DE69324312T2

DE69324312T2 - Anlage zur Herstellung von kohlefaserverstärkten Strukturen und Verfahren zur Herstellung, für Anwendungen im aeronautischen Bereich

Info

Publication number: DE69324312T2
Application number: DE69324312T
Authority: DE
Inventors: Sabato Inserra Imparato
Original assignee: Finmeccanica SpA
Current assignee: Leonardo SpA
Priority date: 1992-08-03
Filing date: 1993-07-24
Publication date: 1999-12-30
Anticipated expiration: 2013-07-25
Also published as: EP0582160B1; ITRM920590A0; ES2132155T3; EP0582160A1; ITRM920590A1; JPH06206263A; JP2895359B2; IT1262970B; US5454895A; DE69324312D1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von aus einem Stück bestehenden, monolithischen Strukturen unter Verwendung eines Materials mit Polymermatrix, die durch Fasern verstärkt und mit duroplastischen Kunststoffen vorimprägniert ist, wobei die aus diesem Material bestehenden Schichten, die durch tragende Elemente voneinander getrennt sind, in eine Form eingesetzt und mit einem Sack umhüllt werden, an den ein Vakuum angeschlossen wird.
Ein derartiges Verfahren ist aus der WO 90/01410 bekannt. Bei diesem bekannten Verfahren wird eine Reihe hohler, mit Luft gefüllter Kunststoffkörper zwischen Verbundteile gelegt, d. h. zwischen eine untere Schicht und eine obere Schicht. Diese Struktur wird dann zusammen mit der nicht abgedeckten Form durch einen Sack geschlossen, an den während der Polymerisation ein Vakuum angelegt wird. Unter der Einwirkung des Vakuums legen sich die Hohlkörper an den Schichten an und werden flachgedrückt, so daß in den Verbundkomponenten innere Hohlräume entstehen. Die Form des inneren Hohlraumes ist dabei durch die Form vorgegeben, welche die Hohlkörper unter dem Einfluß des Vakuums annehmen. Darüber hinaus hängt die äußere Form der Teile zumindest an der Oberseite von dem Sack ab. Ferner ist die Form des inneren Hohlraumes bestimmt durch die Steifigkeit der Hohlkörper aus Kunststoff, welche während des Prozesses in Abhängigkeit von den Temperaturänderungen variiert. Es ist damit sehr schwierig, eine wiederholbare und steuerbare Geometrie zu erzielen. Auf der anderen Seite können nur bestimmte Formen durch ein Flachdrücken der zylindrischen Hohlkörper erzielt werden.
Gemäß der Erfindung werden diese Nachteile dadurch vermieden, daß die Struktur in einer Hohlform gebildet wird, die oben, unten und an den Seiten geschlossen ist, und daß als tragende Elemente starre Kerne verwendet werden, die herausgezogen werden, nachdem das Vakuum auf die Struktur eingewirkt hat, welche anschließend zum Polymerisationsprozeß weitergeleitet wird.
Bei diesem neuen Verfahren wird die gesamte äußere Oberfläche sehr genau gegen die Form erzeugt. Die inneren Kerne dienen lediglich als tragende Elemente für die inneren Säcke und für das Material, welches die inneren Hohlräume umhüllt. Da die Kerne außerhalb des umhüllenden Sackes liegen, stören sie nicht die Aufbringung eines Druckes auf den Teil, der nur durch die Wirkung des umhüllenden Sackes gepreßt wird, der die Teile gegen das aufnehmende Werkzeug formt. Schließlich kann mit dem Verfahren gemäß der Erfindung praktisch jede beliebige Form für die inneren Hohlräume erzeugt werden, indem die inneren Kerne mit der gewünschten Form eingesetzt werden.
Die Erfindung führt zu einer Vereinfachung des Herstellungsverfahrens und ist besonders vorteilhaft für Anwendungsfälle in Konstruktionen der Luftfahrt, der Schiffahrt und des Eisenbahnwesens, für Gerüstkonstruktionen, militärische Anlagen (Brücken, Straßen), medizinische Ausrüstungen, die Automobilindustrie und überall dort, wo ein geringes Gewicht, effiziente Konstruktionen und hohe Qualitätsmerkmale verlangt werden.
Bekanntlich erfordern Werkstoffe und Strukturen für die Luftfahrt gleichzeitig ein geringes Gewicht und eine große Festigkeit. Bei der Herstellung solcher Strukturen hat sich der Einsatz von Verbundwerkstoffen mit duroplastischen Kunststoffen sehr stark durchgesetzt. Insbesondere hat sich herausgestellt, daß aus einem Stück bestehende Strukturen sehr effizient sind.
In den letzten Jahren hat sich eine Technik für die Herstellung von Konstruktionen mit duroplastischen Kunststoffen weitgehend bewährt. Bei diesem Herstellungsverfahren wurden Schichten aus Kohlenstoffasern, Glasfasern oder dergleichen in eine Form gegeben, wobei eine Vorimprägnierung mit duroplastischen Kunststoffen stattfand. Um die einzelnen Schichten untereinander zu verbinden und die gewünschte Form zu erhalten, wurden diese Schichten zwischen die Oberfläche des Formwerkzeugs und eine äußere, flexible Hülle in Form eines Vakuumsackes eingeschlossen.
Der Einsatz von Konstruktionselementen aus Verbundwerkstoffen, beispielsweise für die Luftfahrt und andere Anwendungsfälle, ist daher besonders vorteilhaft, weil eine Senkung der Herstellungskosten und eine Qualitätsverbesserung erzielt werden können, da die Möglichkeit der Herstellung aus einem einzigen Stück und damit in einem einzigen Schritt besteht, um kastenförmige Strukturen mit Verstärkungselementen herzustellen, welche die beiden Seiten der Struktur miteinander verbinden (vgl. Fig. 12).
Ein derartiges Herstellungsverfahren wurde bis heute so durchgeführt, daß sehr komplizierte Werkzeuge für die Schichtenbildung verwendet wurden, die häufig hohe Herstellungskosten und lange Aufheizzeiten während der Polymerisation verursachten, ohne dabei eine gleichmäßige Druckverteilung über die gesamte Oberfläche während der Polymerisation zu gewährleisten. Eine gleichmäßige Druckverteilung stellt daher die größte Schwierigkeit bei den bisherigen Techniken dar und bildet somit die Aufgabe der vorliegenden Erfindung.
Die Erfindung betrifft somit ein System, mit welchem ein Druck auf die kastenförmige Struktur aufgebracht werden kann, die gemäß Fig. 3 aus einer oberen und einer unteren Platte und aus seitlichen Stützen besteht, so daß diese Elemente aus Kohlenstoffasern und ähnlichem Material wiederholbar und gleichmäßig hergestellt werden können. Damit liegt ein System vor, welches sich durch die Vereinfachung der Herstellungswerkzeuge auszeichnet, insbesondere hinsichtlich der Vermeidung von starren oder halbstarren Elementen, die bisher notwendig waren, ohne dabei eine gleichmäßige Druckverteilung auf die Kohlenstoff-Faserschichten während des Prozesses zu gewährleisten.
In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 vorgefertigte Holme,
Fig. 2 die schematische Darstellung der Hilfsträger auf den Grundplatten des Formwerkzeugs,
Fig. 3 die schematische Darstellung des Formwerkzeugs mit den tragenden Elementen,
Fig. 4 ein tragendes Element mit schlauchförmigem Sack,
Fig. 5 den schlauchförmigen Sack,
Fig. 6 einen Schnitt durch den schlauchförmigen Sack und das tragende Element,
Fig. 7 die Anordnung der Halbholme,
Fig. 8 einen Schnitt durch die tragenden Elemente mit den Halbholmen in Arbeitslage,
Fig. 9 die obere Platte (8) und die untere Platte (4) zum Abdecken des Werkzeugs,
Fig. 10 die Endanordnung des Sackes,
Fig. 11 eine schematische Darstellung der Druckverteilung und
Fig. 12 eine kastenförmige Struktur mit Verstärkungselementen (Holme).
In Fig. 1, welche die vorgeformten Holme zeigt, erkennt man:
1 Füller,
2 vorgeformter Halbholm,
3 untere, vorbeschichtete Haut,
4 untere Platte des Formwerkzeugs.
Fig. 2 zeigt die Gesamtheit der tragenden Elemente auf Hilfsplatten des Formwerkzeugs mit
5 Befestigungselementen für Seitenplatten 6,
4 untere Platte des Formwerkzeugs,
6 Seitenplatten,
7 tragende Elemente.
Fig. 3 zeigt das Formwerkzeug mit den tragenden Elementen sowie
5 Befestigungselementen für die Seitenplatten 6,
4 untere Platte des Formwerkzeugs,
6 Seitenplatten,
7 tragende Elemente,
8 obere Platte zum Schließen des Formwerkzeugs.
In Fig. 4, welche ein tragendes Element mit schlauchförmigem Sack zeigt, sind dargestellt:
7 tragendes Element,
11 schlauchförmiger Sack;
B-B zeigt die Schnittebene der Fig. 6.
In Fig. 5 ist der schlauchförmige Sack gezeigt mit
14 Ventil für Unterdruck,
15 Verschluß des Sackes.
Fig. 6 zeigt den schlauchförmigen Sack und das tragende Element im Schnitt, wobei zu erkennen sind:
7 tragendes Element,
10 innerer Trennfilm,
11 schlauchförmiger Sack,
12 atmendes Gewebe,
13 äußerer Trennfilm,
14 Ventil für das Vakuum.
Die Positionierung der Halbholme ist in Fig. 7 dargestellt, wobei
2 vorgeformte Halbholme,
7 tragendes Element, welches gemäß Fig. 6 beschichtet ist.
Fig. 8 ist eine Schnittdarstellung der hilfsweise vorgesehenen, tragenden Elemente mit den in Position gebrachten Halbholmen, wobei
2 vorgeformte Halbholme,
7 tragende Elemente,
10 Trennfilm,
11 schlauchförmiger Sack,
12 atmendes Material,
13 Trennfilm.
Fig. 9 zeigt die Abschlußplatten für das Formwerkzeug, wobei
3 untere Haut zum Abschluß der Integralstruktur,
19 obere Haut zum Abschluß der Integralstruktur,
4 untere Platte des Formwerkzeugs,
8 obere Platte des Formwerkzeugs.
In Fig. 10 ist der Endzustand des Sackes zu erkennen, insbesondere mit
4, 8 untere bzw. obere Platte,
6 Seitenplatten,
7 tragende Elemente,
16, 17, 18 Bestandteile des äußeren Sackes, nämlich
- Trennfilmfolie 18,
- atmendes Material 17,
- Filmsack 16,
- Vakuumventil 14,
- Abdichtmaterial 15.
Die Erfindung ist nachstehend anhand des nicht einschränkenden Ausführungsbeispiels erläutert, das in den Figuren gezeigt ist.
Um eine kastenförmige Struktur mit Versteifungselementen in einem einzigen Zyklus herzustellen, werden die folgenden Werkstoffe, Geräte und Anlagen benötigt:
- eine Rolle eines Materials mit Polymermatrix, die vorimprägniert und mit Fasern unterschiedlicher Art verstärkt ist, beispielsweise aus Kohlenstoff, Aramiden, Glas oder dergleichen,
- Hilfswerkstoffe für die Herstellung des Vakuumsackes,
- Raum mit Regelung von
Temperatur
Feuchtigkeit
Staubanteil
- Autoklav, bestehend aus einem geschlossenen Behälter, der die Durchführung eines Temperatur- und Druckzyklus erlaubt.
Nachstehend wird nun das Verfahren beispielhaft erläutert, wie es derzeit vom Erfinder bevorzugt wird. Dabei ist festzuhalten, daß sowohl das System als auch das Verfahren auch so angewendet werden können, daß einige Schritte und/oder Werkstoffe untereinander ausgetauscht werden können, ohne dadurch den Erfindungsgedanken zu verlassen.
Vorbereiten des Materials, welches aus dem Kühlraum entnommen wird, wo es bei tiefer Temperatur von etwa -20ºC gehalten wurde, worauf es außerhalb belassen wird, bis sich an der äußeren Schutzhülle keine Kondenstropfen mehr bilden, d. h. bis es die gewünschte Temperatur (der Umgebung) angenommen hat. Schneiden des imprägnierten Materials in den durch den Entwurf vorgegebenen Richtungen und Mengen.
Die Geräte werden durch Aufbringen von Trennmitteln in Form eines Films, eines Sprays, Teflon oder dergleichen vorbereitet. Das Verfahren gemäß der Erfindung wird in den folgenden Schritten durchgeführt:
a) Überziehen jedes tragenden Elementes 7 mit einer Schicht aus einem Trennfilm 10, um ein Herausnehmen zu einem späteren Zeitpunkt zu erleichtern, und danach mit einem schlauchförmigen Sack 11, wobei an jeder Seite eine überstehende Länge von etwa einem halben Meter belassen wird, damit anschließend eine Versiegelung möglich ist,
b) Einhüllen jedes tragenden Elementes 7 über den schlauchförmigen Sack 11 mit einem atmenden Material 12, dessen Enden mit einem geeigneten Dichtungsmittel verschlossen werden,
c) Überziehen jedes tragenden Elementes 7 über dem Trennfilm 7 mit einem schlauchförmigen Sack 11, einem atmenden Material 12 und einem schlauchförmigen Trennfilm 13, wobei an jeder Seite eine überstehenden Länge von etwa einem halben Meter belassen wird, um das anschließende Versiegeln zu ermöglichen,
d) Versiegeln des Endes jedes schlauchförmigen Filmes mit einem Versiegelungsmittel 15 und Anbringen eines Ventils 14 an jedem Ende, um ein Vakuum erzeugen zu können,
e) Aufbringen eines Unterdrucks und Warten, bis der schlauchförmige Trennfilm 13 alle Schichten gegen das tragende Element 7 drückt,
f) Anlegen der vorgefertigten Halbholme der gesamten Struktur über jedes der tragenden Elemente, die in den Schritten (a) bis (e) hergestellt wurden (Fig. 12).
Die Vorfertigung besteht im Anlegen eines Unterdrucks und der Wahl einer Temperatur, die geeignet sind, daß das vorimprägnierte Material eine vorbestimmte Form annimmt, ohne hierbei zu polymerisieren.
g) Auf jede der Platten 4 und 8, welche das Formwerkzeug abschließen, wird eine Schicht des vorimprägnierten Material als obere Haut 19 und untere Haut 3 aufgebracht,
h) Auflegen der tragenden Elemente mit den zugehörigen Halbholmen auf die untere Platte 4,
i) Einbringen von Füllern 1,
j) Auflegen der oberen Platte 8 mit den Schichten der vorimprägnierten Haut 19 auf die gesamte Anordnung,
k) Abdecken der gesamten Anordnung mit Trennfilmmaterial 18 und atmendem Material 17,
l) Abdecken der gesamten Anordnung mit einem Filmsack 16 und Versiegeln des Sackes auf der unteren Platte des Formwerkzeugs mit Hilfe des Versiegelungsmittels 15,
m) Öffnen der Enden des Trennfilmsackes 13 und Abschneiden der Längen, welche über die tragenden Elemente 7 überstehen,
n) Entfalten der Enden der schlauchförmigen Säcke 11 und Versiegelung ihrer Enden mit dem Dichtungsmittel 15,
o) Bilden des Umhüllungssackes durch Versiegelung der Kante des äußeren Sackes 16 an der unteren Platte 4, der Kante des Filmsackes 16 mit den Enden der schlauchförmigen, inneren Säcke 11 und der Enden der nebeneinander liegenden, schlauchförmigen Säcke miteinander,
p) Anlegen eines Unterdrucks gewünschter Größe an den Ventilen 14,
q) Aufrechterhalten des Unterdrucks, bis der äußere Filmsack 16 eng auf der Außenseite des Formwerkzeugs anliegt, das aus den Elementen 4, 6, 8 besteht,
r) Öffnen der Enden jedes schlauchförmigen Sackes 11,
s) weiteres Aufbringen von Unterdruck. Die schlauchförmigen Säcke 11 trennen sich von den tragenden Elementen 7, wodurch das in dem Umhüllungssack vorhandene Volumen minimiert wird,
t) Herausziehen der tragenden Elemente 7,
u) Überführen der gesamten Anordnung in einen Autoklaven oder Ofen oder dergleichen und Durchführen der Polymerisation.
Das oben erläutere Verfahren mit der zugehörigen Ausrüstung eignet sich für:
- korrekte Positionierung der vorgeformten Stangen, die in dieser Position über die Schließoperationen des Formwerkzeugs und die Herstellung des Umhüllungssackes gehalten werden,
- gleichmäßiges Aufbringen eines Druckes über die gesamte Oberfläche des Bauteils während der Polymerisation (vgl. Fig. 11).

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von aus einem Stück bestehenden, monolithischen Strukturen unter Verwendung eines Materials mit Polymermatrix, die durch Fasern verstärkt und mit duroplastischen Kunststoffen vorimprägniert ist, wobei die aus diesem Material bestehenden Schichten, die durch tragende Elemente voneinander getrennt sind, in eine Form eingesetzt und mit einem Sack umhüllt werden, an den ein Vakuum angeschlossen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur in einer Hohlform gebildet wird, die oben, unten und an den Seiten geschlossen ist, und daß als tragende Elemente (7) starre Kerne verwendet werden, die herausgezogen werden, nachdem das Vakuum auf die Struktur eingewirkt hat, welche anschließend zum Polymerisationsprozeß weitergeleitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die folgenden

- Schritte:

(a) Vorbereiten der Werkzeuge der Form durch Aufbringen eines Trennmittels in Form eines Films, eines Sprays, Teflon oder dergleichen,

(b) Überziehen jedes tragenden Elementes (7) mit einer Schicht aus einem Trennfilm (10) und danach mit einem schlauchförmigen Sack (11), wobei an jeder Seite eine überstehende Länge belassen wird,

(c) Einhüllen jedes tragenden Elementes (7) über dem schlauchförmigen Sack (11) mit einem atmenden Material (12), dessen Enden mit einem Adhäsionsband befestigt werden,

(d) Überziehen jedes tragenden Elementes mit einem schlauchförmigen Trennfilm (13), wobei an jeder Seite eine überstehende Länge belassen wird,

(e) Versiegeln des Endes jedes schlauchförmigen Filmes (13) mit einem Abdichtmaterial (15),

(f) Aufbringen eines Unterdrucks und Warten, bis der schlauchförmige Trennfilm (13) alle Schichten gegen das tragene Element (7) drückt,

(g) Anlegen von vorgefertigten Holmen (2) gegen jedes nach den vorstehenden Punkten (a) bis (f) behandelte, tragende Element (7), wobei die Holme als Stützelemente der gesamten Struktur wirken,

(h) Aufbringen einer Schicht aus vorimprägniertem Material als obere Haut (19) und untere Haut (3) auf eine obere Platte (8) und eine untere Platte (4), welche die Form schließen,

(i) Auflegen der tragenden Elemente (7) mit den zugehörigen Halbholmen (2) auf die untere Platte (4),

(k) Einbringen von Füllern (1),

(l) Auflegen der oberen Platte (8) mit den entsprechenden Schichten aus der vorimprägnierten Haut (19) auf die Anordnung,

(m) Abdecken der gesamten Anordnung mit Trennfilmfolien (18) und mit atmendem Material (17),

(n) Abdecken der gesamten Anordnung mit einem Filmsack (16), der an der unteren Platte (4) des Werkzeugs mit einem Versiegelungsmittel (15) befestigt wird,

(o) Öffnen aller Trennfilmsäcke (13) an den Enden und Abschneiden der über die tragenden Elemente (7) vorstehenden Längen,

(p) Entfalten der Enden der schlauchförmigen Säcke (11) und Versiegelung ihrer Enden mit Dichtungsmittel (15),

(q) Bilden des Umhüllungssackes, Versiegeln der Kante des äußeren Sackes (16) an der unteren Platte (4), der Kante des Filmsackes (16) mit den Enden der schlauchförmigen, inneren Säcke (11) und der Enden der nebeneinander liegenden, schlauchförmigen Säcke (11) miteinander,

(r) Anlegen eines Unterdrucks, bis das Material des äußeren Sackes (16) eng auf der Außenseite des Formwerkzeugs (4, 5, 6, 8) anliegt,

(s) Öffnen der Enden jedes schlauchförmigen Sackes (11),

(t) Herausziehen der tragenden Elemente (7),

(u) Überführen der gesamten Anordnung in einen Autoklaven oder Ofen und Durchführen der Polymerisation.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zu Beginn der Operationen das Material aus einem Kühlraum entnommen und gemäß den durch den Entwurf vorgegebenen Richtungen und Mengen geschnitten wird.