines Geleges und in Zusammenhang damit vorgesehene Ausführungsschritte;
14 ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine erste Werkzeugstruktur mit einem erzeugten quasi-flachen Gelege;
15 einen Ausschnitt aus 14;
16 eine weitere Darstellung der Werkzeugstruktur aus 14;
17 einen Ausschnitt aus 16;
18 eine fotorealistische Darstellung der Linienzeichnung aus 16; und
19 eine fotorealistische Darstellung der Linienzeichnung aus 17.
1 zeigt einen gekrümmten Stringer 10 als Beispiel für ein in einer Längsrichtung gekrümmtes Strukturbauteil aus einem Faserverbundwerkstoff. Wie an dem vorderen linken Ende zu sehen ist, weist der Stringer 10 ein hutförmiges Querschnittsprofil 12 auf, bei dem ein mittlerer Anlegebereich 14 und zwei seitliche Flanschbereiche 16 ausgebildet sind. Ausgehend von einem gedachten Mittelpunkt 18 weist der mittlere Ablegebereich 14 einen ersten Radius r₁ auf, und die beiden äußeren Flansche 16 weisen einen zweiten Radius r₂ auf. Selbstverständlich sind die Radien auf den jeweiligen Krümmungsbereich bezogen, d.h. der gedachte Mittelpunkt 18 kann bei unterschiedlichen Krümmungsradien entlang des Profils an einer anderen Stelle auch eine andere Position einnehmen.
Der Radius des mittleren Bereichs 14, der einen Obergurt darstellt, ist kleiner als der Radius der Flanschbereiche 16, die einen Untergurt darstellen. Daraus folgt ein Längenunterschied zwischen dem Obergurt und dem Untergurt. Der Stringer 10 weist beispielsweise einen Faserverbundwerkstoff auf, auf welchen im Folgenden noch näher eingegangen wird. Um einen möglichst tragfähigen, d.h. belastbaren, Stringer zur Verfügung zu stellen, sind insbesondere in den Obergurt- und Untergurtbereichen längsgerichtete Fasern vorgesehen. Aus dem Längenunterschied folgt, dass die Fasern im Obergurt bezogen auf einen Stringerabschnitt kürzer sind als im Untergurt. Zur Verdeutlichung der Längenunterschiede ist in 1 eine erste Länge L1 mit ersten gestrichelten Pfeilen 20 angedeutet, und eine dazu korrespondierende längere Länge L2 mit einem zweiten gestricheltem Pfeilsymbolik 22. Die unterschiedlichen Längen beziehen sich dabei auf die von dem Obergurt beziehungsweise Untergurt tatsächlich abgebildeten Objektlängen, d.h. eine Länge entlang des Ober- beziehungsweise Untergurts.
Als Fasern kommen insbesondere Karbonfasern, Aramidfasern und Glasfasern zum Einsatz, wobei jedoch auch andere Fasern vorgesehen sein können, die in der Lage sind, Zugkräfte zu übertragen und mit einem Matrixmaterial einen Faserverbundwerkstoff zu bilden.
Zur Herstellung des Stringers 10 aus 1 ist ein Gelege 24 vorgesehen, das in 2 gezeigt ist und im Folgenden erläutert werden soll. Auf die einzelnen Verfahrensschritte und die dazu vorgesehenen Vorrichtungen wird in den darauf folgenden Figuren näher eingegangen.
Bei dem Gelege 24 handelt es sich um ein Gelege für ein in wenigstens einer Längsrichtung gekrümmtes Strukturbauteil aus einem Faserverbundwerkstoff. Das Gelege weist eine Vielzahl von Fasern 26 auf, von denen wenigstens ein Teil in Längsrichtung verläuft (die Fasern sind in 2 nicht näher dargestellt). Außerdem nicht gezeigt, ist eine Querverbindung der in Längsrichtung verlaufenden Fasern vorgesehen, die einen zumindest temporären Halt der längsgerichteten Fasern gewährleistet. Das Gelege 24 weist in Querrichtung nebeneinander liegende, längsgerichtete Gelegebereiche 28 mit unterschiedlichen Oberflächenprofilen auf. Dabei ist wenigstens ein erster Gelegebereich 30 und wenigstens ein zweiter Gelegebereich 32 vorgesehen, wobei der wenigstens eine zweite Gelegebereich 32 eine erste Längsseite 34 und eine zweite Längsseite 36 aufweist und mit der ersten Längsseite 34 an den wenigstens einen ersten Gelegebereich 30 anschließt.
Der zweite Gelegebereich 32 weist außerdem einen Übergang 38 zwischen der ersten Längsseite 34 und der zweiten Längsseite 36 auf.
In 2 ist das Gelege 24 mit einem in der Mitte angeordneten ersten Gelegebereich 30 und zwei jeweils seitlich davon vorgesehenen zweiten Gelegebereichen 32 ausgebildet. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass auch weitere, zum Beispiel dritte Gelegebereiche vorgesehen sein können, sowie unterschiedliche Kombinationen von verschiedenen Gelegebereichen.
Es ist vorgesehen, dass für einen Abschnitt 40 des Geleges 24 eine in Längsrichtung zurückzulegende Länge L auf den jeweiligen Oberflächenprofilen entlang der zweiten Längsseite 36 länger ist als entlang der ersten Längsseite 34. Der besseren Übersichtlichkeit halber ist in 2 eine erste Länge 42 entlang der ersten Längsseite 34 neben dem Gelege 24 eingezeichnet und eine zweite Länge 44 entlang der zweiten Längsseite 36 im Vergleich dazu ebenfalls daneben eingezeichnet.
Wenn beispielsweise die zweite Längsseite 36 eine Wellenstruktur aufweist, die mittels des Übergangs 38 derart abflacht in Richtung der ersten Längsseite 34, dass dort eine Gerade ausgebildet ist, so weist die Länge entlang der zweiten Längsseite 36 aufgrund der Wellenstruktur eine zumindest geringfügig längere Strecke auf und damit weisen auch die dort vorhandenen, beziehungsweise dort abgelegten Längsfasern eine größere Länge auf.
Damit ist ein quasi-flaches Gelege zur Verfügung gestellt, bei dem bereits eine Krümmung des fertigen Bauteils derart berücksichtigt ist, dass das Gelege in die gekrümmte Bauteilform gebracht werden kann, ohne dass es zu Spannungen kommt, d.h. das Gelege kann spannungsfrei umgeformt werden, was im Folgenden näher beschrieben wird. Das Gelege 24 ist also ein quasi-flaches Halbzeug, bei dem wenigstens im Bereich der zweiten Längsseite 36 eine verlängerte Ablegelänge, d.h. eine vorgeformte Materialzugabe für eine spätere Umformung vorgesehen ist.
Bei dem Gelege 24 kann auch ein Gelegebereich vorgesehen sein, der mit der ersten 34 und der zweiten Längsseite 36 ausgebildet ist, wobei die Längsseiten mit unterschiedlichen Oberflächenprofilen ausgebildet sind, und wobei zwischen der ersten und der zweiten Längsseite der Übergang ausgebildet ist. Für einen Abschnitt 40 einer Längsseite des Gelegebereichs ist eine in Längsrichtung auf den jeweiligen Oberflächenprofilen zurückzulegende Länge 42, 44 entlang der zweiten Längsseite länger ist als entlang der ersten Längsseite. Mit anderen Worten, das Gelege 24 nach 2 kann auch ohne den ersten Gelegebereich ausgebildet sein.
In 3 ist eine Vorrichtung 46 für die Herstellung eines wenigstens in einer Längsrichtung gekrümmten Werkstücks für ein Strukturbauteil aus einem Faserverbundwerkstoff vorgesehen, die mit einer ersten Werkzeugstruktur 48 ausgebildet ist. Die Werkzeugstruktur 48 weist zum Ablegen von Fasern zum Erzeugen eines Geleges, beispielsweise des Geleges 24 aus 2, eine Ablegefläche 50 auf, welche mit in Querrichtung nebeneinander liegenden längsgerichteten Ablegebereichen 52 mit unterschiedlichen Oberflächenprofilen ausgebildet ist. Dabei sind wenigstens ein erster Ablegebereich 54 und ein zweiter Ablegebereich 56 vorgesehen, wobei der zweite Ablegebereich 56 eine erste Längsseite 58 aufweist und eine zweite Längsseite 60. Der zweite Ablegebereich 56 schließt mit der ersten Längsseite 58 an den ersten Ablegebereich 54 an. Zwischen der ersten und der zweiten Längsseite 58, 60 ist ein Übergang 62 ausgebildet. Für einen Abschnitt 64 der Ablegefläche ist eine in Längsrichtung auf den jeweiligen Oberflächenprofilen zurückzulegende Länge entlang der zweiten Längsseite 60 länger als entlang der ersten Längsseite 58. Dazu ist eine erste Strecke 66 entlang der ersten Längsseite 58 und eine zweite Strecke 68 entlang der zweiten Längsseite 60 eingetragen.
Die Vorrichtung 46 kann auch nur einen längsgerichteten Ablegebereich aufweisen, der mit der einen ersten 58 und der einen zweiten Längsseite 60 ausgebildet ist. Wie in 3 gezeigt, sind die Längsseiten mit unterschiedlichen Oberflächenprofilen ausgebildet und zwischen der ersten und der zweiten Längsseite ist ein Übergang 62 ausgebildet. Für einen Abschnitt einer Längsseite des Ablegebereichs ist eine in Längsrichtung auf den jeweiligen Oberflächenprofilen zurückzulegende Länge entlang der zweiten Längsseite länger ist als entlang der ersten Längsseite. Mit anderen Worten, die Vorrichtung 46 nach 3 kann auch ohne die erste Ablegefläche 48 ausgebildet werden.
In 3 ist die Ablegefläche 50 entlang einer ebenen Fläche 70 ausgebildet.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel (nicht gezeigt) ist die Ablegefläche entlang einer gekrümmten Fläche ausgebildet, d.h. die erste Werkzeugstruktur 48 weist insgesamt eine Krümmung auf, entlang welcher die unterschiedlichen Oberflächenprofile ausgebildet sind.
Wie in 3 angedeutet ist, weist der zweite Ablegebereich 56 eine von der ersten Längsseite 58 zur zweiten Längsseite 60 hin zunehmende Oberflächenprofilierung auf, d.h. zum Beispiel bei einer Wellenstruktur nimmt die Wellenamplitude von der ersten Längsseite, wo sie in dem gezeigten Ausführungsbeispiel beispielsweise beim Anschluss an den ersten Bereich keine Amplitude aufweist, in Richtung der zweiten Längsseite derart zu, dass dort ein maximaler Ausschlag, und damit eine maximale Strecke auf der Oberfläche bezogen auf einen (senkrecht projektierten) Abschnitt der Ablegefläche, vorliegt.
Mit anderen Worten, in Relation zum ersten Ablegebereich wird zumindest im Bereich der zweiten Längsseite des zweiten Ablegebereichs eine verlängerte Ablegelänge zur Verfügung gestellt.
Neben den gezeigten zwei Ablegebereichen können auch eine Vielzahl von Ablegebereichen vorgesehen sein, die mit unterschiedlichen Profilierungen ausgebildet sind, beispielsweise auch ein dritter Ablegebereich mit einer bezogen auf die Querrichtung gleichbleibenden Profilierung, was in einem der folgenden Beispiele näher erläutert wird.
Wie in 3 gezeigt, kann der erste Ablegebereich entlang der Auslegefläche eben sein, was mit Bezugszeichen 72 angedeutet ist, und die zweite Längsseite des zweiten Ablegebereichs kann eine Wellenstruktur 74 aufweisen.
Statt einer Welle kann auch eine polygonale, beispielsweise gewinkelte Struktur vorgesehen sein, wobei insbesondere bei Verwendung mit Kohlefasern abgerundete Übergänge vorgesehen sein können zwischen den einzelnen geraden Strecken.
In 4A–4E wird schematisch die Herstellung eines Geleges, beispielsweise des Geleges 24 aus 2 gezeigt. 4A zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine erste Werkzeugstruktur 48, bei der ein erster Ablegebereich 54 und zwei sich daran seitlich anschließende zweite Ablegebereiche 56 vorgesehen sind. Die beiden zweiten Ablegebereiche 56 weisen jeweils am Rand eine Wellenstruktur auf, um dort eine verlängerte Ablegelänge zur Verfügung zu stellen. In 4A ist nur die erste Werkzeugstruktur 48 gezeigt, wohingegen in 4B schematisch angedeutet ist, wie mit einer Faserandrückvorrichtung 76 eine Vielzahl von längsgerichteten Fasern 78 auf die Ablegefläche 50 der ersten Werkzeugstruktur 48 abgelegt werden. Dies kann beispielsweise mit einer Faserlegevorrichtung (Advanced Fiber Placement, AFP) erfolgen, bei der eine Vielzahl von einzelnen Rollen zur Aufnahme von den abzurollenden Fasern vorgesehen sind. Hierbei können diejenigen Fasern, die eine gleiche Länge aufweisen, beispielsweise die Fasern für den ersten Ablegebereich 54, auf einer gemeinsamen Rolle nebeneinander aufgerollt sein, was ebenfalls für einen nicht gezeigten dritten Bereich gilt, bei dem eine über die Querrichtung gleichbleibende Wellenstruktur vorgesehen ist, d.h. auch hier werden Fasern mit gleicher Länge abgerollt, wenn auch mit einer im Vergleich zur im ersten Ablegebereich 54 größeren Länge. Im Anschluss an die Aufbringung, beziehungsweise das Ablegen der längsgerichteten Fasern kann in einem weiteren Schritt eine beispielsweise in 45° zu den längsgerichteten Fasern ausgebildete zweite Faserlage 80 aufgebracht werden, was in 4C dargestellt ist. Darüber hinaus kann auch eine Lage quergerichteter Fasern 82 aufgebracht werden, was 4D dargestellt ist. Anschließend kann das so erzeugte Gelege, beispielsweise das Gelege 24 von der ersten Werkzeugstruktur 48 herausgenommen werden, was in 4E gezeigt ist.
In 5A ist eine zweite Werkzeugstruktur 84 gezeigt, die eine Formfläche 86 aufweist, welche in einer Längsrichtung wenigstens eine Krümmung aufweist und im Querschnitt mit einem Formprofil 88 mit unterschiedlichen Formprofilbereichen 90 ausgebildet ist, die bezogen auf die Krümmung unterschiedliche Krümmungsradien aufweisen. Das Formprofil 88 ist in 5A in einer vergrößerten Darstellung rechts unterhalb der zweiten Werkzeugstruktur 84 gezeigt. Dabei ist wenigstens ein erster Formprofilbereich 92 vorgesehen und wenigstens ein zweiter Formprofilbereich 94. Wie in Zusammenhang mit 1 erläutert, und auch in 5A schematisch mit einem Mittelpunkt 96 dargestellt ist, weist der erste Formprofilbereich 92 einen ersten Krümmungsradius 98 auf und der zweite Formprofilbereich 94 einen zweiten Krümmungsradius 100, wobei der zweite Krümmungsradius 100 größer als der erste Krümmungsradius 98 ist. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass der zweite Formprofilbereich 94 über die Fläche bezogen verschiedene Krümmungsradien aufweist. Das Formprofil 88 weist darüber hinaus noch einen dritten Formprofilbereich 102 auf, der ebenfalls einen anderen, d.h. größeren, Krümmungsradius als der erste Formprofilbereich 92 aufweist. Außerdem sind auf der anderen Seite des ersten Formprofilbereichs 92 ebenfalls ein weiterer zweiter Formprofilbereich 94 und ein weiterer dritter Formprofilbereich 102 vorgesehen. In 5A ist das Gelege 24 oberhalb der zweiten Werkzeugstruktur 82 angeordnet und in 5B ist das Gelege 24 bereits auf dem Formprofil 88 zumindest teilweise aufgelegt. Zum Umformen des Geleges 24 kann ein Oberwerkzeug 104 vorgesehen sein, das in 5C dargestellt ist, welches zum Umformen des auf der Formfläche 86 angeordneten Geleges 24 eine Umformkontur 106 aufweist, die an das Formprofil 88 der Formfläche angepasst ist und sozusagen dessen Gegenstück bildet. In 5D ist gezeigt, wie das Oberwerkzeug 104 vollständig auf der zweiten Werkzeugstruktur 84 aufgesetzt ist, um das darunter befindliche Gelege 24 umzuformen.
Anschließend kann das Oberwerkzeug 104 entnommen werden, und das Gelege 24 kann in seiner endgültigen Form ausgehärtet werden. Dabei kann beispielsweise auch das Oberwerkzeug während des Aushärtens noch auf dem Gelege 24 angeordnet bleiben. In 5E ist als Ergebnis des Aushärtens des Geleges 24 der Stringer 10 als Beispiel gezeigt.
In 5A–5E ist ausgehend von dem fertigen Gelege, beispielsweise einem Laminat, mit einer definierten Wellenstruktur zunächst ein Ablegen des Laminats und gleichzeitiges Krümmen des Laminats vorgesehen, ohne dass dabei die Wellenform verändert wird. Erst während des Umformens des Laminats, beziehungsweise Geleges, zur Stringerform werden die Wellen durch die Längung des Laminats geglättet, da die seitlichen Bereiche sozusagen derart nach unten geklappt werden, dass sie an ihren Randbereichen eine größere Länge, aufgrund des größeren Durchmessers, aufweisen, sodass dort die Wellenform verschwindet. Anschließend kann dann die Aushärtung vorgenommen werden, beispielsweise in einem Autoklaven.
In 6A ist eine dritte Werkzeugstruktur 108 gezeigt, die eine Vielzahl von schematisch angedeuteten Rollenpaaren 110 aufweist. Die Rollenpaare 110 können ein Umformen eines Geleges, beispielsweise des Geleges 24, in einem kontinuierlichen Prozess vornehmen. Dabei kann das Umformen als vorbereitende Maßnahme zum anschließenden Auflegen auf die in 5A folgende gezeigte Werkzeugstruktur 84 vorgesehen sein, oder auch als Umformungsprozess anstelle des Umformens der in 5A–5E gezeigten Ausführungsschritte.
Beispielsweise kann ein Rollformen vorgesehen sein und ein anschließendes Auflegen auf die zweite Werkzeugstruktur 84, wie dies in 6B angedeutet ist, wobei die zweite Werkzeugstruktur dann lediglich zum Aushärten vorgesehen ist.
In 7 ist ein Kombinationswerkzeug 112 gezeigt, welches eine anpassbare Werkzeugoberfläche 114 aufweist, die in einem ersten Zustand die erste Werkzeugstruktur bildet, und die in einem zweiten Zustand die zweite Werkzeugstruktur bildet. Das Kombinationswerkzeug 112 dient also einerseits dem Auslegen und andererseits auch dem Umformen. Zusätzlich kann es auch für das Aushärten verwendet werden. Rechts unterhalb des Kombinationswerkzeugs 112 ist schematisch in einem Schnitt gezeigt, wie das Kombinationswerkzeug mit der anpassbaren Werkzeugoberfläche 114 die erste Werkzeugstruktur abbilden kann, sowie darunter auf der Zeichnungsseite die zweite Werkzeugstruktur. In der oberen der beiden schematischen Schnittdarstellungen sind erste anpassbare Bereiche 116 vorgesehen, die im ersten Zustand in einer ersten Position den ersten Ablegebereich bilden und im zweiten Zustand, in der darunter befindlichen zweiten Schnittdarstellung gezeigt, den ersten Formprofilbereich bilden. Außerdem sind zweite anpassbare Bereiche 118 vorgesehen, die im ersten Zustand, d.h. in der oberen der beiden Schnittdarstellungen, in einer ersten Position den zweiten Ablegebereich bilden und im zweiten Zustand in einer zweiten Position (gezeigt in der unteren Schnittdarstellung) den zweiten Formprofilbereich.
Außerdem sind auch noch dritte anpassbare Bereiche 120 gezeigt, die im ersten Zustand dritte Ablegebereiche bilden und im zweiten Zustand dritte Formprofilbereiche. In der oberen Schnittdarstellung ist durch gestrichelte Linien 122, 124 angedeutet, dass die zweiten, beziehungsweise dritten anpassbaren Bereiche 118, 120 unterschiedliche Positionen einnehmen können, um die bereits oberhalb ausführlich dargestellte Profilstruktur, insbesondere entlang des zweiten Randes abzubilden. Dazu können Aktuatoren vorgesehen sein, was mit Doppelpfeilsymbolen 126 schematisch angedeutet ist. Selbstverständlich kann statt der gezeigten unterschiedlichen anpassbaren Bereiche auch eine andere Konfiguration vorgesehen sein. In der oberen Schnittdarstellung ist lediglich die anpassbare Werkzeugoberfläche 114 dargestellt, wohingegen in der unteren Schnittdarstellung zusätzlich, wenn auch mit geringem Abstand zur besseren Lesbarkeit dargestellt, die bereits umgeformte Laminatstruktur mit einer Linie 128 schematisch angedeutet ist. Die anpassbare Werkzeugoberfläche 114 kann im ersten Zustand und im zweiten Zustand die Krümmung in Längsrichtung aufweisen, wie dies in 7 gezeigt ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die anpassbare Werkzeugoberfläche 114 auch auf einem anpassbaren Unterbau vorgesehen sein, der gewährleistet, dass im ersten Zustand eine quasi-ebene Fläche zur Verfügung gestellt ist, um das Gelege einfacher ausbringen zu können, um dann in den gekrümmten Zustand überzugehen, von wo aus dann das seitliche Abklappen des Geleges erfolgen kann, um das Umformen des Geleges herbeizuführen.
Das Umformen kann auf dem Kombinationswerkzeug 112 mit einem aufgelegten Oberwerkzeug erfolgen. Zusätzlich oder alternativ kann auch eine Umformrollvorrichtung vorgesehen sein, um das Umformen zu erzeugen, welche ebenfalls für die in den vorhergehenden Figuren gezeigte zweite Werkzeugstruktur angewendet werden kann.
In 8 ist die Vorrichtung 46 zusammen mit der ersten Werkzeugstruktur 48 gezeigt. Zusätzlich ist eine Aushärtevorrichtung 130 vorgesehen zur Aushärtung eines Geleges aus Faserverbundmaterial. Beispielsweise kann die Aushärtevorrichtung 130 ein Autoklav sein, und/oder ein Ofen für die Erwärmung des Geleges, beziehungsweise des Laminats.
In 8 ist außerdem auch angedeutet, dass es sich bei der Aushärtevorrichtung 130 um ein geschlossenes Werkzeug 132 handeln kann, bei dem beispielsweise eine Injektion von Matrixmaterial und ein Erwärmen zum Aushärten vorgesehen sein können. Das geschlossene Werkzeug kann auf die zweite Werkzeugstruktur 84 beispielsweise aufgesetzt werden, was mit einem Pfeil 134 angedeutet ist.
In 9 ist schematisch ein Verfahren 200 für die Herstellung eines wenigstens in einer Längsrichtung gekrümmten Werkstücks für ein Strukturbauteil aus einem Faserverbundwerkstoff dargestellt. In einem Ablegeschritt 210 erfolgt ein Ablegen von einer Vielzahl von Fasern auf einer ersten Werkzeugstruktur zum Erzeugen eines durchgehenden Geleges, wobei wenigstens ein Teil der Fasern in Längsrichtung verläuft. Dabei werden die Fasern in längsgerichteten Gelegebereichen abgelegt, die in Querrichtung nebeneinander liegen und unterschiedliche Oberflächenprofile aufweisen. Dabei werden die Fasern in wenigstens einem ersten Gelegebereich abgelegt, was mit Bezugszeichen 212 angedeutet ist. Außerdem werden die Fasern auch in wenigstens einem zweiten Gelegebereich abgelegt, was mit Bezugszeichen 214 angedeutet ist. Das Ablegen der Fasern erfolgt dabei vorzugsweise gleichzeitig in den unterschiedlichen Gelegebereichen, was mit einem umlaufenden Rahmen 216 in gestrichelter Linie angedeutet ist. Der wenigstens eine zweite Gelegebereich weist eine erste und eine zweite Längsseite auf und schließt mit der ersten Längsseite an den wenigstens einen ersten Gelegebereich an, wobei zwischen der ersten und der zweiten Längsseite während des Ablegens der Fasern ein Übergang gebildet wird. Für einen Abschnitt des Geleges werden die Fasern entlang der zweiten Längsseite mit einer größeren Länge abgelegt als die Fasern entlang der ersten Längsseite.
Bei dem Verfahren 200 kann auch vorgesehen sein, dass die Fasern in wenigstens einem längsgerichteten Gelegebereich 214 abgelegt werden 210, wobei der Gelegebereich die erste und die zweite Längsseite aufweist und zwischen der ersten und der zweiten Längsseite der Übergang gebildet wird. Wie in 9 gezeigt, werden die Fasern für einen Abschnitt einer Längsseite entlang der zweiten Längsseite mit einer größeren Länge abgelegt als die Fasern entlang der ersten Längsseite. Mit anderen Worten, das Verfahren 200 nach 9 kann auch ohne das Ablegen der Fasern in dem ersten Gelegebereich ausgeführt werden.
Das Ablegen der Fasern kann beispielsweise mit einer Faserandrückvorrichtung erfolgen.
Beim Ablegen der längsgerichteten Fasern wird gleichzeitig auch eine Querverbindung der in Längsrichtung verlaufenden Fasern vorgesehen, wozu beispielsweise die Längsfasern als Prepreg verwendet werden können, bei denen die Fasern derart vorimprägniert sind, dass sie in dem nebeneinander ausgelegten Zustand für eine spätere Handhabung aneinander haften, beziehungsweise miteinander verbunden sind.
Die Fasern können auch als Trockenmaterial verwendet werden, wobei ein Binder während des Aufbringens zugegeben werden kann, beziehungsweise auch bereits aufgebracht sein kann.
Nach dem Auslegen des Geleges kann das Gelege zu Transport- oder Lagerzwecken auf einer Rolle aufgewickelt werden, da es sich um ein quasi-flaches Gelege handelt.
Wie in 10 gezeigt ist, ist gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass im Anschluss an das Auslegen ein Umformen 218 des Geleges in eine für das Strukturbauteil vorgesehene Querschnittsform 220 vorgesehen. Anschließend kann ein Aushärten 224 des Geleges erfolgen.
Das Auslegen 210 mit den oberhalb beschriebenen unterschiedlichen Längen wird auch als Schritt a) bezeichnet, das Umformen 218 als Schritt b) und das Aushärten 224 als Schritt c).
Beispielsweise kann das Umformen in Schritt b) durch Rollformen erfolgen.
In 11 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem für das Umformen in Schritt b) vorgesehen ist, dass das Gelege auf einer zweiten Werkzeugstruktur angeordnet wird, was mit Bezugszeichen 226 angedeutet ist. Die Werkzeugstruktur weist in einer Längsrichtung wenigstens eine Krümmung auf und ist im Querschnitt mit einem Profil in unterschiedlichen Profilbereichen ausgebildet, welche bezogen auf die Krümmung unterschiedliche Krümmungsradien aufweisen. Ein erster Profilbereich weist einen ersten Krümmungsradius auf und ein zweiter Profilbereich weist einen zweiten Krümmungsradius auf, der größer als der erste Krümmungsradius ist. Anschließend ist ein Umformen 228 des Geleges durch ein erstes Anlegen 230 des ersten Gelegebereichs an den ersten Profilbereich und durch ein zweites Anlegen 230 des wenigstens einen zweiten Gelegebereichs an den wenigstens einen zweiten Profilbereich vorgesehen. Anschließend kann dann ein Aushärten vorgesehen sein, was mit dem nach unten gerichteten Pfeil 234 angedeutet ist.
Gemäß einem weiteren (nicht gezeigten) Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass das Gelege für den Schritt b) von einer Rolle abgewickelt wird, auf der es vorher als Halbzeug zwischengelagert oder transportiert worden ist.
In 12A–12E ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für einzelne Schritte für das Anfertigen eines Geleges gezeigt, wobei 12A die erste Werkzeugstruktur 48 zeigt, bei der der erste Ablegebereich 54 rechts angeordnet ist, gefolgt von dem zweiten Ablegebereich 56, an den sich ein dritter Ablegebereich 136, gefolgt von einem vierten Ablegebereich 138 anschließt. Der erste Ablegebereich 54 weist eine ebene Oberfläche auf, der zweite Ablegebereich 56 weist eine vom ersten zum dritten Ablegebereich hin zunehmende Oberflächenprofilierung auf, d.h. er beginnt am Rand zum ersten Bereich mit einer Geraden, und entwickelt sich zu einer Wellenform am gegenüberliegenden Rand. Der dritte Ablegebereich 136 weist eine über die Breite kontinuierliche, d.h. eine sich nicht verändernde Wellenstruktur auf, während der vierte Ablegebereich 138 eine von der Wellenstruktur des dritten Ablegebereichs 136 ausgehende Wellenform aufweist, die in einen ebenen Rand übergeht. In 12B ist gezeigt, wie längsgerichtete Fasern im Bereich des ersten Ablegebereichs, des zweiten Ablegebereichs und des dritten Ablegebereichs ausgebracht werden. In 12C ist schematisch angedeutet, dass anschließend in 45°-Richtung verlaufende Faserlagen aufgebracht werden, und in 12D werden quer verlaufende Fasern zusätzlich aufgebracht.
Selbstverständlich können auch andere zusätzliche Lagen aufgebracht werden, oder es können auch die 45°-Lagen, beziehungsweise 90°-Lagen komplett weggelassen werden, wenn beispielsweise ein Bindermaterial vorgesehen ist, das für den nötigen Querverbund sorgt.
In 12E ist schließlich ein quasi-flaches Gelege 140 dargestellt, das in unterschiedlichen Bereichen unterschiedliche Wellenstrukturen aufweist. Das Gelege 140 kann anschließen beispielsweise in einzelne kleinere Zuschnitte unterteilt werden, aus denen sich beispielsweise eine Spant-Kupplung herstellen lässt, was anhand der 13A–13F schematisch erläutert werden soll.
In 13A ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine zweite Werkzeugstruktur, angedeutet mit Bezugszeichen 142 dargestellt. In 13B ist das Gelege, beziehungsweise Laminat 114 an der zweiten Werkzeugstruktur 142 angelegt, um anschließend an die Form der zweiten Werkzeugstruktur angepresst zu werden, wobei die Wellen ausgestrichen werden, was in 12C im Ergebnis gezeigt ist. Anschließend kann ein sogenanntes Caulplate, d.h. eine dazu passende Form eines Oberwerkzeugs 144, zur Kompaktierung bzw. Komprimierung aufgesetzt werden, was in 13D angedeutet ist. Anschließend erfolgt das in 13E gezeigte Aushärten, beispielsweise in einem Autoklaven. In 13F ist als Ergebnis eine fertige Spant-Kupplung 146 dargestellt.
Gemäß einem weiteren Beispiel (nicht gezeigt) ist das Gelege für einen Stringer, einen Spant, einen Fensterrahmen und/oder einen Türrahmen eines Luftfahrzeugs vorgesehen.
In 14 ist schließlich eine weitere Ausführungsform einer ersten Werkzeugstruktur 148 gezeigt, bei der unterschiedliche Oberflächenstrukturen 150 ausgeprägt sind. Beispielsweise weist ein erster, im Bild sozusagen vorne liegender Bereich 152 eine ebene Oberfläche auf, an die sich ein schmaler weiterer Streifen mit einer zunehmenden Wellenstruktur 154 anschließt, gefolgt von einem dritten Bereich 156, mit einer ebenfalls weiter zunehmenden Wellenstruktur. Zwischen der ebenen Oberfläche und der Wellenstruktur des dritten Bereichs ist also ein Übergangsbereich ausgebildet, bei dem ein Übergang von glatt zu wellig erfolgt. Anschließend ist ein vierter Bereich 158 vorgesehen, der eine gleichmäßige Wellenstruktur aufweist, gefolgt von einem fünften Bereich 160, der eine wiederum zunehmende Oberflächenstruktur, d.h. zunehmende Wellenstruktur aufweist. Die unterschiedlichen Bereiche sind bereits mit einer Lage Fasern, insbesondere längsverlaufender Fasern belegt, wobei der erste Bereich und der letzte Bereich nur teilweise belegt sind, was durch eine Schraffur 162 angedeutet ist.
In 15 ist ein Ausschnitt aus 14 dargestellt. Wie deutlich zu sehen ist, weist die Ablegefläche im vorderen Bereich einen geraden, d.h. ebenen bzw. glatten Flächenbereich 164 auf, in dem ein glatter Gelegebereich 166 ausgebildet ist. Der Bereich zum Ablegen der Fasern kann dabei größer, d.h. breiter sein, so dass nur ein Teil 168 mit Fasermaterial belegt wird. Daran schließt sich ein Übergangsbereich 170 an, auf den bereits oberhalb hingewiesen worden ist, um z.B. einen gleichmäßigen Übergang von der glatten Struktur zur welligen Struktur zur Verfügung zu stellen. Auf den Übergangsbereich 170 folgt beispielsweise der dritte Bereich 156, der wiederum eine zunehmende Wellenstruktur aufweisen kann, der aber auch gleichmäßig wellig ausgebildet sein kann.
Der Übergangsbereich 170, bzw. auch andere Übergangsbereiche, können statt eines gleichmäßigen Übergangs auch einen stark zunehmenden Übergangskoeffizienten aufweisen, oder auch einen zur welligen Struktur hin sich verringernden Grad des Übergangs. Neben dem Übergang von der glatten zur welligen Struktur sind auch Übergangsbereiche von einer welligen Struktur zur nächsten welligen Struktur vorgesehen, wenn sich beiden welligen Strukturen voneinander unterscheiden, z.B. unterschiedlich starke Wellenformen aufweisen. Beispielsweise kann sich ein sechster Bereich 172 an den fünften Bereich 160 anschließen, wobei der sechste Bereich eine stärkere Wellenstruktur als der vierte Bereich 158 aufweist, so dass der fünfte Bereich einen weiteren Übergangsbereich 174 bildet, der einen Übergang von einer Wellenstruktur in die nächste zur Verfügung stellt.
Es können auch weitere Übergangsbereiche vorgesehen sein, die einen Übergang von einer starken Wellenstruktur zu einer schwächeren Wellenstruktur bilden, oder auch von einer Wellenstruktur zur einer weiteren ebenen, d.h. glatten Fläche.
16 zeigt eine weitere Darstellung der Werkzeugstruktur 148 mit den verschiedenen Bereichen. 17 zeigt einen Ausschnitt aus 16. In 18 und 19 ist eine fotorealistische Darstellung der Werkzeugstruktur 148 aus der 16 und der 17 abgebildet.
Gemäß einem Aspekt werden bereits bei einem (quasi-)flachen Laminat beispielsweise mittels der Wellenmuster Längenunterschiede eingearbeitet, wobei größere Wellen auch eine größere zusätzliche Ablegelänge bedeuten. Die Herstellung des Geleges kann dabei vorzugsweise auf quasi-ebenen Flächen erfolgen, weshalb sich dies insbesondere zur Verwendung mit einer automatisierten Faserablegemaschine eignet.
Gemäß einem weiteren, nicht gezeigten Ausführungsbeispiel ist die erste Werkzeugstruktur auf einer Rollenstruktur beziehungsweise Walzenstruktur abgebildet, sodass eine kontinuierliche Gelegeherstellung vorgesehen ist, die anschließend beispielsweise mit einer Aufrollvorrichtung zum Aufrollen des Geleges auf Rollen kombiniert werden kann, um diese Gelege-Rollen dann entweder zwischenzulagern oder auch an andere Produktionsstätten zu transportieren.
Jedenfalls ermöglicht das Auslegen mittels unterschiedlicher Ablegelängen auf entsprechenden Oberflächenstrukturen ein effizientes Herstellen eines Geleges für gekrümmte Bauteile. Aufgrund der möglichen Automatisierung, insbesondere durch automatische Ablegevorrichtungen, kann auf manuelles Ablegen vollständig verzichtet werden, sodass auch eine größere Präzision bei der Herstellung bereits des Geleges ermöglicht wird. Die anschließenden Umformungsvorgänge können ebenfalls automatisiert dargestellt werden, sodass sich insgesamt eine effiziente und schnelle, und damit auch kostengünstige, und zudem präzisere Anfertigung von gekrümmten Bauteilen, wie beispielsweise Stringern oder Spanten für Luftfahrzeuge ergibt.
Die oberhalb beschriebenen Ausführungsbeispiele können in unterschiedlicher Art und Weise kombiniert werden. Insbesondere können auch Aspekte des Verfahrens für Ausführungsformen der Vorrichtungen sowie Verwendung der Vorrichtungen verwendet werden und umgekehrt.
Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass „umfassend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele und Aspekte beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer, oben beschriebener Ausführungsbeispiele und Aspekte verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102006035939 A1 [0002]

Claims

Eine Vorrichtung (46) für die Herstellung eines wenigstens in einer Längsrichtung gekrümmten Werkstücks für ein Strukturbauteil aus einem Faserverbundwerkstoff, mit einer ersten Werkzeugstruktur (48), die zum Ablegen von Fasern zum Erzeugen eines Geleges eine Ablegefläche (50) mit wenigstens einem längsgerichteten Ablegebereich (56) aufweist, der mit einer ersten (58) und einer zweiten Längsseite (60) ausgebildet ist; wobei die Längsseiten mit unterschiedlichen Oberflächenprofilen ausgebildet sind, und wobei zwischen der ersten und der zweiten Längsseite ein Übergang (62) ausgebildet ist; und wobei für einen Abschnitt einer Längsseite des Ablegebereichs eine in Längsrichtung auf den jeweiligen Oberflächenprofilen zurückzulegende Länge (68) entlang der zweiten Längsseite länger ist als entlang der ersten Längsseite.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Ablegefläche (50) mit in Querrichtung nebeneinanderliegenden längsgerichteten Ablegebereichen (52) mit unterschiedlichen Oberflächenprofilen ausgebildet ist und wenigstens ein erster Ablegebereich (54) und ein zweiter Ablegebereich (56) vorgesehen sind; wobei der zweite Ablegebereich die erste (58) und die zweite Längsseite (60) aufweist und mit der ersten Längsseite an den ersten Ablegebereich anschließt.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei der erste Ablegebereich entlang der Auslegefläche eben ist und der zweite Ablegebereich wenigstens im Bereich der zweiten Längsseite eine in Relation zum ersten Ablegebereich verlängerte Ablegelänge in Form einer Wellenstruktur aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer zweiten Werkzeugstruktur (84), die eine Formfläche (86) aufweist, welche in einer Längsrichtung wenigstens eine Krümmung aufweist und im Querschnitt mit einem Formprofil (88) mit unterschiedlichen Formprofilbereichen (90) ausgebildet ist, die bezogen auf die Krümmung unterschiedliche Krümmungsradien aufweisen; wobei ein erster Formprofilbereich (92) einen ersten Krümmungsradius und wenigstens ein zweiter Formprofilbereich (94) einen zweiten Krümmungsradius aufweist, der größer als der erste Krümmungsradius ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei der erste Formprofilbereich zum ersten Ablegen eines ersten Bereichs eines Geleges ausgebildet ist, und der zweite Formprofilbereich zum zweiten Ablegen eines zweiten Bereichs des Geleges ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, wobei ein Kombinationswerkzeug (112) vorgesehen ist, das eine anpassbare Werkzeugoberfläche (114) aufweist, die in einem ersten Zustand die erste Werkzeugstruktur bildet, und die in einem zweiten Zustand die zweite Werkzeugstruktur bildet.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer dritten Werkzeugstruktur (108), die zum Rollformen des Geleges eine Vielzahl von Rollenpaaren (110) aufweist.
Ein Gelege (24) für ein Strukturbauteil aus einem Faserverbundwerkstoff, wobei das Gelege eine Vielzahl von Fasern (26) aufweist, wobei wenigstens ein Teil der Fasern in Längsrichtung verläuft, und wobei eine Querverbindung der in Längsrichtung verlaufenden Fasern vorgesehen ist; wobei das Gelege wenigstens einen Gelegebereich (32) aufweist, der mit einer ersten (34) und einer zweiten Längsseite (36) ausgebildet ist; wobei die Längsseiten mit unterschiedlichen Oberflächenprofilen ausgebildet sind, und wobei zwischen der ersten und der zweiten Längsseite ein Übergang (38) ausgebildet ist; und wobei für einen Abschnitt (40) einer Längsseite des Gelegebereichs eine in Längsrichtung auf den jeweiligen Oberflächenprofilen zurückzulegende Länge (42, 44) entlang der zweiten Längsseite länger ist als entlang der ersten Längsseite.
Gelege nach Anspruch 8, wobei das Gelege mit in Querrichtung nebeneinander liegenden längsgerichteten Gelegebereichen (28) mit unterschiedlichen Oberflächenprofilen ausgebildet ist und wenigstens ein erster Gelegebereich (30) und wenigstens ein zweiter Gelegebereich (32) vorgesehen sind; wobei der wenigstens eine zweite Gelegebereich die erste (34) und die zweite Längsseite (36) aufweist; wobei der zweite Gelegebereich mit der ersten Längsseite an den wenigstens einen ersten Gelegebereich anschließt.
Gelege nach Anspruch 9, wobei der erste Gelegebereich eben ist und der zweite Gelegebereich wenigstens im Bereich der zweiten Längsseite eine in Relation zum ersten Gelegebereich verlängerte Gelegeform in Form einer Wellenstruktur aufweist.
Gelege nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei der erste Gelegebereich zuerst auf einer linearen Fläche ablegbar ist und der zweite Gelegebereich anschließend auf einer gekrümmten Fläche ablegbar ist.
Gelege nach Anspruch 11, wobei die lineare Fläche einen Bogen bildet und sich die gekrümmte Fläche an einer Seite des Bogens anschließt.
Gelege nach Anspruch 12, wobei sich auf beiden Seite des Bogens eine gekrümmte Fläche anschließt.
Ein Strukturbauteil aus einem Faserverbundwerkstoff, aufweisend: – eine erste Seitenfläche und eine zweite Seitenfläche; und – eine Oberseite; wobei das Strukturbauteil in Längsrichtung gekrümmt ist; wobei das Strukturbauteil durch Ablegen von einer Vielzahl von Fasern auf einer ersten Werkzeugstruktur zum Erzeugen eines durchgehenden Geleges nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 13 hergestellt ist.
Strukturbauteil nach Anspruch 14, wobei das Strukturbauteil weiter durch Umformen des Geleges in eine für das Strukturbauteil vorgesehene Querschnittsform und durch Aushärten des Geleges hergestellt ist.
Strukturbauteil nach Anspruch 15, wobei das Strukturbauteil aus Faserverbundwerkstoff durch Rollformen hergestellt ist.
Strukturbauteil nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei das Strukturbauteil aus Faserverbundwerkstoff beim Umformen durch Anordnen des Geleges auf einer zweiten Werkzeugstruktur nach Anspruch 4 hergestellt ist; wobei das Strukturbauteil aus einem Faserverbundwerkstoff durch Umformen des Geleges durch Anlegen des ersten Gelegebereichs an einen ersten Profilbereich (230), und durch Anlegen des wenigstens einen zweiten Gelegebereichs an den wenigstens einen zweiten Profilbereich (232) hergestellt ist.