DE2746173B2

DE2746173B2 - Vorrichtung zur Herstellung von Bauteilen aus faserverstärkten Kunststoffen

Info

Publication number: DE2746173B2
Application number: DE19772746173
Authority: DE
Inventors: Karl 8034 Neugermering Hutterer
Original assignee: Dornier GmbH
Current assignee: Dornier GmbH
Priority date: 1977-10-14
Filing date: 1977-10-14
Publication date: 1981-03-19
Also published as: FR2405803A1; GB2006092A; FR2405803B1; DE2746173A1; DE2746173C3; GB2006092B

Description

a) daß die Bauteilinnenform (Positivform) durch von einem oder mehreren aus starrem Werkstoff bestehenden Stützkörpera (10) getragenen, flexiblen Auflagekörpern (18) für die Auflage des Laminats (26) gebildet ist;

b) daß die Bauteilaußenform (Negativform) aus mindestens zwei getrennten, sich an festen Anschlägen (7) abstützenden Außenformscha-Ien (32,33) besteht und

c) daf 4er Trennspalt (13') zwischen dem Stützkörper (10) und dem Auflagekörper (18) and die Außenformschalen (32, 33) unter einer exakt gleich hohen Druckwirkung, z. B. Autoklavendruck, stehen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Grundplatte (1) für das gegeneinander abdichtende Aufsetzen des Stützkörpers (10) mit dem Auflagekörper (18) und der Außenformschale (32, 33) vorgesehen ist und daß die Grundplatte (1) Durchbrechungen (8) aufweist

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützkörper (io) eine oder mehrere an die Durchbrechungen (8) der Grundplatte (1) angeschlossene, zentrt* : Kammern (11) und von diesen in den Trennspalt (13') mündende Durchgänge (12) aufweist

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der flexible Auflagekörper (18) aus gummielastischem Werkstoff besteht

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Auflagekörper (18) ein aus Silikonkautschuk gegossener Körper ist

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis S, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenauflagefläche (20) des Auflagekörpers (18) vertiefte Felder (21) für die Einlage von Verstärkungsteilen (38) aufweist

7. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Auflagekörper (18) aus einem mit einem flüssigen oder gasförmigen Medium gefüllten Formbehälter mit flexiblen Wänden besteht.

8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenformschalen (32, 33) in an sich bekannter Weise ringsum von einer an der Grundplattenoberseite (2) abdichtend anliegenden Folie (41) überspannt sind.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von Bauteilen aus faserverstärkten Kunststoffen, mit Formteilen zur Auflage des Laminates im Positivverfahren und mit Negativformteilen, in Verbindung mit einer Einrichtung zur Erzielung einer Druckwirkung auf das Laminat.

Die immer höher gestellten Anforderungen an

Bauteile aus faserverstärkten Kunststoffen hinsichtlich der erzielbaren Widerstandsfähigkeit gegen auftretende Belastungen und auch hinsichtlich der Güte der Bauteiloberflächen, sowie der Gleichmäßigkeit der Wandstärken unter Berücksichtigung der Herstellungskosten, lassen sich durch in Art und Weise herkömmliche Fertigung und die dabei eingesetzten Vorrichtungen nicht erfüllen. Dies trifft insbesondere auch auf Fertigungsweisen unier Verwendung von sogenannten »Vorimprägnaten« (Prepreg) für das Laminat za

Jedoch auch bei Anwendung in letzter Zeit bekanntgewordener verbesserter Technologien für die Herstellung von Bauteilen aus faserverstärkten Kunststoffen hat sich gezeigt, daß besonders an scharfkantigen Obergängen und scharfkantigen Konturänderungen bzw. Konturverläufen der Bauteile die Gewähr für einen lunkerfreien Laminataufbau nicht gegeben ist

Aus den auftretenden Fehlern im Laninataufbau ergeben sich Nachteile in bezug auf die vorgeschriebe nen Festigkeitseigenschaften und die geforderte Ober flächengüte, Die Llnsicherheit in bezug auf die ungleichmäßigen Wandstärken erfordern eine Überdimensionierung und führen zu erheblichen Gewichtserhöhungen. Die fehlerhaften Bauteile müssen, sofern sie nicht Oberhaupt als Ausschuß gelten, zumindest nachgebessert werden. Diese Nacharbeit an den fertigen Bauteilen ist besonders zeitraubend und damit kostenintensiv. Auch ist der Fertigungsfluß bei Serienfertigung infolge der Nacharbeiten empfindlich gestört

Die Praxis hat gezeigt, daß die genannten Fehler

sowohl bei Bauteilen, welche im Negatiwerfahren ais auch bei solchen, die im Positiwerfahren hergestellt werden, auftreten.

Für die Herstellung von Zylinderrohrteilen bzw.

zylindrischen Behältern aus faserverstärktem Kunststoff sind Vorrichtungen bekannt, die einen starren, zylindrischen Kern mit einer, diesen lose umgebenden, aus flexiblem Werkstoff gebildeten, aufweitbaren Hülle aufweisen. Mittels eines unter Druck einfüllbaren Mediums wird das Laminat aus Kunststoff und Verstärkungsfasern durch die Hülle gegen eine ungeteilte, zylindrische Außenform gepreßt Bei der bekannten Vorrichtung erfolgt die Druckbeaufschlagung nur von innen gegen eine starre Außenform. Die aus flexiblem Werkstoff bestehende Hülle ist keine Positivform, die eine der Innenseite eines herzustellenden Bauteiles entsprechende Form, z. B. eine bestimmte Profilierung, erhalten kann. Ihre Form erhält die Hül?e nur durch die Prüfilierung der Außenform. Es ergeben

so sich dadurch Schwierigkeiten hinsichtlich einer genauen, vorbestimmten Wandstärke und Form des herzustellenden Bauteiles und hinsichtlich der Güte der Bauteiloberfläche. Es ist femer eine Vorrichtung der genannten Art bekannt geworden, bei der innerhalb einer zylinder- bzw. halbzylinderförmigen äußeren, starren Schale eine entsprechende, ebenfalls starre Innenform angeordnet ist, weiche eine aufblasbare Hülle trägt Die Arbeitsweise der bekannten Vorrichtung ist so, daß Verstärkungs- fasermaterial auf die flexible Hülle aufgelegt, die Außenform aufgesetzt und die Hülle mittels eines Mediums unter Druck aufgeweitet wird. Die Verstärkungsfasern werden somit gegen die starre Außenform gedrückt und dabei vom Kunststoff im Zwischenraum zwischen Außen- und Innenform bzw. flexibler Hülle durchtränk!. Der Zwischenraum zwischen Außen form und entspannter Hülle soll dabei der doppelten Wandstärke des fertigen Bauteiles entsprechen.

Auch mit dieser bekannten Vorrichtung ergeben sich Schwierigkeiten bei der Herstellung von Bauteilen, bei denen vorgegebene Wandstärken genau eingehalten und Oberflächen sowohl innen als auch außen einwandfrei ausgeführt sein müssen.

Ebenso ist eine Vorrichtung zur Herstellung von Rohren aus faserverstärktem Kunststoff bekannt, bei der eine schlauchförmige, beidseitig abgeschlossene und aufblasbare Hülle, lose eine starre Büchse umgibt und auf der Außenfläche das Laminat zur Bildung des Bauteiles trägt Konzentrisch zum Laminat bzw. zur aufblasbaren Hülle ist eine starre Außenform vorgesehen, gegen deren Innenfläche das Laminat gedruckt wird. Die Außenform besteht aus scharnierförmig miteinander verbundenen Halbschalen, die fest verschraubbar sind.

Für die Herstellung von Bauteilen aus faserverstärkten Kunststoffen ist es bekannt nach dem Autoklavenverfahren zu arbeiten, wobei das auf einer Form errichtete Laminat durch eine abdichtend an der Form gehauene Folie abgedeckt und zwischen Folie und Laminat durch Absaugen ein Vakuum erzeigt wird. In einem Autoklaven erfolgt dabei zur Verdichtung und raschen Aushärtung die Druckbeaufschlagung und thermische Beeinflussung des Laminates.

Es ist auch ein Verfahren bekannt geworden, daß unter Einsatz der allgemein bekannten Autoklavenmethode zur Herstellung von zylindrischen Hohlkörpern angewandt wird und bei dem vor dem Einbringen der Form in den Autoklaven beim Evakuieren des Trennspaltes zwischen abdichtend an einer Form anliegender Folie und Laminat ein Abheben der Folie von einem starren Kern bewirkt und dessen Entfernung zur weiteren Verwendung ermöglicht werden soll.

Bei der Anwendung des Auloklavenverfahrens ist es bekannt, zweiteilige Formen zu benutzen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung mit auf einfache Weise herstellbaren und aus billigen Werkstoffen gebildeten Formteilen zu schaffen, -jobei mit der Vorrichtung Bauteile mit allseitig einwandfreien Oberflächen unter Vermeidung jeglicher Nacharbeit und den vorgegebenen Festigkeits- und Gewichtsforderungen entsprechend genauen Wandstärken herstellbar sein sollen.

Die gestellte Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Kombination der Merkmale gelöst, daß

a) die Bauteilinnenform (Positivform) durch von einem oder mehreren aus starrem Werkstoff bestehenden Stützkörpern getragenen, flexiblen Auflagekörpern für die Auflage des Laminats ^M gebildet ist;

b) die 3auteilaußenform (Negativform) aus mindestens zwei getrennten, sich an festen Anschlägen abstützenden Außenformschalen besteht und daß

c) der Trennspalt zwischen dem Stützkörper und dem Auflagekörper und die Außenformschalen unter einer exakt gleich hohen Druckwirkung, z. B. Autoklavendruck, stehen.

Bei einer so ausgebildeten Vorrichtung ergibt sich in Verbindung mit dem Autoklavenverfahren, daß infolge des Druckausgleiches zwischen der Außenseite der Negativformschalen und dem Trennspalt zwischen dem Stützkörper und dem flexiblen Auflagekörper als Negativformen im Gegensatz zu den bisher üblichen. umständlich herzustellenden Schalen aus Metall, z. B. aus faserverstärktem Kunststoff gebildete, dünnwandige Formen verwendet werden können. Das gleiche trifft auch auf die für die Positivauflage des Laminates vorgesehene Innenform zu. Es ist damit die Bildung der Innenform aus gummielastischem Werkstoff und Ausbildung derselben als Profilkörper, dessen Außenkontur der Innenkontur des herzustellenden Bauteiles entspricht, ermöglicht und es kann auf die bisher üblichen, teuren Metallformen, die auf Präzisionsmaschinen bearbeitet werden müssen, verzichtet werden. Die aus gummielastischem Werkstoff bestehende Positivform läßt sich durch Abformen im Gießverfahren auf einfache Weise herstellen. Da dieses Formteil die Auflage des Laminates im Positiwerfahren erlaubt, lassen sich mit der Vorrichtung auch Bauteile mit komplizierter Form, beispielsweise solche mit gekrümmten Oberflächen oder Hohlkörper mit engen Innenräumen herstellen. Im Hinblick auf die exakt gleich große Druckeinwirkung von innen und außen auf das Laminat ist mittels des aus flexiblem Werkstoff bestehenden Profilauflagekörpers die Bauteilinnen- und Bauteilaußenseite frei von Lunkerst Hen herstellbar und damit lassen sich im Zusammenwirken -*nit der geteilten Negativform vorgegebene Bauteilwandstärken genau einhalten. Ferner ist durch die gleich große Druckwirkung von innen und außen eine gleichmäßige Verdichtung des Laminates erreichbar.

Die geteilte Negativform ist sowohl für die Herstellung von Bauteilen mit Hinterschneidungen als auch zur Erzielung von einwandfreien Bauteiloberflächen notwendig. Diese Formteile ermöglichen sine einwandfreie Herstellung der Formflächen und deren Überwachung und Sauberhaltung zwischen den Arbeitsgängen. Mit Hilfe der vorrichtungsfesten Anschläge für die seitliche Abstützung der Außenformteile ist eine Zentrierung von Außen- und Innenform und damit die Einhaltung vorbestimmter Bauteilwandstärken ermöglicht

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Außenauflagefläche des Auflagekörpers vertiefte Felder für die Einlage von Verst^rkurgsteilen aufweist Die Vorrichtung erlaubt somit die Herstellung von Bauteilen mit Verstärkungsteilen im Sandwichaufbfi in Verbindung mit dem Laminataufbau. Die Sandwichelemente können hierbei auf relativ einfache Weise in Vertiefungen im flexiblen Profilzuflagekörper eingelegt und mit dem Laminat gemeinsam behandelt werden. Über den vom Autoklavendruck beaufschlagten flexiblen Profilauflagekörper erfolgt ein Andrücken der Verstärkungselemente nach außen gegen den Laminataufbau, so daß eine Lunkerbildung vermieden ist Ein genaues Anschrägen der Außenkanten der Verstärkungselemente, wie bisher notwendig, kann dabei entfallen. Der mit der Vorrichtung erzielte Druckausgleich vermeidet zudem eine Deformation uer eingelegten Sandwichteile.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung dargestellt

F i g. 1 zeigt die Vorrichtung in Verbindung mit dem herzustellenden Bauteil in einem Längsschnitt;

F i g. 2 zeigt die Vorrichtung in Verbindung mit dem herzustellenden Pauteil in einem Querschnitt nach der Linie IMI der F i g. 1 in verkleinerter Darstellung, die

Fig.3 und 4 zeigen in scheffiaiischer Darstellung, quergeschnitten den Abschnitt eines Bauteiles mit einer gewölbten Kontur, wobei gemäß F^; i g. 3 die Verstärkungslaminate auf Stoß und in F i g. 4 die Verstärkungslaminate jeweils abwechselnd von einer zur anderen Seite überlappt aufeinander aufgelegt sind.

In der Zeichnung ist im gezeigten Ausführungsbeispiel die Vorrichtung in Verbindung mit einer

Randkappe für ein Luftfahrzeug als herzustellendes Bauteil dargestellt.

Die Vorrichtung weist eine Grundplatte 1 auf, in deren Oberseite 2 eine Ausnehmung 3 eingearbeitet ist. Durch diese Ausnehmung 3 ist eine ebene Bodenfläche 4 gebildet, auf die ein später noch näher beschriebener, au» gummielastischem Werkstoff gebildeter Auflagekörper 18, in Verbindung mit einem Stützkörper 10, aufgesetzt ist.

Der Auflagekörper 18 zentriert sich dabei seitlich an der von der Bodenfläche 4 ausgehend nach außen geneigten Seitenfläche 5 der Ausnehmung 3. Die Gründplatte 1 weist an ihrer Oberseite 2, Bohrungen 6 für die Aufnahme von Anschlagstiften 7 auf, die in Langlöcher 34 in Flanschteilen 36 bzw. 37 von später noch näher beschriebenen Negativformschalenhälften 32 bzw. 33 eingreifen.

An der Grundplatte 1 sind ferner Fußteile 9 befestigt, die zum Einsetzen der Vorrichtung in einen Autoklaven d

52 UiCMCIi uiiü die Gruriupiaüeriuiiierseiie 2' in einem Abistand von deir Autoklavenbodenfläche halten. In die Grundplatte 1 sind Durchbrechungen 8 eingearbeitet, über die eine freie Ausbreitung des im Autoklaven 52 herrschenden Druckes in zentralen Kammern 11 und Durchgängen 12 des auf die Grundplattenoberseite 2 aufgesetzten, siarren, aus metallischem Werkstoff gebildeten StütJ.körpers 10 stattfinden kann. Die mit den Kammern 11 in Verbindung stehenden Durchgänge 12 führen zur Außenfläche 13 des Stützkörpers 10 bzw. zum Trennspall 13' zwischen Stützkörper 10 und Aul'lagekörper 18. Der Stützkörper 10 ist mittels seiner Grundfläche 14 siuf die Bodenfläche 4 der Grundplatte 1 aufgesetzt und mit dieser auswechselbar verschraubt.

Mit 18 ist der bereits erwähnte, aus gummielastischem Werkstoff gebildete Auflagekörper bezeichnet, der mit seiner [nnenauflagefläche 19 an der Außenfläche 13 des Stützkörpers 10 passend aufliegt Die Außenauflagefläche 20 des Auflagekörpers 18 bzw. dessen Außenkontur entspricht der Innenseite 25 des herzustellenden Bauteiles 26. Mit 21 sind Vertiefungen oder sogenannte Felder an der Außenseite des Auflagekörpers 18 vorgesehen, die für die Einlage von Sandwichteilen 38 zur Verstärkung des Laminats dienen. Ferner besitzt der Aullagekörper 18 ringsum ein Flanschteil 22 für die Auflage auf der Grundplatte 1 unter Vermittlung einer hier nicht dargestellten Dichtung. Der Auflagekörper 18 wird z. B. in einer einfach herzustellenden Form gegossen. Als Gießform kann z. B. auch die beschriebene Vorrichtung verwendet werden, wenn anstelle des späteren Bauteils 26 eine Bauteilattrappe eingesetzt und der zwischen Bauteilattrappe und dem Stützkörper 10 bestehende Zwischenraum mit gummielastischem Material ausgefüllt wird. Der Auflagekörper 18 ist für eine Vielzahl herzustellender, gleicher Bauteile 26 geeignet.

Fs sind für die Vorrichtung zwei NegativformschalenhälFten bzw. -druckschalenhälften 32 bzw. 33 vorgesehen, deren Innenfläche 35 der Außenkontur bzw. der Außenseite 27 des Bauteiles 26 entspricht Die Formschalenhälften 32 bzw. 33 weisen Flanschteile 36 bzw. 37 für die Auflage auf der Oberseite 2 der Grundplatte 1 und in diesen Flanschteiien die bereits früher erwähnten Langlöcher 34 für die Abstützung an den Anschlagstiften 7 in der Grundplatte 1 auf. Die Schalen 32 bzw. 33 werden von außen her vom Druck im Autoklaven beaufschlagt.

Ober die Schalen 32 bzw. 33 ist, wie allgemein bekannt ein· Vakuumfoiie 41 geiegt, die mittels einer Dichtmasse bzw. eines Dichtstreifens 42 auf der GrundplaUenoberseite 2 dichtend anliegt. Der Raum 43 zwischen der Folie 41 und der Vorrichtung, d. h. den Schalen 32 bzw. 33, ist über eine ringsumlaufende Nut 45 in der Grundplattenoberseite 2, daran anschließende Bohrungen 46 und über einen Saugleitungsanschluß 47 an eine Einrichtung zur Herstellung eines Vakuums zwischen der Folie 41 und den Formschalen 32 bzw. 33 angeschlossen. Die Nut 45 ist durch eine Abdeckplatte 48 mit einer Perforation gegen die Folie 41 hin

to abgedeckt.

Die vorangehend beschriebene Ausführung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung arbeilet in der nachfolgend beschriebenen Weise.
Die Grundplatte 1 trägt, wie bereits beschrieben, den

!;. Stützkörper 10, über den der gummielastische Auflagekörper 18 gestülpt ist. Auf die Außenauflagefläche 20 des Auflagekörpers 18 wird aus Verstärkungsfasern und Kunstharz das Laminat errichtet, beispielsweise mittels des allgemein bekannten Handauflegeverfahrens. Im Anschluß daran werden die beiden, die Negaiiviorm bildenden Formschalenhälften 32 und 33 auf die Grundplatte 1 aufgesetzt und über diese Schalen sowie die Grundplattenoberseite 2 die Vakuumfolie 41 gelegt.

Über die Nut 45, die Bohrungen 46 sowie den Saugleitungsanschluß 47 wird ein Vakuum zwischen der Vakuiimfolie 41 und den Formschalenhälften 32 und 33 gebildet. Die Vorrichtung wird nunmehr in den Autoklaven 52 eingesetzt, und zwar so, daß die Unter ,-site 2' der Grundplatte 1 mittels der Fußteile 9 in

ίο einem Abstand zur Autoklavengrundfläche steht. Nach Abschließen des Autoklaven 52 und Aufbau des Druckes, bilden sich über die Vakuumfolie 41 und die Formschalenhälften 32 und 33 von außen und über die Durchbrechungen 8, die zentralen Kammern 11 im

)5 Stützkörper 10, sowie die von dieser nach außen führenden Durchgänge 12 exakt die gleichen Druck Verhältnisse aus. Dies bedeutet, daß sich der Druck im Autoklaven über den gummielastischen Auflagekörper 18 von innen nach außen gegen die stabilen Formschalenhälften 32 bzw. 33, die an einer Bewegung nach außen durch die Anschlagstifte 7 nach einem bestimmten, zugelassenen Verstellweg gehindert sind, auf das Laminat auswirkt.

Infolge der nachgiebigen Außenauflagefläche 20 des gummielastischen Auflagekörpers 18 wirkt ein gleichmäßiger Druck auf das Laminat ein und drückt dieses gegen die Formschalenhälften 32 und 33, wodurch sich eine völlig glatte, poren- und lunkerfreie Innen- und Außenfläche 25 bzw. 27 des Bauteiles 26 herstellen läßt Infolge der Flanschteile 22 am gummielastischen Auflagekörper 18, die in die Ausnehmung 3 an der Grundplatte 1 eingesetzt sind und die Flanschu.tle 36 bzw. 37 der Formschalenhälften 32 und 33 wird erreicht, daß sich der Autoklavendruck nicht zwischen den Formschalenhälften 32 bzw. 33 und dem Laminat aufzubauen vermag. Die Flanschteile 22 des gummielastischen Auflagekörpers 18 sind dazu um einen bestimmten Betrag stärker bemessen als die Tiefe der zugehörigen Ausnehmung 3 in der Grundplatte 1.

so Wie die Fig.3 und 4 erkennen lassen, ist es mittels der beschriebenen Vorrichtung möglich, einen Lagenaufbau für das Laminat — wie bisher im Negatiwerfahren nicht möglich — mittels geteilter Formschalen vorzunehmen.

Gemäß F i g. 4 ist gezeigt, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung auch einen Lagenaufbau wie bisher nach dem sogenannten Fositiwerfahren erlaubt Die Vorrichtung ist somit für alle Herstellungsverfahren in

— · —g

gleicher Weise gut geeignet. Insbesondere hohle Bauteile, die innen nur geringe Abmessungen aufweisen oder spitz zulaufen, können mittels der beschriebenen Vorrichtung, auch bei Verwendung von »Vorimprägnaten« einwandfrei hergestellt werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

1. Vorrichtung zur Herstellung von Bauteilen aus faserverstärkten Kunststoffen, mit Formteilen zur Auflage des Laminats im Positiwerfahren und mit Negativformteilen, in Verbindung mit einer Einrichtung zur Erzielung einer Druckwirkung auf das Laminat, gekennzeichnet durch die Kombination der Merkmale: