DE3314185C2 - Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Gegenständen, insbesondere Flügelblättern von Flugzeugpropellern und Rotorblättern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Gegenständen und bezieht sich auf eine zeit- und kostensparende Verbesserung bei der Herstellung von faserverstärkten Gegenständen wie z. B. von in Flugzeugpropellern und Rotor­ blättern verwendeten Flügelblättern.

Die hohen Festigkeitseigenschaften und das geringe Ge­ wicht von faserverstärkten Gegenständen haben in den letzten Jahren zumindest zum Teil zur Popularität solcher Gegenstände gegenüber metallischen Gegenständen beigetragen, die nach aus dem Stand der Technik be­ kannten Verfahren, wie spanabhebender Bearbeitung, Gießen oder Schmieden einer Vielzahl von metallischen Teilen und nachfolgendem Zusammenbau dieser Teile hergestellt werden. Der große Bereich an Formen und die sich er­ gebende Minimierung von erforderlichen Bestandteilen im Zusammenhang mit faserverstärkten Gegenständen hat ebenfalls zu dieser Popularität beigetragen. Ein Bei­ spiel eines modernen Verfahrens zur Herstellung von faserverstärkten Flugzeugpropellerblättern wird in der nachveröffentlichten DE-OS 31 38 312 beschrieben.

In der genannten Anmeldung wird ein Flug­ zeugpropellerblatt hergestellt, indem man zuerst eine Holm-Schaum-Teilemontage bildet durch Ausbildung eines Konstruktionsholmes aus einem Material wie z. B. Aluminium, den Holm mit einem aushärtbaren Kleber überzieht und einen mit aushärtbare Kleber über­ zogenen Schaum um die vorderen und hinteren Ober­ flächen des Holmes formt. Um das äußere der Holm- Schaum-Teilemontage wird dann eine faserverstärkte Haut-oder Umhüllung geformt. Wie es in der oben ge­ nannten Publikation im einzelnen ausgeführt wird, umfaßt die Umhüllung eine Anzahl von Schichten aus gewebtem Glasfaserstoff, wobei jede Schicht über der Holm-Schaum-Teilemontage durch Heften fixiert ist. Danach wird ein flüssiger Kunststoff wie z. B. ein synthetisches polymerisierbares Material durch Vakuum­ einspritzung in den Stoff geformt und dann gehärtet. Für einen Fachmann auf dem Gebiet der Herstellung von faserverstärkten Gegenständen ist es ersichtlich, daß das Anheften einer Vielzahl von Stoffschichten um eine Form wie z. B. die Holm-Schaum-Teilemontage viel Zeit erfordert und deshalb beträchtlich zur Steigerung der Herstellungskosten eines solchen Gegenstandes bei­ trägt. Insbesondere wenn es sich um einen Gegenstand mit bedeutenden Ausmaßen und komplexer Form handelt muß das Heften oft mit der Hand in einer relativ zeitraubenden Art und Weise durchgeführt werden.

Aus dem US-Patent 3 967 996 ist es ferner bekannt, zur Her­ stellung von Rotorblättern für Hubschrauber einen Kleber auf die zur Herstellung eines Rotorblatts bestimmten Lagen auf­ zubringen. Das Verkleben erfolgt dabei jedoch im Zusammenhang mit der Herstellung eines Hohlkörpers, bei dem keine direkte Umhüllung einer Vorform, die den Metallholm enthält, und deren anschließende Behandlung mit einem flüssigen Kunststoff in einer Form im Sinne der DE-OS 31 38 312 vorgesehen ist.

Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung ist deshalb die Bereitstellung eines verbesserten Verfahrens zur Herstellung von faserverstärkten Gegenständen, der in der DE-OS 31 38 312 beschriebenen Art das gekennzeichnet ist durch größere Wirtschaftlichkeit und Leichtigkeit der Durchführung. Die zur Fixierung fasrigen Materials an eine Form oder Teilemontage vor der Einspritzung einer hitzehärtbaren Substanz erforder­ liche Zeit wird verringert, und die Fixierung des faserigen Materials an die Form beeinflußt deshalb die Festigkeit des fasrigen Materials oder des ferti­ gen Gegenstandes nicht nachteilig. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 ange­ gebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Erfindungsgemäß wird bei der Herstellung eines faser­ verstärkten Gegenstandes wie z. B. eines Flugzeugpropeller­ blattes das faserige Material an die Form oder Teile­ montage durch kleine Mengen eines thermoplastischen Klebers fixiert, der sich auf einer Oberfläche des faserigen Materials befindet, wodurch Schichten des faserigen Materials an benachbarte Schichten durch Haft­ verleimung mittels Hitze und Druck entweder lokal oder über eine große Fläche des Materials fixiert werden können, anstelle des Anheftens mit einem fadenförmigen Material. Das faserige Material kann einen Stoff in Bahnform umfassen, wie z. B. einen gewebten Glas­ faserstoff. Der Kleber kann irgendein geeigneter thermo­ plastischer schmelzverarbeitbarer Kleber sein, z. B. ein Polyamid, wie z. B. ein Nylon-12-Copolymer, das in feinverteilter Form gleichmäßig auf einer Oberfläche des Stoffes aufgebracht ist. Bei der Herstellung von Flugzeugpropellerblättern wird der Kleber auf der Ober­ fläche des Glasgewebes in einer Teilchengröße im Bereich von 100 bis 400 µm und einer Dichte von 0,59 bis 5,98 g/m² Stoff (Fasermaterial) aufgebracht, wobei eine solche Dichte die Gefahr einer Beeinträchti­ gung des Fließens eines in einer nachfolgenden Ver­ fahrensstufe in das faserige Material eingeformten hitze­ härtbaren Harzes durch den thermoplastischen Kleber aus­ schaltet.

Zum weiteren Verständnis der Erfindung wird auf die folgenden Zeichnungen Bezug genommen, in denen bedeuten

Fig. 1 ist eine perspektivische Darstellung eines Flugzeugpropellerblattes, das typisch ist für einen faserverstärkten Gegenstand, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren her­ gestellt werden kann;

Fig. 2 zeigt den Querschnitt des Blattes der Fig. 1 in Richtung der Linie 2-2;

Fig. 3 ist eine perspektivische Darstellung einer bekannten Technik für das Auftragen eines faserigen Materials zur Bildung des äußersten Teiles des in den Fig. 1 und 2 dargestellten Blattes;

Fig. 4 ist eine Draufsicht auf das faserige Material und zeigt das Vorhandensein des Klebers auf einer Oberfläche des Materials;

Fig. 5 ist eine perspektivische Darstellung des er­ findungsgemäßen Auftragens des faserigen Materi­ als unter Bildung der äußeren Umhüllung des in den Fig. 1 und 2 dargestellten Blattes.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Gegen­ ständen im allgemeinen. Die Erfindung ist anwendbar für die Herstellung von faserverstärkten Gegen­ ständen, bei der eine Vielzahl von fasrigen Bahnen innerhalb einer Schalenform und/oder um die Ober­ fläche einer Form aufgeschichtet werden. Zur Veran­ schaulichung wird das verbesserte Verfahren nach­ folgend in bezug auf die Herstellung eines Flugzeug­ propellerblattes beschrieben. Für einen Fachmann ist es jedoch klar, daß das Verfahren mit gleicher Brauch­ barkeit für die Herstellung von faserverstärkten Gegen­ ständen irgendeiner gewünschten Form verwendet werden kann, bei der eine verbundene Anordnung trockener fasriger Schichten an einer Form oder Teilemontage vor dem (Spritz) Formen wünschenswert ist.

Fig. 1 zeigt ein Flugzeugpropellerblatt, wobei das Blatt ein verlängertes Tragflügelprofil 10 umfaßt, das einen äußeren Spitzenteil 12 und einen inneren Fußteil 14 besitzt. Der Tragflügelteil ist auf einem Holm 16 befestigt, der typischerweise aus Aluminium oder dgl. gebildet ist, und sich im wesentlichen über die gesamte Länge des Tragflügels erstreckt und ein Fußende 20 enthält, mit dem das Blatt an einer geeigneten Nabe ( nicht gezeigt) befestigt ist.

Das in Fig. 2 im Querschnitt gezeigte Blatt enthält den Holm, der an seinen Oberflächen mit einem geeigneten Kleber 20 überzogen ist, z. B. einem hitzehärtbaren, nicht flüchtigen modifizierten flüssigen Epoxid-Kleber. Der Kleber 20 bindet die vorderen und hinteren Schaum­ füller-Anteile an den Holm 16 an dessen vorderen und hinteren Oberflächen. Die Anteile 22 und 24 enthalten z. B. einen Zweikomponenten, semi-prepolymeren harten Urethanschaum. Wie in der oben genannten DE-OS 31 38 312 im einzelnen beschrieben, werden der Holm 16, die vorderen und hinteren Schaumfülleranteile 22 und 24 und der Kleber 20 mit Hilfe eines Formverfahrens in eine Blattanordnung gebracht, in der der Holm 16 mit dem Kleber 20 überzogen ist und sich in einer Form befindet (nicht gezeigt), die eine passend ausgestaltete innere Aushöhlung besitzt, die ebenfalls mit dem Kleber 20 vorumhüllt ist. Nach der Einfügung des Holmes wird ein schäumbares Material in die Form an den vorderen und hinteren Rändern des Holmes benachbarten Stellen eingespritzt. Die sich in der Form befindlichen Materialien werden dann er­ hitzt, um eine teilweise Härtung des Klebers 20 und eine Formung der Teile 22 und 24 zu erreichen. Die Holm-Schaum-Teilemontage, die den mit Kleber über­ zogenen Holm und die angebrachten Schaumteile enthält, wird dann auf der Form entfernt. Das Blatt wird ver­ vollständigt durch Umhüllen der Teilemontage mit einem fasrigen Material, das dann mit einem geeigneten Kunst­ stoff wie z. B. einem hitzehärtbaren Harz durch Vakuum­ spritzen imprägniert wird, um eine äußere Schicht (Haut) 26 der Tragfläche zu bilden. Dieses abschließende Formungsverfahren wird im einzelnen in der oben ge­ nannten Anmeldung beschrieben.

Bei der Bildung der Haut 26 ist es aus Gründen der Maßhaltigkeit notwendig, die Teilemontage mit dem faserigen Material so glatt wie möglich zu umhüllen. In der Praxis wurde deshalb das faserige Material in flexibler Bandform verwendet und das faserige Material der Blatt-Teilemontage angepaßt, wobei eine solche Anpassung mehrere Messungen, Handschneidearbeiten, Anpaß- und Anbringoperationen einschließt, die im allgemeinen bei der Anpassung irgendeines flexiblen Bahnmaterials an eine gewünschte Kontur oder Form verwendet werden. Eine solche Anpassung wird in der Fig. 3 gezeigt, in der eine Matrizenhälfte 30 darge­ stellt wird, die die Holm-Schaum-Teilemontage und die Bänder des faserigen Materials aufnimmt. Die Bänder werden innerhalb der Formhälfte 30 in situ angepaßt, um die durch diese Formhälfte und eine entsprechende Formhälfte (nicht gezeigt) gebildete Aushöhlung zu füllen. Die Formhälften werden dann mit der bandüber­ zogenen Teilemontage zusammengefügt, um das hitzehärt­ bare Harz in das fasrige Material einzuformen.

Typischerweise wird eine Vielzahl von aufeinanderliegen­ den Bändern des faserigen Materials in die Formhälfte 30 gelegt, bevor die Holm-Schaum-Teilemontage einge­ bracht wird. Die Teilemontage wird dann an der Ober­ seite der fasrigen Materialbänder in die Formhälfte eingebracht, wobei jedes Band dann individuell über die Teilemontage gefaltet, geschnitten und daran angepaßt wird, sowie untereinander angebracht wird. In Fig. 3 werden zwei faserige Bänder 38 und 40 ge­ zeigt. Wie vorstehend ausgeführt können diese Bänder aus irgendeinem fasrigen Material geeigneter Festig­ keit, Flexibilität und Verträglichkeit mit dem hitze­ härtbaren Harz, das nachfolgend in sie eingespritzt wird, gebildet werden. Die faserigen Bänder können z. B. einen gewebten Glasfaserstoff umfassen. In Fig. 3 wurde die Schicht 38 um die Holm-Schaum-Teilemontage gearbeitet, indem überschüssiges Material aus den Randzonen des Bandes entfernt wurde, und mehrere Teile des Bandes so ausgeschnitten wurden, daß das Band um die Blatt-Teileanordnung ohne Faltenbildung oder Zusammenballungen gewickelt werden kann, und dann wie bei 42 gezeigt mit der Hand genäht. Das auf diese Weise zugeschnittene und angeheftete Band 38 bildet eine zugeschneiderte Umhüllung um die Holm-Schaum-Teilemontage und irgendwelche darunter­ liegenden Gewebebänder. Wie gezeigt befindet sich Band 40 an sich selbst angeheftet über Band 38, wobei Band 40 zur Bildung der Ränder 44 und 46, die sich entlang eines geraden Längssaumes treffen, bereits zugeschnitten wurde. Im Band 40 wird auch ein keil­ förmiger Ausschnitt 48 gezeigt, dessen Ränder in einem Saum zusammengenäht werden, der von dem Längssaum in einer ähnlichen Weise abzweigt, wie sie für entsprechen­ de Säume in Band 38 gezeigt ist.

Für einen auf diesem Gebiet arbeitenden Fachmann ist es offensichtlich, daß ein solcher Handzuschnitt und das Nähen jedes individuellen Gewebebandes um die Blatt- Teileanordnung einen beträchtlichen Anteil der gesamten Zeit und Kosten für die Herstellung des faserverstärkten Gegenstandes verbraucht. Das Annähen jedes Bandes an sich selbst ist erforderlich um eine Bewegung der Bänder zu verhindern, wenn nachfolgende Bänder daraufge­ legt werden, und um eine Bewegung der Bänder zu verhindern, wenn die Form für die abschließende Vakuumeinspritzung des hitzehärtbaren Harzes in die Bänder geschlossen wird. Erfindungsgemäß wird ein Nähen mit der Hand vermieden und die Zeit, die für die Bandbeschichtung erforderlich ist, wird verringert, indem man die Ge­ webebänder an einer Oberfläche davon mit kleinen Mengen eines feinverteilten thermoplastischen Klebers versieht. Fig. 4 zeigt einen Teil eines Bandes aus einem gewebten Glasfaserstoff, an dessen einer Ober­ fläche eine kleine Menge eines thermoplastischen Klebers 50, wie z. B. ein Polyamid, aufgebracht ist. Obwohl in einer bevorzugten Ausführungsform ein Nylon- 12-Copolymer verwendet wird, ist die Erfindung darauf nicht beschränkt, und irgendein thermoplastischer Kle­ ber mit einem geeigneten Schmelzpunkt und Verträglich­ keit mit dem hitzehärtbaren Harz und dem in der Außen­ schicht 26 verwendeten Fasermaterial kann eingesetzt werden. Der thermoplastische Kleber wird auf dem Band mit der minimalen Dichte aufgebracht, die erforder­ lich ist um das Band an eine benachbarte Textilband­ oberfläche mit einer Stärke zu binden, die ausreichend genug ist um eine relative Bewegung der Bänder zu ver­ hindern, wenn sie in der Form aufeinandergelegt werden und wenn die Form geschlossen wird. Der Kleber braucht dem faserverstärkten Gegenstand keine Festigkeit ver­ leihen, da sich diese Festigkeit aus der Sättigung des Bahnmaterials mit dem nachfolgend eingeformten hitze­ härtbaren Harz ergibt. Wenn das Bahnmaterial einen gewebten Glasfaserstoff umfaßt, und der faserverstärkte Gegenstand ein Propellerblatt ist, kann der thermo­ plastische Kleber 50 auf das Bahnmaterial in einer Dichte von 0,59 bis 5,98 g/m² des Materials in einer Teilchengröße im Bereich von 100 bis 400 µm appliziert werden. Abhängig von der Art des verwendeten fasrigen Materials, der Geometrie der Fasermaterialbeschichtung und der Art des nachfolgend verwendeten hitzehärtbaren Klebers ist es für einen Fachmann klar, daß auch verschiedene andere Dichten und Teilchen­ größen möglich sind. Der Kleber kann auf dem Faser­ material durch irgendeine bekannte Methode aufge­ bracht werden, indem man z. B. auf das in Form eines Gewebes vorliegende Fasermaterial Teilchen des Klebers aufbringt. Während des Aufbringens des Klebers kann das Gewebe natürlich erhitzt werden, um darauf das Anhaften des Klebers zu bewirken.

Fig. 5 zeigt die Form 30, in der über einer Anzahl von Gewebeschichten in der im Zusammenhang mit Fig. 3 besprochenen Art die Holm-Schaum-Teilemontage ange­ ordnet ist, wobei im einzelnen die beiden äußeren Schichten 38 und. 40 dargestellt werden. Die Gewebe­ bahnen werden so aufeinander gelegt, daß die Ober­ fläche jeder Bahn, die den Kleber 50 enthält, gegen die vorhergehende Bahn zu liegen kommt. Auf diese Weise ist die äußere Oberfläche jeder Bahn klebstoff­ frei. Das Bahnmaterial wird in der gleichen Weise, wie dies im Zusammenhang mit Fig. 3 beschrieben ist, zugeschnitten. Wie jedoch die Fig. 4 zeigt, wird jede Textilschicht an der benachbarten Schicht durch Ver­ leimung mit dem Kleber 50 fixiert. Der Kleber wird durch Hitze und Druck aktiviert, was durch die Ver­ wendung eines elektrischen Widerstands-Handplätt­ eisens erreicht wird. Durch die Anbringung des Klebers auf nur einer Oberfläche der Bahnen kann der Kleber mit dem Plätteisen erweicht werden, ohne wirklich in Kontakt damit zu kommen, wodurch eine Verschmutzung der Oberfläche des Plätteisens verhindert wird. Die Temperatur des Plätteisens 54 wird so eingestellt, daß sie den Schmelzpunkt des Nylon-12-Copolymer-Klebers übersteigt. Wie in Fig. 5 gezeigt wird, fixiert das Plätt­ eisen 54, im Gegensatz zu dem in Fig. 3 dargestellten Nähverfahren, bei dem jede Textilschicht an sich selbst angenäht wird, jede Textilschicht an die vorhergehende Schicht (und die erste Schicht an die Holm-Schaum-Teile­ anordnung) mit ausreichender Festigkeit, um eine rela­ tive Bewegung der Schichten zu verhindern, wenn diese aufeinander gelegt werden und wenn die Formhälften vor der Vakuumeinspritzung des hitzehärtbaren Harzes in das Gewebe geschlossen werden.

Wie die Fig. 5 zeigt, erlaubt die Anordnung der Textil­ schichten 38 und 40 in dieser Weise, daß Rand 46 der Bahn 40 über Bahn 40 zurückgefaltet wird und durch das Plätteisen 54 an den Rand 44 fixiert wird, bevor jeder dieser Ränder zurechtgeschnitten wird. Das über­ schüssige Material kann dann gleichzeitig aus beiden Randzonen ausgeschnitten werden, wodurch man einen den Rand zurechtschneidenden Arbeitsvorgang in der Fasermaterialbeschichtung spart.

Obwohl das erfindungsgemäße Verfahren im Zusammen­ hang mit der Herstellung eines Propellerblattes ver­ anschaulicht wurde, ist es für einen Fachmann selbst­ verständlich, daß das Verfahren gleichermaßen zur Her­ stellung irgendeines faserverstärkten Gegenstandes geeignet ist, wie z. B. für verschiedene, andere Propeller­ systemteile (Propellerhauben, abzutrennende Teile usw.) oder faserverstärkte Gegenstände für irgendeinen anderen Zweck. Das Verfahren wurde unter Verwendung eines Nylon- 12-Copolymers, daß auf einem gewebten Glasfaserstoff aufgebracht ist, veranschaulicht. Es ist jedoch selbst­ verständlich, daß abhängig von der Art des zu bildenden Gegenstandes und den anderen Materialien, wie z. B. dem in den nachfolgenden Vakuumeinspritzstufen ver­ wendetem hitzehärtbaren Harz mit gleicher Brauchbar­ keit verschiedene Materialien verwendet werden können. Obgleich als Mittel zur lokalen Erhitzung des Klebers ein Handplätteisen beschrieben wurde, können weiters verschiedene äquivalente Techniken, wie z. B. erhitzte Pressen und dgl. zur Erhitzung des Klebers, entweder lokal oder über einen breiten Bereich des Fasermaterials, verwendet werden, ohne sich dadurch von der erfindungs­ gemäßen Lehre zu entfernen. Die vorliegende Erfindung ist,deshalb nicht auf ihre detaillierte Beschreibung begrenzte sondern umfaßt vielmehr alle äquivalenten Modifikationen davon, wie sie sich für einen Fachmann von selbst ergeben.

Claims (8)

1. Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Gegenstandes insbesondere Flügelblätter von Flugzeugpropellern und Rotorblättern enthaltend die Verfahrensstufen:
Bereitstellen einer Teilemontageform der ge­ wünschten Gestalt des faserverstärkten Gegen­ standes, Umhüllen der Teilemontageform mit faseri­ gem verstärkendem Material, Imprägnieren des faseri­ gen Materials mit einem härtbaren Kleber, und Formen des imprägnierten faserigen Materials zu einer äußeren Haut des faserverstärkten Gegen­ standes gemäß der Gestalt der Teilemontageform,
dadurch gekennzeichnet, daß es vor dem Formen des faserigen Materials zur Haut die folgenden Verfahrensschritte enthält:
Bereitstellen des faserigen Materials in einer Vielzahl von Bahnen (38, 40), von denen jede eine kleine Menge eines thermoplastischen Klebers (50) auf einer seiner Oberflächen enthält, Auf­ bringen der Bahnen aus faserigem Material (38, 40) eine über der anderen auf der Teilemontageform, wobei eine erste dieser Bahnen mit der Teile­ montageform und jede der nachfolgenden Bahnen (40) mit einer vorhergehenden Bahn (38) durch Hitze und Druck verleimt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hitze und der Druck auf das faserige Material an einzelnen Stellen appliziert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hitze und der Druck auf das faserige Material auf einer breiten Fläche davon appliziert werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verleimen jeder Bahn (40) mit der vorher­ gehenden benachbarten Bahn (38) manuell mittels eines Plätteisens (54), das auf der Erweichungs­ temperatur des Klebers gehalten wird, bewirkt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kleber in einer Menge von ca. 0,59 bis ca. 5,98 g Kleber/m² Material aufgebracht ist.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das faserige Bahnmaterial einen gewebten Glas­ faserstoff enthält.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der thermoplastische Kleber ein synthetisches polymeres Material enthält.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das synthetische polymere Material ein Nylon- 12-Copolymers enthält.