DE69911994T2

DE69911994T2 - Verfahren zum formen von verstärkten teilen

Info

Publication number: DE69911994T2
Application number: DE69911994T
Authority: DE
Inventors: Stephen Filton Bristol WILLIAMS
Original assignee: BAE Systems PLC
Current assignee: Airbus Operations Ltd
Priority date: 1998-12-22
Filing date: 1999-12-17
Publication date: 2004-09-09
Anticipated expiration: 2019-12-18
Also published as: ATE251543T1; JP2002532302A; ES2205923T3; CA2355366C; DE69911994D1; CA2355366A1; JP4132676B2; WO2000037244A1; EP1140475A1; US6355133B1; EP1140475B1; AU1871600A; GB9828368D0

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Herstellung verstärkter Komponenten, und insbesondere bezieht sich die Erfindung auf die Herstellung eines faserverstärkten Verbundgegenstandes aus Plastikmaterial mit einer einer Körperform angepassten Oberfläche.
Gegenstände, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt werden, haben eine Vielzahl von Anwendungen, aber gemäß einem Ausführungsbeispiel wird in der Beschreibung, ohne dass dies beschränkend wäre, Bezug genommen auf die Formgebung von Verstärkungskomponenten, die in der Flugzeugindustrie benutzt werden, beispielsweise auf Längsversteifungen der Außenhaut von Flugzeugen.
Wenn derartige Komponenten hergestellt werden, ist es zur Maximierung des Gefügeaufbaus erwünscht zu gewährleisten, dass die Fasern der Komponente den Konturen des Gegenstandes so dicht als möglich folgen. Eine solche Komponente kann erzeugt werden, indem manuell eine Folge von kunststoffimprägnierten Schichten laminiert wird, um einen Mehrschichtenstapel zu bilden. Dies ist jedoch sehr zeitaufwändig. „Kunststoffimprägniertes" Material besteht aus einer oder mehreren Schichten von Jibson's – Verstärkungsmaterial, das mit einem ungehärteten Kunststoff oder einem ähnlichen Matrixmaterial vorimprägniert ist.
Es ist bekannt, einen dicken Stapel von ungehärtetem kunststoffimprägniertem Material zu erzeugen, der eine Verstärkung in einer Richtung aufweist. Wie am besten aus 1 der beiliegenden Zeichnung ersichtlich, wurde eine flache Lage 2 aus ungehärtetem kunststoffimprägniertem Material mit einer Vielzahl von in einem Epoxydharz eingebetten Kohlenstofffasern hergestellt, wobei die Fasern in Richtung des Pfeiles A ausgerichtet sind und die Lage um 90° über den Rand eines Formgebungswerkzeuges 4 abgebogen wurde. Auf diese Weise wird ein L-förmiges Versteifungsglied hergestellt, und es ist ersichtlich, dass bei flächenmäßig größeren kunststoffimprägnierten Lagen zwei Biegungen gemacht werden können, um einen U-förmigen Querschnitt zu erhalten, wobei die Fasern sich in einer Richtung erstrecken. Ein solches Verfahren ist in der Druckschrift von Gutowski et al „Differential geometry and the forming of aligned fibre composites", Composites Manufacturing, Band 2, Nr. 3/4, 1991, beschrieben.
Die zur Herstellung eines Gegenstandes benutzten Verfahren dieser Art haben den Nachteil, dass sie nicht benutzt werden können, wenn die Oberfläche, an die der Gegenstand angepasst werden muss, mit Konturen versehen ist und beispielsweise eine Verzahnung oder eine Rampe aufweist oder wellenförmig gestaltet ist. Derartige geometrische Formen bewirken Ablenkungen im Pfad der Fasern, die, anstatt der Kontur zu folgen, um den Biegeradius herum verlaufen (vergleiche 2), und sie sind dann nicht länger in der gewünschten Weise in der Belastungsrichtung ausgerichtet. Der Verstärkungseffekt ist auf diese Weise nicht so wirksam.
Andererseits führt das Schneiden eines geformten Rohlings, derart, dass er sich gut der darunter liegenden Konturoberfläche anpasst, zu einem Zerschneiden der lasttragenden Fasern. 2 der beiliegenden Zeichnung zeigt ein Werkzeug 6, welches eine Modifikation des Werkzeugs 4 gemäß 1 ist und sich von diesem dadurch unterscheidet, dass die obere Oberfläche mit einer Rampe 8 versehen ist. 3 zeigt einen rechteckigen Rohling 10, der zwei Schnitten längs der Trimmlinien 12 und 14 ausgesetzt wurde, um die Konformität nicht nur über die 90°-Biegung, sondern auch über die Rampe 8 gemäß 2 zu erhalten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Herstellungsverfahren zu schaffen.
Gemäß einem Merkmal der Erfindung betrifft diese ein Verfahren zur Herstellung eines im Wesentlichen ebenen mehrlagigen Verbundgegenstandes, bestehend aus einem Plastikmaterial, verstärkt mit Fasern, die sich im Wesentlichen kontinuierlich in einer Richtung in der Ebene der Lage erstrecken, wobei der Hauptteil der Lagen in einer Hauptrichtung ausgerichtet ist und wobei der Gegenstand mit einem Rand über einer mit Konturen versehenen Oberfläche eines Formwerkzeuges angeordnet wird, wobei der Gegenstand gegen eine Bewegung in einer Richtung im Wesentlichen senkrecht zur Ebene der Lagen in der Hauptrichtung abgestützt wird und eine Kraft auf den Gegenstand in der Ebene des Gegenstandes in einer Richtung im Wesentlichen senkrecht zur Hauptrichtung der Fasern nach dem Formwerkzeug hin ausgeübt wird, wodurch der Rand des Gegenstandes in Übereinstimmung mit den Konturoberflächen des Werkzeugs gebracht wird, während die Kontinuität der Fasern im Wesentlichen erhalten bleibt.
Je nach der Viskosität des Kunstharzes des Verbundgegenstandes kann Wärme erforderlich sein, um zu gewährleisten, dass die Lagen oder Schichten oder Laminate in der Lage sind, aufeinander zu gleiten.
Im typischen Fall werden nicht alle Schichten ausgerichtet, obgleich die Fasern in jeder Schicht im Wesentlichen in einer Richtung ausgerichtet sind. Die tatsächliche Ausrichtung der Vielzahl der Schichten hängt von den strukturellen Belastungserfordernissen, beispielsweise von der Zugspannung oder Torsionsspannung, ab. Normalerweise wird ein Hauptteil der Fasern und der Schichten in einer Hauptrichtung zur Verstärkung ausgerichtet, und diese Richtung wird als 0°-Richtung bezeichnet. Verschiedene andere Schichten können dann unter 45°, 190° und 135° hierzu ausgerichtet werden, wie dies erforderlich ist. Beispielsweise können 50% der Lagen/Schichten in der 0°-Hauptrichtung verlaufen, und jeweils 20% unter 45° und 135°, und 10% unter 90°.
Die Erfindung führt zu einem Verbundgegenstand, der mit Konturen versehen ist, um beispielsweise eine Anpassung an die Form einer Verzahnung oder einer Rampe zu ermöglichen, ohne dass eine der Fasern in der Lastrichtung geschnitten wird. Die Formgebung wird dadurch bewirkt, dass eine Kraft auf den ebenen Gegenstand ausgeübt wird, während gleichzeitig irgendeine Auswölbung vermieden wird.
Vorzugsweise wird der Gegenstand dadurch festgelegt, dass er in einen Träger eingelegt wird, der eine Flexibilität in einer Richtung ermöglicht, um die erforderliche Formgebung zu bewirken, der jedoch starr ist in einer Richtung senkrecht hierzu. Vorzugsweise kann der Träger aus einem elastomeren Material bestehen, das mit im Abstand liegenden starren Stäben, beispielsweise aus Aluminium oder Stahl, verstärkt ist.
Der Träger wird vorzugsweise in einem starren Rahmen montiert, der um das Formwerkzeug herum angeordnet ist und den Gegenstand in einer Richtung nach der geformten Oberfläche während des Formprozesses führt.
Die Kraft kann durch eine Presse aufgebracht werden, die auf einen Rand des ebenen Gegenstandes wirkt. Stattdessen kann der Gegenstand, das Werkzeug, der Rahmen und der Träger in einem Gehäuse untergebracht werden, das dann evakuiert wird.
Der so hergestellte ebene verstärkte Gegenstand kann dann einer weiteren Formgebungsoperation unterzogen werden, bei der Wärme und eine Kraft angewandt werden, um eine weitere Verformung zu bewirken. Beispielsweise kann die weitere Formgebung durchgeführt werden, um eine Faltung um eine Linie in der ebenen Oberfläche des Gegenstandes zu erzeugen, wobei sich diese Linie vorzugsweise im Wesentlichen parallel zur Richtung der Fasern erstreckt, wodurch ein L-förmig gestalteter Gegenstand geschaffen wird. Eine weitere Formgebungsoperation kann durchgeführt werden, um einen im Querschnitt U-förmig gestalteten Gegenstand oder einen Gegenstand irgendeiner gewünschten Form herzustellen.
Demgemäß schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines im Wesentlichen ebenen mehrlagigen Verbundgegenstandes, wobei das Verfahren in der Lage ist, eine Anpassung an die Form eines Substrates zu schaffen, das drei aneinander grenzende Oberflächen besitzt, von denen jede im Winkel gegenüber der anderen angestellt ist, d. h. die eine Oberfläche liegt in einem von 0° abweichenden Winkel gegenüber den beiden anderen Oberflächen. Die Oberflächen können allgemein eben sein, sie können aber beispielsweise auch gewellt sein und können eine Rampe oder eine Verschränkung oder Verzahnung aufweisen.
Das Plastikmaterial des Gegenstandes kann ein thermoplastisches Material sein. Stattdessen kann das Plastikmaterial härtbar sein und beispielsweise in Wärme aushärten oder ein Material, bei dem die Aushärtung nach Vollendung der Formgebung erfolgt.
Die Verstärkungsfasern können beispielsweise aus Kohlenstoff, aus Aramid oder aus Glas bestehen.
Vorstehend wurde Bezug genommen auf Richtungen gegenüber der Orientierung der kontinuierlichen Fasern in der Ebene des Gegenstandes. Es ist jedoch klar, dass der Verbundgegenstand auch Fasern in Schichten mit unterschiedlichen Winkeln gegenüber der primären lasttragenden Richtung aufweisen kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren findet insbesondere Anwendung für einen mehrlagigen Verbundgegenstand, weil er eine erhöhte Starrheit gegenüber einem relativ flexiblen Gegenstand aus einer einzigen Schicht hat. Demgemäß hat der Gegenstand, für den das erfindungsgemäße Verfahren sich als besonders zweckmäßig erweist, wenigstens zwei Schichten, von denen jede im typischen Fall zwischen 0,125 und 0,25 mm dick ist. Im typischen Fall werden minimal acht Schichten verwandt, was eine Dicke von 2 bis 3 mm ergibt, und es kann sogar ein 5 mm dicker Stapel von 20 Schichten oder mehr geschaffen werden. Die Zahl der Schichten und demgemäß die Dicke des Gegenstandes hängt von den Belastungen ab, denen der Gegenstand im Gebrauch ausgesetzt wird.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung betrifft diese eine Vorrichtung zur Erzeugung eines im Wesentlichen ebenen mehrlagigen Verbundgegenstandes, die folgende Teile aufweist: Mittel zur Festlegung des Gegenstandes in einer Richtung im Wesentlichen senkrecht zu seiner Ebene, Mittel zur Lagerung des Gegenstandes über einer mit Konturen versehenen Oberfläche, der der Gegenstand angepasst werden soll und Mittel zum Aufbringen einer Kraft in Richtung der Ebene des Gegenstandes, um den Gegenstand in Übereinstimmung mit der mit Konturen versehenen Oberfläche zu bringen.
Die Vorrichtung ist vorzugsweise so angeordnet, dass hiermit das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann.
Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Herstellung eines mehrlagigen Verbundgegenstandes gemäß der Erfindung in Verbindung mit den 4 bis 9 der beiliegenden Zeichnung beschrieben.
4 ist eine teilweise aufgebrochene perspektivische Ansicht eines flexiblen Trägers mit einer Vorform des Gegenstandes, teilweise darin eingefügt;
5 ist eine perspektivische Stirnansicht des abgestützten Gegenstandes nach 4 innerhalb eines starren Rahmens gehalten und montiert auf einem Formgebungswerkzeug und umschlossen innerhalb eines Vakuumbehälters;
6 ist eine Stirnansicht eines abgestützten Gegenstandes gemäß 4, gehalten in einem starren Rahmen, montiert auf einem Formgebungswerkzeug und eingeschlossen in einem Vakuumbehälter;
7 ist eine perspektivische Ansicht entsprechend 6;
8 ist eine Grundrissansicht der Vorform nach einer ersten Formgebungsbearbeitung; und
9 ist eine perspektivische Ansicht des fertigen Gegenstandes auf einem Formwerkzeug, nachdem dieser Gegenstand einer weiteren Formgebungsbearbeitung unterzogen wurde.
Gemäß 4 und 5 besteht eine mehrlagige Vorform 20 aus einem rechteckigen ebenen Körper aus Epoxydharz, der Kohlenstofffasern enthält, wobei ein Hauptteil der Schichten und der Fasern sich längs der Richtung B kontinuierlich von einem Ende nach dem anderen Ende erstreckt. Dieser Vorformrohling 20 ist in einem flexiblen Träger 22 eingesetzt, der aus Gummi besteht und aus rostfreiem Stahl bestehende Versteifungsstäbe 27 eingebettet hat. Der Träger 22 besteht aus zwei Teilen, nämlich einem dreiseitigen kanalförmigen Teil 24 und einem abnehmbaren Deckelteil 26, die jeweils entsprechend gestaltete Stäbe 27 eingebettet darin enthalten. Außerdem besitzt, wie aus 5 ersichtlich, der Deckelteil 26 eine vorstehende Rippe 28, die den Rohling 20 an seinen Enden festklemmt, wenn er vollständig in den Kanalabschnitt 24 des Trägers 22 eingeschoben ist.
Gemäß 6 und 7 ist der in dem flexiblen Träger 22 angeordnete Vorformrohling 20 über seine Länge und über einen Zwischenabschnitt nur über seine Höhe zwischen zwei starren Aluminiumrahmenteilen 30 festgeklemmt. Die Rahmenteile 30 positionieren den abgestützten Rohling 20 über die obere mit Konturen versehene Oberfläche des Formwerkzeuges 6. Die Rahmen 30 wirken mit den Versteifungsgliedern 27 des Trägers 22 zusammen, um eine wesentliche Deformation des Rohlings 20 in einer Richtung senkrecht zu seiner Vertikalebene zu verhindern, wobei jedoch der Verstärkungsträger 22, der den Rohling 20 aufnimmt, in der Vertikalebene geführt werden kann. Der Rohling 20, der Träger 22 und die Rahmen 30 sind in einem Vakuumgehäuse 32 eingeschlossen (6).
Im Betrieb wird die in dem Gehäuse 32 befindliche Luft ausgepumpt, und dadurch wird eine vertikal nach unten gerichtete Belastung auf den freiliegenden oberen Abschnitt des Rohlings 20 innerhalb des Trägers 22 ausgeübt. Gleichzeitig wird Wärme angewandt, um das härtbare Material des Rohlings 20 zu erweichen, und der freiliegende untere Abschnitt des Rohlings wird daraufhin zusammen mit dem Träger 22 auf die obere Rampenkontur des Formwerkzeuges 6 gedrückt. Das Vakuum wird innerhalb des Gehäuses 32 aufrecht erhalten, während der Rohling 20 abkühlen kann und so in seiner Form erstarren kann. Die resultierende ebene Komponente 20a ist nach ihrer Entfernung aus dem Träger 22 in 8 dargestellt.
Wie aus 8 ersichtlich, ist die Komponente 20a so gestaltet, dass eine Rampe 8 mit in einer Richtung liegenden Fasern gebildet wird, die sich kontinuierlich in der Richtung B erstrecken.
9 zeigt einen weiteren Formgebungsschritt, der auf die Komponente 20a ausgeübt werden kann, wodurch die ebene Oberfläche rechtwinklig verformt wird, wobei immer noch eine Formanpassung an die Rampe 8 des Formwerkzeuges 6 aufrecht erhalten bleibt. Diese Bearbeitung wird durchgeführt, während die Komponente 20a einer erhöhten Erhitzung ausgesetzt wird, während sie weiter einem Vakuum oder einer anderen Deformationskraft ausgesetzt wird, wodurch ein Erweichen eintritt, so dass der 90°-Winkel darin ausgebildet werden kann, und die Komponente wird einer solchen Temperatur ausgesetzt, dass das Epoxydmaterial gehärtet wird. Stattdessen kann die Aushärtung während eines folgenden Arbeitsganges durchgeführt werden, beispielsweise wenn die Haupthautkomponente, der der Gegenstand zugeordnet wird, selbst gehärtet wird.
Der so hergestellte Gegenstand erstreckt sich demgemäß in drei Ebenen, die im Winkel zueinander angestellt sind, wobei die Kontinuität der in einer Richtung verlaufenden Lastträgerfasern aufrecht erhalten bleibt.
Es ist klar, dass durch geeignete Wahl des Formwerkzeuges der ursprüngliche Vorformrohling in jede gewünschte Konfiguration während des ursprünglichen Verformungsschrittes deformiert werden kann, um sich formmäßig einer Rampe, einer Verzahnung oder einer anderen Störung aus einer Ebene anzupassen, wobei gleichzeitig die Kontinuität der Fasern in der erforderlichen Lastträgerrichtung aufrecht erhalten bleibt. Außerdem kann die Verformung stattfinden für Gegenstände mit einem L-förmig oder C-förmig gestalteten Profil. Die resultierende Komponente kann dann von dem Formwerkzeug entnommen und zur Verstärkung des jeweiligen baulichen Gliedes benutzt werden, beispielsweise in Verbindung mit einer Flugzeuglängsversteifung.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines im Wesentlichen ebenen, mehrlagigen Verbundgegenstandes (20), bestehend aus einem Plastikmaterial, verstärkt mit Fasern, die sich im Wesentlichen kontinuierlich in einer Richtung (B) in der Ebene der Schicht erstrecken, wobei der Hauptteil der Schichten in einer Hauptrichtung (B) ausgerichtet ist und wobei der Gegenstand mit einem Rand über einer mit Konturen versehenen Oberfläche eines Formwerkzeuges (6) angeordnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegenstand (20) gegen eine Bewegung in einer Richtung im Wesentlichen senkrecht zur Ebene der Schichten in der Hauptrichtung abgestützt wird, wobei eine Kraft auf den Gegenstand in der Ebene des Gegenstandes in einer Richtung im Wesentlichen senkrecht zur Hauptrichtung der Fasern und nach dem Formwerkzeug (6) hin ausgeübt wird, wodurch der Rand des Gegenstandes (20) in Übereinstimmung mit den Kontur-Oberflächen des Werkzeuges (6) gebracht wird, während die Kontinuität der Fasern im Wesentlichen aufrecht erhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Abstützung des Gegenstandes dadurch bewirkt wird, dass der Gegenstand in einem flexiblen Träger (22) montiert wird, der in der Ebene der Hauptrichtung (B) des Gegenstandes (20) oder parallel zu dieser Ebene verstärkt ist.
Verfahren nach Anspruch 2, bei welchem der Träger (22) aus einem elastomeren Material besteht, das mit im Abstand zueinander liegenden starren Stäben (27) verstärkt ist.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, bei welchem der Träger in Form eines Behälters (22) ausgebildet ist, der den ebenen Gegenstand aufnimmt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei welchem die Verstärkung im Wesentlichen so angeordnet wird, dass eine Bewegung des Gegenstandes (20) in der Hauptrichtung (B) der Fasern verhindert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, bei welchem der Träger in einem starren Rahmen (30) gelagert ist, der um das Formwerkzeug (6) herum angeordnet ist und den Gegenstand (20) in einer Richtung nach der Kontur-Oberfläche des Formwerkzeuges (6) unter der Wirkung dieser Kraft führt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die auf den Gegenstand wirkende Kraft mittels einer Presse oder mittels eines Vakuum erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem nach der Konformitätsbearbeitung eine weitere Formgebung durchgeführt wird, wobei der Gegenstand (20) erhitzt und eine Kraft derart ausgeübt wird, dass eine Faltung um eine Linie in seiner ebenen Oberfläche erfolgt, die sich im Wesentlichen parallel zu der Hauptrichtung (B) der Fasern erstreckt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Plastikmaterial des Gegenstandes (20) härtbar ist und gehärtet wird, nachdem die Formgebung vollendet ist.
Verfahren nach Anspruch 9 in Abhängigkeit von Anspruch 8, bei welchem das Plastikmaterial ein in Wärme aushärtendes Material ist und bei welchem genügend Wärme nur während der weiteren Formgebung zugeführt wird, um eine Aushärtung zu bewirken.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Gegenstand (20) aus einem mit Kohlenstofffasern oder Glasfasern verstärkten Plastikmaterial besteht und als struktureller Verstärkungskörper geformt wird, wobei die Fasern in der Hauptrichtung (B) in der Hauptbeanspruchungs-Richtung angeordnet sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Kontur des Formwerkzeuges derart angeordnet ist, dass der geformte Gegenstand einer Verschränkung oder einer Rampe (8) angepasst ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Gegenstand durch die Anwendung von Wärme erweicht wird, bevor die Kraft ausgeübt wird.
Im Wesentlichen ebener, mehrlagiger Verbundgegenstand (20), der durch das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13 herstellbar ist.