DE3113791C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von mit
Anschlußlaschen versehenen Hohlkörpern aus faserverstärktem
Kunststoff; und eine Vorrichtung zur Durchführung des
Verfahrens.
Im Bereich der Luftfahrt- und Raumfahrttechnik werden im zuneh
mendem Maße Faserverbundwerkstoffe an Stelle vom Metallen ein
gesetzt, da sie einerseits über eine den Metallen vergleichbare
Festigkeit und Steifigkeit verfügen, andererseits die aus der
artigen Werkstoffen hergestllten Komponenten aber ein erheblich
geringeres Gewicht als vergleichbare Bauteile aus Metall aufwei
sen. Da die mechanischen Eigenschaften der Faserverbundwerkstoffe
im Gegensatz zu den Metallen richtungsabhängig sind, lassen sich
mit Hilfe dieser Werkstoffe Bauteile konstruieren, die dem je
weiligen Belastungsfall optimal angepaßt sind und so eine be
trächtliche Gewichtseinsparung ermöglichen. Dies gilt vor allem
für Bauteile mit überwiegend einachsiger Belastung, wie bei
spielsweise Rotorblätter oder Streben.
Ein wesentliches Problem bei derartigen, aus Faserverbundwerk
stoffen hergestellten Bauteilen ist die Krafteinleitung. So ist
es üblich, faserverstärkte Kunststoffbauteile mit metallischen
Ansätzen bzw. Beschlägen zur Krafteinleitung zu versehen, die
entweder durch Kleben oder durch mechanische Verbindungselemen
te mit der Faserstruktur verbunden werden. Es ist beispielswei
se vorgeschlagen worden, im Flugzeugbau Streben zu verwenden,
die aus einem rohrförmigen Mittelteil aus faserverstärktem Kunst
stoff bestehen, der an seinen Enden jeweils mit einem Anschluß
kopf aus Aluminium versehen ist.
Solche mehrstofflichen, gefügten Strukturen stellen aber häufig
nur eine Kompromißlösung dar, mit der weder eine volle Ausnut
zung der potentiellen Festigkeitseigenschaften der Faserverbund
werkstoffe noch das bei ausschließlicher Verwendung dieser Werk
stoffe erzielbare Strukturgewicht erreicht wird. Es wäre da
ner wünschenswert an Hohlkörpern aus faserverstärktem Kunst
stoff, wie Streben, Anschlußlaschen beim Herstellungsprozeß
anzuformen, aber mit den bekannten Verfahren ist dies nicht
möglich.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
zum Herstellen von Hohlkörpern der eingangs genannten Art zu
schaffen, damit ein auf diese Weise hergestellter Hohlkörper
ohne zusätzliche Anschlußmittel unmittelbar als Strukturbau
teil einsetzbar ist. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung
eine geeignete Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens
vorzusehen.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die in den Patentabsprüchen 1 und 9
enthaltenen Merkmale. Ausgestaltungen der Erfindung
sind in den Unteransprüchen enthalten.
Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren ermöglicht es, rohr
förmige Hohlkörper, deren Querschnitte im Verlauf der Längs
achse unterschiedliche Formen und Flächengrößen aufweisen, mit
der für Strukturbauteile erforderlichen Festigkeit und Steifig
keit in einem Stück (als sogenanntes one shot curing) aus Faser
verbundwerkstoffen herzustellen.
Dadurch, daß bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ein allmählicher
Umformvorgang, ähnlich dem Tiefziehverfahren von Metallblechen,
vollzogen wird, sind relativ hohe Umformgrade realisierbar, oh
ne daß es zu einer Störung der Faserstruktur im Werkstoff und
damit zu einer Beeinträchtigung der mechanischen Eigenschaften
kommt.
Zwar ist bereits aus der DE-OS 28 55 638 ein Verfahren zum Her
stellen rohrförmiger Hohlkörper bekannt, aber dieses Verfahren
bezieht sich auf das Wickeln von faserverstärkten Hohlprofilen,
bei denen die Fasern zusätzlich nicht in Richtung der aufzu
fangenden Belastung liegen.
Darüber hinaus ist unter der Bezeichnung "Thermal Expansion
Molding (TEM)" bereits ein Verfahren beschrieben worden
(Zeitschrift "FLUGREVUE INFORMATION", Nr. 5 vom 15. 08. 1980,
Seiten 3/4), mit dem ebenfalls Strukturkomponenten für Flug
zeuge und Raumflugkörper herstellbar sind. Bei diesem bekann
ten Verfahren erfolgt die Formgebung und Aushärtung der Bau
teile mit Hilfe eines massiven Kerns aus Silikonkautschuk, auf
den der Faserverbundwerkstoff aufgebracht und der anschließend
erhitzt wird. Ein Einsatz dieses Verfahrens bei der Herstellung
von Hohlkörpern, deren Querschnitt sich an den Enden stark ver
engt, erscheint nicht bzw. nur schwer praktikabel, da das Ent
fernen des Kerns nach der erfolgten Aushärtung erhebliche
Schwierigkeiten bereiten würde.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich aber nicht nur
dadurch aus, daß es die reproduzierbare Herstellung von Streben,
Stangen oder dergleichen mit integrierten Anschlußlaschen in
einem Stück unter ausschließlicher Verwendung von Faserverbund
werkstoffen erlaubt, sondern es ermöglicht zugleich auch hohe
Fertigungskadenzen. Da bei der Herstellung nur eine geringe An
zahl mehrlagiger, eben laminierter, großflächiger Standardla
minate benötigt wird, können automatische Laminieranlagen zur
Fertigung eingesetzt werden, wodurch eine hohe Wirtschaftlich
keit gewährleistet ist. Diese wird noch dadurch erhöht, daß
standardisierte Halbzeuge aus vorimprägniertem Fasermaterial, so
genannte Prepregs, verwendet werden können.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist unabhängig von der Faserart,
der Gewebeart und dem Harztyp, d. h. für unterschiedliche Werk
stoffklassen, anwendbar. Ein weiterer Vorteil des Verfahrens
liegt darin, daß die Aushärtung der damit hergestellten Hohlkör
per nicht unbedingt in einem Autoklaven erfolgen muß, sondern
auch in einem Ofen erfolgen kann. Weitere Vorteile sowohl hin
sichtlich der qualität der hergestellten Hohlkörper als auch
hinsichtlich einer einfacheren, rascheren und damit noch wirt
schaftlicheren Produktion ergeben sich bei Anwendung der in
den Unteransprüchen vorgeschlagenen Maßnahmen.
Zur Lösung der zweiten Aufgabe sieht die Erfindung vor, eine
bekannte zweiteilige Hohlform mit umfangsseitigen Ausneh
mungen zu versehen, in welche die Ausnehmnungen vollständig
verschließende Formkörper einsetzbar sind. Diese Form gestat
tet, entsprechend dem vorstehend beschriebenen Verfahren,
eine kontrollierte Umformung des Hohlkörpers im Bereich der
vorgesehenen Querschnittsverengung, bei der die mechanischen
Eigenschaften des Fasermaterials voll gewahrt bleiben. Hier
zu trägt auch bei, daß in weiteren Ausgestaltungen der Erfin
dung der zugehörige Innenkern der jeweils verwendeten Hohl
form so weit angepaßt ist, daß der auf den Schlauch aufge
brachte Strang nur geringfügig aufgeweitet werden muß, damit
er an der Innenwandung der Hohlform anliegt.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand von in der Zeichnung
dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
Es zeigen
Fig. 1 ein mit dem Verfahren hergestellter
Hohlkörper in perspektivischer Darstellung,
Fig. 2a und 2b den Aufbau des Hohlkörpers gemäß Fig. 1
Fig. 3 eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
In den Figuren sind gleiche Bauteile mit den gleichen Bezugs
zeichen versehen.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Hohlkörper handelt es sich um
eine Querträgerstütze für ein Flugzeug. Die Stützstange besteht
aus einem faserverstärkten Kunststoff, im vorliegenden Fall ei
nem CFK, und weist in ihrem Mittelteil 1 einen etwa kreisförmi
gen Querschnitt auf. Die beiden Endbereiche 2 und 3 der Stütz
stangen sind als doppelwangige Anschlußlaschen 4 und 5 ausgebil
det; ihr Innenquerschnitt ist gegenüber demjenigen des Mittel
teils 1 erheblich reduziert und ist in etwa hantelförmig gestal
tet. Andererseits ist die Wandstärke in diesen beiden Bereichen,
ebenso wie in den Übergangsbereichen 6 und 7, größer als im Mit
telteil 1.
Entsprechend dem vorgesehenen Belastungsfall als Biegeträger
sind darüber hinaus zwei sich gegenüberliegende, in Längsrich
tung der Stützstange verlaufende Streifen 8 und 9 zusätzlich ver
stärkt ausgebildet. Diese Streifen 8 und 9 stellen zugleich die
Seitenfläche der Anschlußlaschen 4 und 5 dar. Die Anschlußlaschen
4 und 5 sind ferner jeweils mit einer Bohrung 10 bzw. 11 zur Auf
nahme von Einsatzbuchsen versehen.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich, ist die Neigung der die Übergangs
bereiche 6 und 7 bildenden Flächen 12, 13 bzw. 14, 15 gegenüber
der Längsachse der Stützstange relativ gering gewählt; die Flä
chen sind zudem konvex geformt. Auf diese Weise wird eine optima
le Integration der Anschlußlaschen 4 und 5 in die Struktur der
Stange erreicht, wobei zu hohe örtliche Verformungen des Faser
materials vermieden werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung der vorstehend
beschriebenen Stützstangen soll anhand der Fig. 2 und 3 er
läutert werden. Fig. 2a zeigt dabei anhand eines Ausschnitts,
der das in Fig. 1 linke Ende der Stange darstellt, den Aufbau
des Hohlkörpers aus vorimprägniertem Faserwerkstoff vor dem Um
formvorgang. Fig. 2b zeigt den gleichen Aufbau im Querschnitt.
Fig. 3 schließlich zeigt eine für den Umformvorgang geeignete
Vorrichtung.
Wie in Fig. 2 dargestellt, erfolgt der Aufbau des Hohlkörpers
über einem im wesentlichen zylinderischen harten Innenkern 16,
über den ein Schlauch 17 aus einem flexiblen Material, im vor
liegenden Fall ein Gummischlauch, gezogen ist. Der Schlauch 17
ist an seinem einem Ende mit einem Anschlußstutzen 18 versehen.
Sein anderes Ende ist zunächst offen und während des Umformvor
gangs durch eine hier nicht dargestellte Klemme verschließbar.
Als Ausgsangsmaterial für die Herstellung dient ein standartisier
tes Halbzeug, ein sogenanntes Prepreg, das in diesem Fall aus
einem mehrlagigen vorimprägnierten Gelege aus Kohlefaser besteht.
Aus diesem Material werden zwei Standartlaminate 19 bzw. 20 ent
nommen, die sich über die gesamte vorgesehene Länge des Hohl
körpers erstrecken und die jeweils breiter als der Umfang des
Hohlkörpers sind. Zusätzlich werden aus dem gleichen Material
vier Kopfverstärkungslaminate, von denen in den Fig. 2a bzw.
b die Lasminate 21 und 22 für den in der Fig. 1 linken Endbe
reich dargestellt sind, zugeschnitten. Ihre Länge ist dabei so
gewählt, daß sie sowohl den Endbereich 2 bzw. 3 als auch den
Anschlußbereich 6 bzw. 7 überdecken; ihre Breite beträgt in et
wa jeweils ein Viertel derjenigen der Standartlaminate 19 bzw.
20.
Die Kopfverstärkungslaminate werden an beiden Enden des Hohl
körpers sich gegenüberliegend aufgebracht. Anschließend werden
die beiden Standartlaminate 19, 20 mit der durch ihre Breite
vorgegebenen definierten Überlappung derart um den Innenkern 16
gewickelt, daß sich ihre Überlappungen gegenüberliegen.
Der gesammte Aufbau wird anschließend in eine mit einem Heiß
trennmittel besprühte Hohlform 23 eingebracht. Es handelt sich
bei dieser Hohlform 23 um eine aus zwei Hälften 24 und 25 be
stehende, etwa zylindrische Stahlform, deren Stirnflächen offen
sind. Der Durchmesser des Innenkerns 16 ist dabei so gewählt,
daß nach dem Einbringen des Hohlkörpers in die Hohlform noch
ein Zwischenraum zwischen der Innenfläche der Hohlform und dem
Fasermaterial erhalten bleibt.
Wie aus Fig. 3 ersichtlich, weist die Hohlform 23 im Bereich
ihrer Stirnflächen - wobei in der Zeichnung nur ein Endbereich
dargestellt ist - umfangsseitige Ausnehmungen 26 und 27 auf,
die sich jeweils einander gegenüberliegend angeordnet sind und
die sich jeweils über einen beträchtlichen Teil des Umfangs er
strecken. Passend zu diesen Ausnehmungen 26 bzw. 27 sind bei
der erfindungsgemäßen Umformvorrichtung jeweils Formkörper 28
bzw. 29 vorgesehen. Letztere sind so ausgebildet, daß diese exakt
in die Ausnehmungen 26 bzw. 27 passen und daß ihre Umformflächen
30 bzw. 31 der angestrebten Formgebung des Hohlkörpers im Be
reich der Anschlußlaschen 4, 5 sowie den Übergangsbereichen 6,
7 entsprechen.
Der Hohlkörper wird so in die zunächst geteilte Hohlform 23 ein
gelegt, daß die Überlappung der Laminate 19 bis 20 etwa entlang
den von den Ausnehmungen 26 bzw. 27 ausgesparten Stegen 32 bzw.
33 liegen. Die Hohlform 23 wird geschlossen; und es wird über
den Stutzen 18 Druckluft durch den zunächst noch offenen Schlauch
17 geleitet, so daß sich dieser vom Innenkern 16 abhebt. Letzter
er wird aus dem noch offenen Ende des Schlauches 17 gezogen und
dieses wird anschließend verschlossen.
Der Schlauch 17 wird nunmehr unter Überdruck gesetzt, so daß
die Laminate an den Wandflächen der Hohlform 23 anliegen. Gegen
den Druck des Schlauchs 17 werden jetzt die Formkörper 28, 29 die
entsprechenden Ausnehmungen 26, 27 eingeschoben. Die auf diese Weise
geschlossene Form wird anschließend in einem Ofen bzw. Autoklaven
eingebracht, wo die Aushärtung des Fasermaterials unter geregel
tem Druck im Schlauch 17 durchgeführt wird.
Nach erfolgter Aushärtung wird der Hohlkörper der Hohlform 23
entnommen und die Druckluft aus dem Schlauch 17 abgelassen.
Der Schlauch wird nun durch eine der verbliebenen endseitigen
Öffnungen des Hohlkörpers aus diesem herausgezogen.
Abschließend erhält der Hohlkörper, in diesem Fall die Stütz
stange, durch Konturfräsen im Bereich der Anschlußlaschen 4
und 5, bei dem die äußeren Endstücke entfernt werden, ihre
endgültige Form. Ferner werden nunmehr die Bohrungen 10 bzw.
11 für die Aufnahme der Einsatzbuchsen in die Anschlußlaschen
eingebracht.
Das vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Verfahren ist da
bei weder ausschließlich auf die Herstellung des in der Zeich
nung beschriebenen Hohlkörpers noch auf die angegebene Faser
art beschränkt. Es eignet sich vielmehr für alle Hohlkörper
mit endseitig sich verjüngendem Querschnitt bzw. mit lokalen
Querschnittsverengungen. Außerdem ist es unabhängig von den ein
zelnen Werkstoffklassen einsetzbar, wobei sowohl 125°C- als
auch 175°C-Systeme als auch beispielsweise Polyimid-Systeme
verwendet werden können.
Claims (12)
1. Verfahren zum Herstellen von mit Anschlußlaschen ver
sehenen Hohlkörpern aus faserverstärktem Kunststoff, ge
kennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
- a) ein aus einem isotrop elastischen Material bestehender Schlauch (17) wird auf einen harten Innenkern (16) ge zogen,
- b) Vorimprägniertes Fasermaterial (19, 20, 21, 22) wird auf den Schlauch (17) aufgebracht und fest gegen den Innenkern (16) gepreßt,
- c) der so gebildete Strang wird in eine Hohlform (23) eingelegt und der Innenkern (16) aus dem Schlauch (17) entfernt,
- d) der Schlauch (17) wird endseitig abgedichtet und unter Druck gesetzt,
- e) in umfangseitige Ausnehmungen (26, 27) der Hohlform (23) werden zur Formung der Anschlußachsen (4, 5) gegen den Innendruck des Schlauches (17) der Form den Anschluß laschen angepaßte Formkörper (28, 29) eingeschoben und fixiert,
- f) der Strang wird in der Hohlform (23) unter definiertem Innendruck des Schlauches (17) und bei erhöhter Tem peratur ausgehärtet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß das aus zwei Laminaten (19,20) bestehende
sich über die gesamte Länge des Hohlkörpers erstreckende Faser
material mit sich jeweils gegenüberliegenden Überlappungen in Längsrichtung
auf den Schlauch (17) aufgebracht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß im Bereich der in der Hohlform
vorgesehenen Ausnehmungen (26, 27) vor dem Auflegen der Laminate
(19, 20) zusätzliche Lagen (21, 22) des vorimprägnierten Faserma
terials als Verstärkungslagen aufgebracht werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da
durch gekennzeichnet, daß zum Entfernen des In
nenkerns (16) aus dem Schlauch (17) Druckluft in den Schlauch
(17) geleitet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da
durch gekennzeichnet, daß zum Entfernen des In
nenkerns (16) aus dem Schlauch (17) der Zwischenraum zwischen der
Innenwand der Hohlform (23) und dem Strang evakuiert wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da
durch gekennzeichnet, daß die Hohlform (23)
vor dem Einbringen des Stranges mit einem Heißtrennmittel ein
gesprüht wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da
durch gekennzeichnet, daß der Schlauch (17)
nach dem Aushärten des Hohlkörpers evakuiert und aus diesem
entfernt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da
durch gekennzeichnet, daß die Anschlußlaschen
(4, 5) nach dem Aushärten und dem Entfernen des Schlauches (17)
mittels Konturfräsen in die vorgesehene äußere Form gebracht und
Aufnahmebohrungen (10, 11) für Einsatzbuchsen eingebracht werden.
9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem
der Ansprüche 1 bis 8, bestehend aus einer zweiteiligen, ver
schließbaren Hohlform aus einem festen Material, dadurch
gekennzeichnet, daß die Hohlform (23) mit wenig
stens einer umfangseitigen Ausnehmung (26, 27) versehen ist, in
die ein die Ausnehmung (26, 27) vollständig verschließender Form
körper (28, 29) einsetzbar ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch ge
kennzeichnet, daß je zwei Ausnehmungen (26, 27) in der
Nähe der Stirnflächen der Hohlform (23) jeweils sich einander
gegenüberliegend angeordnet sind.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch
gekennzeichnet, daß die Formkörper (28, 29) jeweils
als Negativform für den Bereich der Anschlußlaschen (4, 5) des
Hohlkörpers ausgebildet sind.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, da
durch gekennzeichnet, daß wenigstens eine
Stirnfläche der Hohlform (23) mit einer Öffnung versehen ist.
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