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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung
von Stücken,
die aus Verbundmaterialien entweder aus Prepregs oder auf nassem
Weg, der eine Wärmevernetzung
erfordert, hergestellt werden. Die Erfindung gilt beispielsweise für das Gebiet
der Schiffskonstruktion für
die Herstellung von schalenförmigen
Werkstücken
oder Hauben mit großen
Abmessungen der Art von jenen, die für die Herstellung von U-Booten
verwendet werden.
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Die
bekannte und derzeit verwendete klassische Lösung besteht im Herstellen
der Verbundstücke
durch Formen in herkömmlichen
Werkzeugausrüstungen,
wie in US-A-3043017 und im Oberbegriff von Anspruch 1 beschrieben.
In einer ersten Zeit wird eine metallische Hohlform auf die Abmessungen
des gewünschten
Verbundstücks
maschinell bearbeitet. Dann bringt man die verschiedenen Bestandteile
des herzustellenden Stücks
in die Innenfläche
dieser Formgebungsform ein. Schließlich wird die Baugruppe, die
aus der Metallform und der Auskleidung besteht, in einem Ofen oder
einem Autoklaven bei einer Temperatur angeordnet, die ausreicht,
um die Polymerisation zwischen den verschiedenen Bestandteilen auszuführen.
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Eine
derartige Herstellung weist jedoch zahlreiche Nachteile auf:
- – Die
Herstellung der Form ist kostspielig. Um eine Temperatur in der
Größenordnung
von 150°C
auszuhalten, wenn sich die Baugruppe aus Form und Auskleidung in
der Aushärtungsphase in
einem Ofen oder einem Autoklaven befindet, ist es erforderlich,
eine maschinell bearbeitete Metallform zu verwenden, die ein Kühlsystem
integriert, um die Ausdehnungen der Elemente zu beseitigen.
- – Außerdem ist
die Verwendung dieser Art von Verfahren fast ausschließlich für Stücke mit
geringen Abmessungen reserviert. Für größere Stücke ist die Größe des entsprechenden
Heizofens untragbar. Außerdem
gilt, je größer die
Abmessungen des Stücks
sind, desto schwieriger ist eine Homogenität der Temperatur auf seiner
gesamten Oberfläche
sicherzustellen. Das ist einer der Gründe, aus denen es sehr heikel,
wenn nicht unmöglich
ist, Stücke
mit großen
Abmessungen in derartigen Öfen
oder Autoklaven herzustellen, ohne daß die Kosten äußerst hoch
sind.
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Um
auf diese Probleme zu reagieren, wurden andere Verfahren auch bereits
dargestellt. Das Patent FR 2 574 341 handelt von einer Erfindung,
die bei der Herstellung von schalenförmigen Werkstücken für Schiffe
ebenfalls mit großen
Abmessungen anwendbar ist. Es schlägt die Verwendung einer Form
aus mehreren Teilen mit elektrischen Heizschichten vor, die mit
der Außenfläche und
der Innenfläche
des herzustellenden Stücks
direkt in Kontakt gebracht werden. Dieses Verfahren kann jedoch, selbst
wenn es auf die Herstellung von Stücken mit großer Größe angepaßt werden
kann, nicht angewendet werden, wenn es erforderlich ist, Stücke mit genauen
technischen Eigenschaften herzustellen, wie die Abmessungen oder
die elektromagnetischen Eigenschaften, die beispielsweise für eine Haube
eines U-Boots geeignet sind. Die Verwendung einer Form in mehreren
Teilen ermöglicht
es nicht, eine große
Genauigkeit für
die Abmessungen des herzustellenden Stücks zu haben. Außerdem scheint
es schwierig zu sein, eine genaue Positionierung des Systems von
Heizschichten durchzuführen,
um eine gute Verteilung der Temperatur an der Baugruppe des Stücks sicherzustellen
und somit eine homogene Polymerisation dieses letzteren ohne Bildung
einer Luftblase zu garantieren.
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Das
Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, die vorstehenden
Nachteile zu beseitigen, indem sie ein Verfahren zur Herstellung
von Verbundstücken,
insbesondere mit großen
Abmessungen, mit geringeren Kosten vorschlägt.
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Ein
weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, die Herstellung von Stücken mit
Hilfe eines wenig kostspieligen Verfahrens zu ermöglichen,
während genaue
physikalische Eigenschaften wie die Abmessungen, die elektromagnetische
Permeabilität
oder auch der Schallpegel der Baugruppe eingehalten werden.
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Dazu
hat die Erfindung als Gegenstand ein Verfahren zur Herstellung eines
schalenförmigen Werkstücks aus
Verbundmaterialien, das in einer Form angeordnet werden kann und
mit Hilfe von Heizmitteln in einem Trockenofen ausgehärtet werden
soll. Dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß der Trockenofen
insbesondere durch die Form gebildet wird.
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Vorzugsweise
wird das erfindungsgemäße Verfahren
mit Hilfe einer Form mit einer Isolationsschicht ausgeführt, die
auf beiden Seiten mit einer inneren Haut bzw. einer äußeren Haut
bedeckt ist. Die innere Haut dieser Form gewährleistet folglich den Kontakt
mit dem auszuhärtenden
schalenförmigen Werkstück.
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Die
innere und die äußere Haut
der Form können
aus Schichtverbundmaterialien und die Isolationsschicht aus Polymethacrylimid-Materialien bestehen.
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Vorzugsweise
umfassen die Heizmittel einen Heizdeckel, der mit Gittern ausgestattet
ist, die die Verteilung der heißen
Luft gewährleisten,
die von einem Heißluftgenerator
erzeugt wird, welcher mit dem Heizdeckel in Verbindung steht. Sie
umfassen auch einen Kamin, der mit einer Abzugshaube ausgestattet
ist und mit eben diesem Heizdeckel in Verbindung steht, um die abgekühlte Luft
vom Boden der Form abzusaugen. Diese Heizmittel können auch
den komplementären
Teil der Form für
die Herstellung des Trockenofens bilden.
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Der
Verfahrensgegenstand der Erfindung weist die folgenden Vorteile
auf.
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Das
Verfahren verwendet Heizmittel vom Heißluftgeneratortyp, wobei diese
Heißluft
nur mit einem Teil des auszuhärtenden
schalenförmigen
Werkstücks
in Kontakt steht, und benötigt
folglich weder einen Ofen noch einen Autoklaven mehr. Mit einem derartigen
Verfahren, das keinen direkten Kontakt mehr zwischen der erzeugten
Wärme und
der Form bietet, ist außerdem
die Verwendung von Kühlsystemen
für die
Form nicht mehr obligatorisch, da die Verformungen aufgrund der
hohen Temperaturen des Ofens in den Verfahren des Standes der Technik
beträchtlich
vermindert wurden. Dies ist folglich einer der Hauptvorteile der
Erfindung, ein Verfahren zu präsentieren,
bei dem der Trockenofen, der zum Erhitzen des schalenförmigen Werkstücks dient,
insbesondere aus der Form selbst gebildet ist.
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Ein
weiterer Vorteil der Erfindung ist die Begrenzung der Kosten der
verwendeten Produktionsmittel. Die Hohlform bildet den Trockenofen
für die Herstellung
des Stücks.
Sie erfüllt
gleichzeitig die Funktionen der Werkzeugausrüstung und die Funktionen des
Aushärtungsmittels.
Es ist folglich nicht mehr erforderlich, über einen Ofen oder einen Autoklaven
zu verfügen.
Außerdem
wird diese Form gemäß einer
speziellen Ausführungsform
der Erfindung nicht in einem Metallstück maschinell bearbeitet, sondern
wird aus Kompositstoff hergestellt, was folglich die Probleme aufgrund
der Ausdehnung der Form unter der Wirkung der Wärme um so mehr verringert.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
schlägt vorteilhafterweise
eine genaue Herstellung der Abmessungen des Stücks vor. Die Hohlform ist nicht aus
einer Zusammenfügung
von verschiedenen Formen gebildet; sie besteht aus einem einzigen
Element und wird auf die Abmessungen des herzustellenden Stücks maschinell
bearbeitet.
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Vorteilhafterweise
existiert eine Möglichkeit, die
Temperaturzyklen genau zu steuern. Die Trockenofenform ist mit einer
Konditionierungsversorgung verbunden, die es ermöglicht, die Umgebungsluft beim
Einbringen der vorimprägnierten
Elemente zu kühlen
und anschließend
einen Heizzyklus bis auf 150°C
sicherzustellen, um ihre Vernetzung zu ermöglichen.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung zeigen sich in der detaillierten,
nicht-begrenzenden nachstehenden Beschreibung.
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Diese
Beschreibung wird mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen durchgeführt, in
denen gilt:
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1 stellt einen teilweisen
schematischen Querschnitt eines Stücks im Verlauf der Herstellung gemäß dem Verfahrensgegenstand
der Erfindung bei dem Schritt des Heizens des auszuhärtenden
Stücks dar;
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2 ist ein teilweiser Schnitt
des Details A der 1,
welcher eine Form darstellt, die mit dem Stück aus Verbundmaterialien,
das ausgehärtet
werden soll, verbunden ist.
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Mit
Bezug auf 1 hat die
Erfindung als Gegenstand ein Verfahren zur Herstellung eines Stücks aus
Verbundmaterialien des Typs schalenförmiges Werkstück 10.
Dieses schalenförmige
Werkstück
weist eine Innenseite 10a und eine Außenseite 10b auf,
wobei die Außenseite 10b mit
einer Form 20 in Kontakt stehen soll, wenn das auszuhärtende Stück 10 im
Inneren dieser Form angeordnet wurde. Sobald es angeordnet ist,
besteht der nachfolgende Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens
aus dem Aushärten
des schalenförmigen
Werkstücks 10 im
Inneren eines Trockenofens 60 durch Heizmittel von dem
Typ, der Heißluft
erzeugt. Diese Heizluft steht jedoch nicht in direktem Kontakt mit
der aus der Form und dem schalenförmigen Werkstück bestehenden Baugruppe,
sondern nur mit der Innenseite 10a dieses schalenförmigen Werkstücks 10.
Dies wird folglich ausgeführt,
indem die Form 20 als Bestandteil eines Teils des Trockenofens 60 genommen
wird, in dem das schalenförmige
Werkstück 10 ausgehärtet werden
soll.
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Immer
noch mit Bezug auf 1 nimmt
man sich vor, eine U-Boot-Haube herzustellen, die durch das Stück 10 identifiziert
ist. Diese Haube hat Abmessungen von ungefähr 8,9 Metern im Durchmesser
und einer Höhe
von ungefähr
6,75 Metern. Es handelt sich folglich um ein Stück mit großer Abmessung, wobei Stücke mit
kleineren Abmessungen natürlich
auch mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens
hergestellt werden können.
Dieses schalenförmige
Werkstück 10 besteht
aus mehreren Schichten aus vorimprägnierten Verbundmaterialien.
Es wird mit Hilfe einer spezifischen Werkzeugausrüstung hergestellt,
die aus der Trockenofen-Hohlform 20 besteht. Diese Form 20 wurde
vorher aus Verbundmaterialien mit den Maßen des Endstücks hergestellt. Es
ist zu beachten, daß dieses
letztere ebenso auch in einer herkömmlichen Gestalt einer Form,
die aus dem Stand der Technik bekannt ist, des Typs Stahlform vorliegen
kann. In einer bevorzugten Ausführungsform besteht
sie, wie in 2 dargestellt,
aus einer inneren Haut 11, der sogenannten heißen Haut, in
Kontakt mit dem herzustellenden Stück 10. Diese heiße Haut
ist von der äußeren Haut 13,
der sogenannten kalten Haut, durch einen Kern 12 aus Schaum
getrennt, der die Isolation zwischen den zwei Häuten sicherstellt. Diese Ausführung ermöglicht es
unter anderem, das Risiko einer Ausdehnung der Form bezüglich jenem,
das bei einer Stahlform besteht, zu verringern, trägt jedoch
auch zum Liefern einer bestimmten Homogenität in der Verteilung der von
den Heizmitteln 40, 41, 42, 43, 50 erzeugten Wärme bei.
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Die
aus dem schalenförmigen
Werkstück 10 und
der Form 20 gebildete Baugruppe wird durch ein Traggestell 30 auf
dem Boden abgestützt.
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In
dieser bevorzugten Ausführung,
wie in 1 dargestellt,
weist die Form 20, die einen Teil des Trockenofens bildet,
in dem das schalenförmige Werkstück 10 ausgehärtet wird,
eine Form auf, die im wesentlichen einem halben Rotationsellipsoid
vergleichbar ist, in dessen Innerem das schalenförmige Werkstück 10 angeordnet
werden soll. Am oberen Teil dieser Form 20 können wir
den ersten Teil 40, 41, 42, 43 der
Heizmittel 40, 41, 42, 43, 50 finden,
der auch als zur Form 20 komplementärer Teil für die Herstellung des Trockenofens 60 dient,
indem das durch diese Form 20 erzeugte Volumen geschlossen wird.
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Wir
verfügen
zuallererst über
einen Heizdeckel 40 oder einen Deckel der Trockenofenform 20, der
aus einem vollständig
isolierten Metallkasten besteht. Er weist am unteren Teil Gitter 41 auf,
die die Verteilung der Heißluft
am Umfang sicherstellen, was in 1 durch
Pfeile dargestellt ist, die ihre Bewegung im Inneren des Volumens
symbolisieren, welches durch die spezifische Geometrie der Form 10 und
folglich des Trockenofens 60 erzeugt wird. Diese Gitter 41,
die mit Flügeln
ausgestattet sind, ermöglichen
die Regelung der Durchgangsgeschwindigkeit an jeder Ausgangsmündung, was
folglich eine ausgedehnte Homogenität der Wärme in Kontakt mit dem auszuhärtenden
schalenförmigen
Werkstück 10 sicherstellt.
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Der
Heizdeckel 40 ist in seinem mittleren Teil auch mit einer
Mündung
zum Absaugen der abgekühlten
Luft vom Boden der Form ausgestattet. Diese Mündung besteht aus einem Kamin 42 und
einer Abzugshaube 43, die die Luft zum Deckel leitet.
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Schließlich umfaßt der zweite
Teil, der die Heizmittel bildet, einen Heißluftgenerator 50,
der auch Konditionierungsversorgung genannt wird. Dieser Generator
ermöglicht
es bei den Phasen des Einbringens der vorimprägnierten Verbundstoffe, Luft
zu pulsieren und eine Temperatur aufrechtzuerhalten, die ausreichend
niedrig ist, um ihre Handhabung zu gestatten. Er gewährleistet
anschließend
in der Vernetzungsphase das Pulsieren von Heißluft und die Rückführung der
abgekühlten
Luft nach ihrer Ansaugung, die durch den Kamin 42 und die
Abzugshaube 43 durchgeführt
wird.
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Obwohl
dies in 1 nicht dargestellt
ist, bestehen die Heizmittel 40, 41, 42, 43, 50 auch
aus einem System, das die Steuerung der Emission von Luft sowie
die Steuerung ihrer Temperatur ermöglicht. Es integriert schließlich ein
Rückverfolgungssystem,
das die Speicherung der Aushärtungszyklen sicherstellt.
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Das
Herstellungsverfahren für
ein Stück
des Typs U-Boot-Haube umfaßt
vier Hauptphasen, die folgende sind.
- – Herstellung
einer rohen Form;
- – Herstellung
eines Traggestells und dessen Befestigung an der rohen Form;
- – Endbearbeitung
der Form auf das endgültige Maß;
- – Formen
des schalenförmigen
Werkstücks.
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Die
erste Phase dieses Verfahrens gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung besteht aus dem Herstellen einer rohen Form 20,
die zur Herstellung des Endstücks 10 dienen
soll. Dazu führt
man die folgenden Schritte durch.
- – Herstellung
eines Steckerdummys mit grober geometrischer Form mit geringeren
Kosten und ohne Streben nach Präzision.
Seine Herstellung erfolgt durch Sperrholzwappen und Tannenlattenwerke;
- – Formgebung
und Positionierung von feinen Platten aus Verbundstoff, die mit
einem Aufblätterungsfilm
auf den zwei Seiten ausgestattet sind, auf diesem Dummy mit Hilfe
eines doppelseitigen Klebefilms;
- – Beschichten
dieser Plattenbaugruppe mit glasfaserverstärktem Werkzeugepoxyharz. Diese Baugruppe
bildet folglich die heiße
Haut 21 der zukünftigen
Form 20;
- – Aufbringen
des Isolationsmaterials 22 auf diese heiße Haut.
Dieses Material kann vom Typ Polymethacrylimid-Schaum, Balsaholz
oder von jeglichem anderen ähnlichen
Material sein;
- – Auftragen
der kalten Haut 23 der Form auf das Isolationsmaterial
durch ein herkömmliches
Verfahren des Typs nasser Weg, das mit Hilfe einer Imprägnieranlage
mechanisiert wird.
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Die
zweite Phase besteht aus dem Herstellen eines Traggestells, dann
aus dem festen Verbinden mit der Form, bevor diese Baugruppe umgedreht wird,
sobald sie gebildet ist. Dazu führt
man die folgenden Schritte durch.
- – Herstellung
eines Traggestells 30 der Form 20 parallel zu
jener der ersten Phase, welches aus Glas/Epoxy-Sandwichelementen
mit einem Kern aus Balsaholz besteht;
- – Positionierung
dieses Gestells an der rohen Form und Befestigung an dieser letzteren
durch Schichtung von Verbundbändern,
indem auch Glas/Epoxy-Verbund-Winkelprofile
an jedem Schnittpunkt integriert werden, um ein Unterfangen der
Kräfte
zu ermöglichen;
- – Demontage
des Holydummys von innen;
- – Umkehren
der aus der rohen Form 20 und dem Traggestell 30 bestehenden
Baugruppe.
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Die
dritte Phase muß es
ermöglichen,
sobald ihre Ausführung
beendet ist, über
eine Form zu verfügen,
die auf die Endmaße
des herzustellenden Stücks
maschinell bearbeitet wird. Die folgenden Vorgänge sind zu unternehmen.
- – Vorfertigung
von Platten aus einem maschinell bearbeitbaren Material mit Hilfe
einer Epoxymatrize, die mit Aluminiumpulver gefüllt ist. Diese Platten weisen
Abmessungen von ungefähr
1 m × 0,5 m
und eine Dicke, die von 30 bis 40 mm variiert, auf;
- – Anbringen
der vorgefertigten Platten aus maschinell bearbeitbarem Material
auf der heißen Haut
der Form mit Hilfe eines Befestigungsklebstoffs. Der auf dieser
heißen
Haut vorhandene Aufblätterungsfilm
wird vorher entfernt;
- – Montage
der Heizmittel 40, 41, 42, 43, 50,
wie in 1 dargestellt,
durch Aufsetzen auf den oberen Teil der Form 20 und Stabilisation
des auf der heißen
Haut angebrachten Materials durch einen Aushärtungszyklus bei 150°C;
- – Maschinelle
Bearbeitung auf das Endmaß,
auf plus oder minus 2 mm, vom Inneren der Form aus durch eine maschinelle
Bearbeitungseinheit (vom Typ Turm), die sich an die Stelle der Heizmittel setzt;
- – Nach
Bildmeßkontrolle
der maschinellen Bearbeitung erhält
die Innenfläche
der Form das Aufbingen eines Endanstrichprodukts vom Typ TOP COAT,
das mit Hilfe der Heizvorrichtung auf 150°C ausgeglüht wird und schließlich mit
Hilfe einer Satinierungscreme glasiert wird, um einen perfekten
Endanstrich zu erhalten.
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Nach
dieser dritten Phase verfügt
man über eine
endgültige
Form mit den genauen Abmessungen des herzustellenden schalenförmigen Werkstücks. Die
vierte und letzte Phase gruppiert dann die verschiedenen Schritte,
die für
die Herstellung des Stücks
selbst erforderlich sind, die man in der folgenden Weise beschreiben
kann.
- – Aufbringen
der Schichten aus vorimprägnierten Verbundmaterialien.
Bei dieser Durchführung kann
die Heizvorrichtung verwendet werden, um eine ideale Temperatur
zur Behandlung der Prepregs aufrechtzuerhalten;
- – Vernetzung
der Verbundmaterialien durch Durchführen von Heizzyklen bei einer
Temperatur in der Größenordnung
von 150°C;
- – Entnehmen
des Stücks
nach der Abkühlung
aus der Form;
Ausführungsvarianten
des Verfahrens sind für
die Herstellung von jeglichem anderen Verbundstück mit kleiner oder großer Abmessung
und mit jeglicher anderen Form denkbar. Die Stücke müssen nicht in Rotationsform
vorliegen, wobei die wesentliche Bedingung darin besteht, das Luftstromsystem
zum Blasen und Ansaugen an das Innere der Trockenofenform in Abhängigkeit
von den verschiedenen für
jedes schalenförmige
Werkstück spezifischen
Formen anzupassen.