EP4003731A1

EP4003731A1 - Verfahren zur herstellung eines verbundbauteils

Info

Publication number: EP4003731A1
Application number: EP20743122.2A
Authority: EP
Inventors: Jürgen Langediers; Berend Schoke; Marcel Meyer
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2019-07-30
Filing date: 2020-07-17
Publication date: 2022-06-01
Also published as: WO2021018637A1; US11840052B2; CN114174057A; US20220203665A1; DE102019120548A1

Abstract

Dargestellt und beansprucht wird ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils, das eine Bodenlage, eine Decklage und eine Wabenstruktur umfasst, mit den folgenden Schritten: • Aufbringen der Wabenstruktur auf die Bodenlage, so dass eine Vielzahl von Wabenkammern gebildet wird, • Befüllen von Wabenkammern in einem Verstärkungsbereich mit einem Granulat und Entfernen von Granulat aus anderen Wabenkammern, so dass jede Wabenkammer in dem Verstärkungsbereich bis zu einer Granulatfüllhöhe gefüllt ist und Wabenkammern außerhalb des Verstärkungsbereichs frei von Granulat sind, • Aufbringen der Decklage auf die Wabenstruktur, so dass die Vielzahl von Wabenkammern verschlossen wird, und • Erwärmen des Verbundbauteils auf eine Prozesstemperatur, bei der das in die Wabenkammern gefüllte Granulat expandiert, um die mit Granulat befüllten Wabenkammern auszufüllen, und die Decklage, die Bodenlage, die Wabenstruktur sowie das expandierte Granulat aushärten, wobei die Dichte des expandierten Granulats in den mit Granulat gefüllten Wabenkammern von der Granulatfüllhöhe abhängt. Weiterhin wird ein mittels des Verfahrens hergestelltes Verbundbauteil dargestellt und beansprucht.

Description

Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils

Die vorliegende Anmeldung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils sowie ein mit einem solchen Verfahren hergestelltes Verbundbauteil.

Derartige Verbundbauteile weisen zumindest eine Bodenlage, eine Decklage und eine zwi- sehen der Bodenlage und der Decklage angeordnete Wabenstruktur auf. Die Bodenlage und die Decklage können beispielsweise aus einer oder mehreren Schichten eines Prepreg- Materials gebildet sein. Die Wabenstruktur erstreckt sich zwischen der Bodenlage und der Decklage mit einer Vielzahl von einzelnen, voneinander getrennten Wabenkammern, also Hohlräumen. Um die Verbundbauteile zuschneiden zu können oder andere Elemente an den Verbundbauteilen befestigen zu können, müssen diese in Verstärkungsbereichen verstärkt werden, indem einzelne Wabenkammern der Wabenstruktur vollständig befüllt werden.

Zum Verstärken können beispielsweise zähflüssige bzw. pastöse Wabenfüllmaterialen ver wendet werden. Hierfür werden beispielsweise mit Mikroballons aus Glas versetzte Epoxid harze verwendet, wobei über den Anteil der Mikroballons die Dichte des Wabenfüllmaterials variiert werden kann. Die Wabenfüllmaterialien werden in die Wabenkammern eingebracht und zusammen mit der Wabenstruktur sowie der Bodenlage und der Decklage ausgehärtet. Die Verarbeitung und Lagerung des Wabenfüllmaterials ist jedoch aufwendig. Es muss bei spielswiese bei -i8°C gelagert werden und kann nach dem Auftauen auf Verarbeitungstem peratur höchstens fünf Tage gelagert werden. Zudem haftet das Wabenfüllmaterial an der Wabenstruktur, der Bodenlage und der Decklage, so dass eine Reinigung des Verbundbau teils äußerst aufwendig ist, wenn das Wabenfüllmaterial in Wabenkammern oder Wabenzel len gelangen sollte, die nicht gefüllt werden sollen.

Aufgrund dieser und weiterer Nachteile sind beispielsweise aus WO 2015/059622 Ai sphäri sche, bei Hitze aufschäumende Pellets bekannt, die statt der pastösen Wabenfüllmaterialien verwendet werden können. Die Wabenkammern des Verbundbauteils werden vollständig mit Pellets befüllt, bevor die Decklage aufgebracht wird. Im Anschluss wird das Verbundbau teil erwärmt, so dass die Pellets aufschäumen und aushärten, um sich dabei mit der Waben struktur sowie der Decklage und der Bodenlage zu verbinden. Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils sowie ein mit dem Verfahren hergestelltes Verbundbauteil bereitzustellen.

Die vorliegende Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 sowie ein Verbundbau teil nach Anspruch 15 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens sind Gegen stand der abhängigen Ansprüche.

Gemäß einem ersten Aspekt wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils gelöst, wobei das Verbundbauteil eine Bodenlage, eine Decklage und eine zwischen der Bodenlage und der Decklage angeordnete Wabenstruktur umfasst. Das Verfah ren umfasst die folgenden Schritte:

a) Aufbringen der Wabenstruktur auf die Bodenlage, so dass eine Vielzahl von Waben kammern gebildet wird, die auf einer von der Bodenlage wegweisenden Seite offen sind,

b) Befüllen von Wabenkammern während eines Befüllvorgangs in einem Verstärkungs bereich mit einem Granulat, wobei das Granulat bei einer Verarbeitungstemperatur, bei der der Befüllvorgang durchgeführt wird, nicht an der Wabenstruktur, der Boden lage oder sich selbst haftet,

c) Entfernen von zu entfernendem Granulat aus Wabenkammern, so dass nach dem Be füllen von Wabenkammern und anschließendem Entfernen von zu entfernendem Granulat jede Wabenkammer in dem Verstärkungsbereich bis zu einer Granulatfüll höhe mit dem Granulat gefüllt ist und Wabenkammern außerhalb des Verstärkungs bereichs frei von Granulat sind,

d) Aufbringen der Decklage auf die Wabenstruktur, so dass die Vielzahl von Waben kammern verschlossen wird, und

e) Erwärmen des Verbundbauteils auf eine erste Prozesstemperatur, bei der das in die Wabenkammern gefüllte Granulat expandiert, um die mit Granulat befüllten Waben kammern auszufüllen, und auf eine zweite Prozesstemperatur, bei der die Decklage, die Bodenlage, die Wabenstruktur sowie das expandierte Granulat aushärten, wobei eine Dichte des expandierten Granulats in den mit Granulat gefüllten Wabenkam mern von der Granulatfüllhöhe abhängt.

Mit anderen Worten wird bei dem Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils, bei spielsweise ein Verkleidungselement für einen Frachtraum oder die Passagierkabine eines Flugzeugs, eine Bodenplatte oder Elemente eines Monuments oder Waschraums für eine Flugzeugkabine, zunächst eine Wabenstruktur, die vorgefertigt sein kann, auf eine Bodenla ge aufgesetzt und beispielsweise mit dieser verklebt. Bei der Bodenlage kann es sich bei spielsweise um eine oder mehrere Schichten eines Prepreg-Materials handeln. Durch die Anordnung der Wabenstruktur auf der Bodenlage entsteht eine Vielzahl einzelner Waben kammern oder Wabenzellen, die hohl bzw. leer sind, jeweils voneinander getrennt sind und von einer von der Bodenlage wegweisenden Seite mit einem Granulat befüllt werden können. Die Querschnitte der Wabenkammern parallel zur Bodenlage sind vorzugweise sechseckig, können aber auch andere Formen annehmen.

Das Granulat wird bei einer Verarbeitungstemperatur in einem Verstärkungsbereich in die Wabenkammern eingefüllt. Der Verstärkungsbereich umfasst beispielsweise alle Waben kammern, durch die eine Schnittkante laufen soll, sowie solche Wabenkammern, die bei spielsweise zur Befestigung von anderen Bauteilen, verstärkt werden sollen. Zusätzlich kann der Verstärkungsbereich beispielsweise auch noch direkt angrenzende oder weitere Waben kammern umfassten. Der Verstärkungsbereich eines Verbundbauteils kann einheitlich sein, also eine geschlossene Fläche sein, oder kann vorzugsweise in mehrere, nicht notwendiger weise miteinander verbundene Unterabschnitte oder Teilbereiche unterteilt sein.

Das zum Befüllen der Wabenkammern verwendete Granulat ist bei der Verarbeitungstempe ratur frei fließend, d.h., es kann geschüttet werden und die einzelnen Körner des Granulats haften nicht oder nur leicht lösbar aneinander. Auch an der Bodenlage, der Decklage und der Wabenstruktur haftet das Granulat bei der Verarbeitungstemperatur nicht. Beispielsweise erfolgt die Verarbeitung bei einer Verarbeitungstemperatur, die zwischen 5°C und 30°C, vor zugsweise zwischen io°C und 25°C und noch bevorzugter zwischen 15°C und 20°C liegt und bei der das Granulat die vorgenannten Eigenschaften hat. Als Granulat können beispielswei se die aus WO 2010/059622 Ai bekannten kugelförmigen Pellets verwendet werden, die einen Durchmesser zwischen 0,5 mm und 0,9 mm aufweisen.

Zum Befüllen der Wabenkammern mit dem Granulat kann beispielsweise eine CNC- Dosiervorrichtung verwendet werden, die in den Verstärkungsbereichen gelegene Waben kammern automatisch mit dem Granulat befüllt. Dabei können geeignete Sensoren verwen det werden, um eine Position eines Dosierkopfes der Dosiervorrichtung relativ zu dem Ver bundbauteil zu überprüfen und gegebenenfalls zu korrigieren. Es ist allerdings auch denk bar, Wabenkammern von Hand zu befüllen. Ziel des Befüllvorgangs ist es, jede Wabenkammer bis zu einer Granulatfüllhöhe mit dem Granulat zu befüllen. Die Granulatfüllhöhe kann für alle Wabenkammern innerhalb des Ver stärkungsbereichs identisch sein. Dies hat den Vorteil, dass die Steuerung der Dosiervorrich tung vereinfacht wird und eine gleichmäßige Verteilung des Granulats erreicht werden kann, ohne dass hierfür aufwendige Steuer- und/oder Regelprozesse notwendig sind.

Es ist jedoch auch möglich, für unterschiedliche Abschnitte des Verstärkungsbereichs unter schiedliche Granulatfüllhöhen vorzusehen. In einer bevorzugten Ausführungsform sind für unterschiedliche Teilbereiche unterschiedliche Granulatfüllhöhen vorgesehen. Auch inner halb eines Teilbereiches können unterschiedliche Füllhöhen vorgesehen sein. Über die Gra nulatfüllhöhe können das Gewicht und die Belastbarkeit des Verbundbauteils variiert wer den, da Teilbereiche mit unterschiedlichen Granulatfüllhöhen nach dem Expandieren und Aushärten des Granulats unterschiedliche Dichten aufweisen, wobei die Dichte umso gerin ger ist, je niedriger die Granulatfüllhöhe ist.

Die vorgesehene Granulatfüllhöhe wird bevorzugt auf zwei alternative Weisen erreicht. In einer ersten bevorzugten Ausführungsform werden während des Befüllvorgangs Waben kammern in dem Verstärkungsbereich zunächst vollständig mit dem Granulat aufgefüllt. Nachfolgend wird das Granulat aus den vollständig aufgefüllten Wabenkammern wieder so weit entfernt, bis jede Wabenkammer in dem Verstärkungsbereich bis zu der Granulatfüll höhe mit Granulat gefüllt ist. Das Granulat wird vorzugsweise abgesaugt. Beispielsweise kann während des Befüllvorgangs noch während eine Wabenkammer befüllt wird, aus einer oder mehreren anderen Wabenkammern wieder Granulat abgesaugt werden. Dies hat den Vorteil, dass zum Befüllen der Wabenkammern eine Dosiervorrichtung mit einer stehenden Säule verwendet werden kann, bei der keine Veränderung des Granulatflusses, also der Menge von Granulat die pro Zeiteinheit in die Wabenkammern eingebracht wird, notwendig ist. Dabei können beispielsweise optische Sensoren oder Ultraschallsensoren verwendet werden, mit denen die Füllhöhe fortlaufend erfasst werden kann.

Alternativ wird auf bevorzugte Weise während des Befüllvorgangs ein Einbringen des Granu lats in die Wabenkammern so kontrolliert, dass die Wabenkammern in dem Verstärkungsbe reich nur bis zu der Granulatfüllhöhe gefüllt werden. Beispielsweise können auch hierzu op tische Sensoren oder Ultraschallsensoren verwendet werden, die die Füllhöhe fortlaufend messen. Die aktuell gemessene Füllhöhe kann sodann an eine Dosiereinrichtung oder Do siervorrichtung weitergegeben werden, die anhand der erhaltenen Daten den Fluss des Gra- nulats fortlaufend anpasst. Alternativ ist es auch möglich, die Füllhöhe des Granulats zu va riieren, indem die Geschwindigkeit angepasst wird, mit der sich ein Dosierkopf einer Do siermaschine über die offenen Wabenkammern des Verbundbauteils bewegt.

Nachdem die Wabenkammern befüllt worden sind oder auch noch während andere Waben- kammern befüllt werden, wird zusätzlich Granulat wieder aus den Wabenkammern entfernt, die außerhalb der Verstärkungsbereiche liegen und die nicht verstärkt werden sollen. Bei dem zu entfernenden Granulat kann es sich beispielsweise um Granulat handeln, das aus angrenzenden Wabenkammern übergeflossen ist oder das aufgrund einer begrenzten Genau igkeit des Füllvorgangs in die Wabenkammern außerhalb der Verstärkungsbereiche gelangt ist. Auch das zu entfernende Granulat wird vorzugsweise abgesaugt. Indem die Wabenkam mern, die außerhalb des Verstärkungsbereichs liegen, von überschüssigem Granulat gerei nigt werden, wird auf vorteilhafte Weise das Gewicht des Verbundbauteils optimiert, da kei ne Wabenkammern ausgeschäumt werden, die nicht ausgeschäumt werden müssen.

Nachdem alle Wabenkammern bis zur jeweiligen Granulatfüllhöhe befüllt worden sind, wird die Decklage auf der Wabenstruktur angeordnet und damit die Vielzahl von Wabenkammern verschlossen. Anschließend wird die gesamte Verbundplatte auf eine erste Prozesstempera tur erwärmt, bei der das Granulat aufschäumt bzw. expandiert und die verbliebenen Frei räume zwischen den einzelnen Körnern sowie oberhalb der Granulatfüllhöhe ausfüllt. Die sich einstellende Dichte des Schaumes in den einzelnen Kammern der Wabenstruktur hängt dabei entscheidend davon ab, bis zu welcher Granulatfüllhöhe die jeweilige Kammer gefüllt war, so dass auf vorteilhafte Weise die Dichte und damit die Belastbarkeit des Verbundbau teils für jede einzelne Wabenkammer kontrolliert werden kann. So können Gewicht und Be lastbarkeit des Verbundbauteils optimal aufeinander abgestimmt werden.

Anschließend wird das gesamte Verbundbauteil auf eine zweite Prozesstemperatur erwärmt, bei der die Bodenlage, die Decklage, die Wabenstruktur und das aufgeschäumte Granulat aushärten. Die erste und die zweite Prozesstemperatur sind in einer bevorzugten Ausfüh rungsform gleich, wodurch die Durchführung des Verfahrens erleichtert wird. Zudem kann während des Erwärmens des Verbundbauteils auf die erste und/oder die zweite Prozesstem peratur ein Druck auf die Decklage ausgeübt werden, so dass sich die Elemente des Ver- bundbauteils miteinander verbinden und ein Anheben der Decklage durch die aufschäu menden Granulatkörner vermieden wird. In einer bevorzugten Ausführungsform wird zuvor aus Wabenkammern entferntes Granulat zum Befüllen von anderen Wabenkammern wiederverwendet, wobei das zuvor aus Waben kammern entfernte Granulat weiter bevorzugt gereinigt wird, bevor es wiederverwendet wird. Durch die Wiederverwendung des entfernten, beispielsweise abgesaugten, Granulats kann der Anteil des Granulats verbessert werden, der tatsächlich für die Herstellung von Verbundbauteilen verwendet werden kann. Der Anteil an Materialverlusten wird somit ver ringert.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine tatsächliche Füllhöhe jeder Wabenkammer überprüft und, falls in einer Wabenkammer die tatsächliche Füllhöhe die Granulatfüllhöhe zuzüglich einer Toleranz überschreitet, Granulat aus der entsprechenden Wabenkammer entfernt. Somit wird sichergestellt, dass die Füllhöhe und damit die sich einstellende Dichte des Verbundbauteils in der jeweiligen Wabenkammer den Vorgaben entsprechen. Da die Abmessungen der Granulatkörner endlich sind, ist ein exaktes Einhalten der Füllhöhe tech nisch unmöglich. Durch die Toleranz werden Abweichungen von der vorgesehenen Granu latfüllhöhe definiert, bei deren Unterschreitung die Dichte des aufgeschäumten Granulats in einem vorgesehenen Bereich hegt und somit das fertiggestellte Verbundbauteil den Anforde rungen an seine Belastbarkeit und sein Gewicht genügen kann.

Es ist weiterhin bevorzugt, wenn vollständig aufzufüllende Wabenkammern zunächst über füllt werden, so dass Granulat aus den vollständig aufzufüllenden Wabenkammern heraus ragt, und nachfolgend aus den vollständig aufzufüllenden Wabenkammern herausragendes Granulat mit einem Schaber entfernt wird. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass die Wabenkammern vollständig gefüllt werden und bei Abnehmen des überschüssigen Granu lats tatsächlich nur solche Granulatkörner entfernt werden, die aus der Wabenkammer her ausragen. Dabei ist es bevorzugt, wenn das mit dem Schaber entfernte Granulat auf dem Schaber abgesaugt wird. So wird vermieden, dass das Granulat in andere Wabenkammern verdrängt wird und sich dort eine andere als die vorgesehene Granulatfüllhöhe einstellt bzw. die Wabenkammern überhaupt mit Granulat gefüllt werden, obwohl dies nicht vorgesehen ist.

Weiterhin ist es bevorzugt, die Bodenplatte mit der aufgebrachten Wabenstruktur während des Befüllvorgangs in Vibration zu versetzten, um das Granulat gleichmäßig in den einzelnen Wabenkammern zu verteilen. So wird eine ungleichmäßige Verteilung des Granulats in den Wabenkammern vermieden. In einer bevorzugten Ausführungsform werden beim Erwärmen des Verbundbauteils auf die erste Prozesstemperatur die mit Granulat befüllten Wabenkammern entlüftet. Vorzugsweise wird hierzu für Entlüftungszeitabschnitte die ansonsten während des Erwärmens auf die erste und die zweite Prozesstemperatur mit einem Werkzeug belastete Decklage entlastet, so dass die in den Wabenkammern befindliche Luft zwischen der Decklage und der Waben struktur entweichen kann, ohne dass Schäden an der Wabenstruktur entstehen. Alternativ oder zusätzlich kann die Decklage auch mit Öffnungen versehen sein, so dass die Luft aus den Wabenkammern durch die Decklage entweichen kann. Weiterhin ist es möglich, alterna tiv oder zusätzlich die Wabenkammern durchlässig auszubilden, beispielsweise in dem die Wabenstruktur mit Schlitzen versehen wird, so dass die aus einer Wabenkammer verdrängte Luft in andere Wabenkammern entweichen kann.

In einem zweiten Aspekt wird das der Erfindung zugrunde hegende Problem durch ein Ver bundbauteil gelöst, das mit einem Verfahren nach einer der vorhergehenden beschriebenen Ausführungsformen hergestellt wurde. Die Vorteile des Verbundbauteils entsprechen den Vorteilen des Verfahrens, mit dem sie hergestellt wurden.

Nachfolgend wird die Erfindung bezugnehmend auf die Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt

Figur l ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zur Herstellung eines

Verbundbauteils,

Figur 2a eine vertikale Schnittansicht eines Verbundbauteils während der Durchfüh rung des Verfahrens aus Figur l,

Figur 2b eine Draufsicht auf das Verbundbauteil aus Figur 2a mit einer schematisch dargestellten Dosiervorrichtung,

Figur 2c eine weitere vertikale Schnittansicht des Verbundbauteils aus Figur 2a wäh rend der Durchführung des Verfahrens aus Figur l,

Figur 3a eine seitliche Ansicht eines ersten Beispiels für eine Dosiervorrichtung zum

Befüllen von Wabenkammer eines Verbundbauteils mit Granulat,

Figur 3b eine seitliche Ansicht eines zweiten Beispiels für eine Dosiervorrichtung zum

Befüllen von Wabenkammer eines Verbundbauteils mit Granulat,

Figur 4a eine vertikale Schnittansicht eines ersten Beispiels eines Dosierkopfes für eine

Dosiervorrichtung, Figur 4b eine vertikale Schnittansicht eines zweiten Beispiels eines Dosierkopfes für eine Dosiervorrichtung,

Figur 4c eine vertikale Schnittansicht eines dritten Beispiels eines Dosierkopfes für eine Dosiervorrichtung,

Figur 5a eine horizontale Schnittansicht eines ersten Beispiels eines Dosierkopfes mit einer Absaugeinrichtung,

Figur 5b eine horizontale Schnittansicht eines zweiten Beispiels eines Dosierkopfes mit einer Absaugeinrichtung,

Figur 5c eine vertikale Schnittansicht des Dosierkopfes mit Absaugeinrichtung aus

Figur 5b,

Figur 6a eine perspektivische Schnittansicht eines dritten Beispiels eines Dosierkopfes mit einer Absaugeinrichtung,

Figur 6b eine perspektivische Schnittansicht eines vierten Beispiels eines Dosierkopfes mit einer Absaugeinrichtung und

Figur 7 eine schematische Darstellung einer Verarbeitung von Granulat während ei nes beispielhaften Verfahrens zur Herstellung eines Verbundbauteils.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstel lung eines erfindungsgemäßen Verbundbauteils erläutert. Ein Flussdiagramm mit Schritten 1, 3, 5, 7 , 9, 11 des Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens ist in Figur 1 gezeigt. Die Schritte des Verfahrens 1, 3, 5, 7, 9, 11 werden nachfolgend bezugnehmend auf Figur 1 und die übrigen Figuren näher erläutert. In sämtlichen Figuren sind gleich lautende Elemente mit dem gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.

In einem ersten Verfahrensschritt 1 wird, wie in Figur 2a dargestellt, auf einer Bodenlage 13 des herzustellenden Verbundbauteils 15, das auch als Kompositbauteil 15 bezeichnet werden kann, eine Wabenstruktur 17 angeordnet. Die Bodenlage 13 besteht aus einer Mehrzahl von Schichten aus Prepreg-Materialien, die in den Figuren nicht einzeln gekennzeichnet sind. Durch die Anordnung der Wabenstruktur 17 auf der Bodenlage 13 entsteht eine Vielzahl von Wabenkammern 19, die nur in Figur 2a dargestellt sind. Jede Wabenkammer 19 ist ein Hohlraum, der auf der von der Bodenlage 13 wegweisenden Seite offen ist. Von den Waben kammern 19 sind nur einige wenige mit einem Bezugszeichen versehen worden, um zu ver meiden, dass Figur 2a aufgrund einer zu großen Anzahl von Bezugszeichen unübersichtlich wird. In den übrigen Figuren wurde auf die Darstellung einzelner Wabenkammern 19 aus dem gleichen Grund verzichtet. Das Werkstück 23 aus Bodenlage 13 und Wabenstruktur 17 ist auf einem Werkzeug 21 angeordnet.

Vor der Durchführung des zweiten Verfahrensschritts 3 wird Werkstück 23 in einer Dosier system 25 angeordnet, das einen Tisch 27 und eine über den Tisch 27 verfahrbare Dosiervor richtung 29 umfasst, die in Figur 2b näher dargestellt sind. Im zweiten Verfahrensschritt werden sodann die Wabenkammern 19 des Werkstücks 23 mit einem Granulat befüllt, die sich in einem Verstärkungsbereich 31 befinden, der in Figur 2b dargestellt ist. Konkret um fasst der Verstärkungsbereich 31 des Werkstücks 23 eine Vielzahl von Unterbereichen 31a, 31b, 31c, 3id, 3ie, 3if, 31g, 31h, 31k, 31m, 31h, an denen das herzustellende Verbundbau teil 15 aus verschiedenen Gründen verstärkt werden soll. Jeder Unterabschnitt 31a, 31b, 31c, 3id, 3ie, 3if, 31g, 31h, 31k, 31m 31h, wurde nur mit dem jeweils eindeutigen Bezugszeichen und nicht noch zusätzlich mit dem allgemeinen Bezugszeichen 31 für den Verstärkungsbe reich gekennzeichnet, um Figur 2b nicht zu überfrachten. Das Bezugszeichen 31 bezeichnet jedoch alle Unterabschnitte 31a, 31b, 31c, 3id, 3ie, 3if, 31g, 31h, 31k, 31m 31h zusammen. Wie man in Figur 2b ebenfalls erkennen kann, sind die Unterabschnitte 3if, 31h, 31k, 31h bereits mit dem Granulat befüllt worden, währen die übrigen Unterabschnitte 31a, 31b, 31c, 3id, 3ie, 31g, 31m noch befüllt werden müssen. Während des Befüllens der Wabenkam mern 19 kann der Tisch 27 des Dosiersystem 25 in Vibrationen versetzt werden, damit sich das eingebrachte Granulat gleichmäßig in der jeweils befüllten Wabenkammer 19, d.h., jeder Wabenkammer 19 für sich, verteilt.

Zum Befüllen der Wabenkammern 19 wird die Dosiervorrichtung 29 verwendet, die nachfol gend in verschiedenen Ausführungsformen bezugnehmend auf die Figuren 3a bis 7 näher beschrieben wird. Die Dosiervorrichtung 29, auch als CNC-Dosiervorrichtung 29 bezeichnet, wird über einen nicht dargestellten Steuerungsrechner kontrolliert und befüllt die Waben kammern 19 des Werkstücks 23 komplett automatisch gemäß vorher angegebener Steue rungsinformationen, die beispielsweise in Form von CAD-Daten vorgegeben werden können. Hierzu kann die Vorrichtung 29 in drei Achsen (parallel zur Ebene des Werkzeugs sowie senkrecht zu dieser Ebene) verfahren werden und den Volumenfluss von Granulat steuern bzw. überschüssiges Granulat wieder absaugen.

Beispiel für Dosiervorrichtungen 29 sind in den Figuren 3a und 3b gezeigt, die jeweils als Teil des Dosiersystems 25 aus Figur 2b verwendet werden können. Die Dosiervorrichtun gen 29 umfassen jeweils einen Vorratsbehälter 33 für das Granulat, bei dem es sich bei- spielsweise um aus WO 2010/059622 Ai bekannte kugelförmige Pellets handelt, die einen Durchmesser zwischen 0,5 mm und 0,9 mm aufweisen. Es können auch Pellets mit anderen Abmessungen verwendet werden. Die Körner des Granulat bzw. die Pellets sind so beschaf fen, dass sie bei einer Verarbeitungstemperatur von vorzugsweise zwischen io°C und 25°C frei fließen, also nicht oder nur schwach aneinander haften und ohne weiteres schüttfähig sind. Das Granulat haftet zudem auch an der Wabenstruktur 17 und der Bodenlage 13 nicht oder nur sehr wenig, so dass es leicht wieder entfernt werden kann.

Das Granulat wird aus dem Vorratsbehälter 33 über eine jeweiligen Dosierkopf 35 in die Wabenkammern 19 eingebracht, der entweder direkt auf den Wabenstruktur 17 aufliegt (Fi gur 3a) oder von der Wabenstruktur 17 beabstandet ist (Figur 3b). Jeder Dosierkopf 35 um fasst ein Verschlusselement 37, mit dem der Fluss von Granulat durch den Dosierkopf 35 gestoppt werden kann. Bei dem Verschlusselement 37 kann es sich beispielsweise um eine Klappe 37 handeln, wie in den Figuren 3a und 3b gezeigt. Allerdings sind auch andere Aus gestaltungen denkbar, wie beispielsweise in Figur 4c gezeigt, in der eine Förderschnecke 43 auch als Verschlusselement 37 eingesetzt wird. Zudem sind Niederhalter 39 vorgesehen, mit denen die Wabenstruktur 17 während des Befüllvorgangs auf die Bodenlage 13 gedrückt wird, um zu verhindern, dass sich die Wabenstruktur 17 von der Bodenlage 13 ablöst.

Verschiedene Ausführungsformen von Dosierköpfen 35 sind in den Figuren 4a bis 4c darge stellt, die jeweils als Dosierkopf 35 in den in den Figuren 3a und 3b gezeigten Dosiervorrich tungen 29 verwendet werden können. Der in Figur 4a dargestellte Dosierkopf 35 wird zum Einbringen von Granulat 41 als stehende Säule verwendete. Dabei lastet das Gewicht des in dem Vorratsbehälter 33 befindlichen Granulats 41 durchgängig auf dem Granulat 41 im Do sierkopf 35, so dass dieses als breiter Strahl mit konstantem Volumenfluss aus dem Dosier kopf 35 gedrückt wird. Dies ist insbesondere sinnvoll, wenn die Wabenkammern 19 vollstän dig mit Granulat 41 gefüllt werden sollen und der Dosierkopf 35, wie in Figur 3a gezeigt, di rekt auf der Wabenstruktur 17 aufliegt.

In Figur 4b ist eine zweite Ausführungsform gezeigt, bei der die Körner des Granulats 41 frei aus dem Dosierkopf 35 fallen. Dieser Dosierkopf 35 kann insbesondere auch dann verwendet werden, wenn die Wabenkammer 19 nicht vollständig gefüllt werden sollen, sondern ledig lich ein Befüllen bis zu einer vorgegeben Granulatfüllhöhe vorgesehen ist.

Schließlich ist in Figur 4c ein drittes Ausführungsbeispiels eines Dosierkopfes 35 gezeigt, der eine Förderschnecke 43 umfasst, mittels der der Fluss des Granulats 41 gezielt kontrolliert werden kann. Auch diese Ausführungsform ist besonders geeignet, wenn die Wabenkam mer 19 nur bis zu einer bestimmten Granulatfüllhöhe gefüllt werden sollen.

Wie vorstehend bereits erläutert, werden im zweiten Verfahrensschritt 3 die Wabenkam mer 19 des Werkstücks 23 mit dem Granulat 41 befüllt, die innerhalb des Verstärkungsbe- reichs 31 liegen. Ziel des Befüllvorgangs ist es, die Wabenkammer 19 bis zu einer vorbe stimmten Granulatfüllhöhe zu füllen, wobei die Granulatfüllhöhe für den gesamten Verstär kungsbereich 31 einheitlich sein kann oder aber für jeden Unterbereich 31a, 31b, 31c, 3id, 3ie, 3if, 31g, 31h, 31k, 31m 31h unabhängig festgelegt werden. Da die Größe der Unterberei che lediglich durch die Größe der Wabenkammern 19 nach unten hin beschränkt ist, kann grundsätzlich für jede Wabenkammer 19 ein eigenständige Granulatfüllhöhe festgelegt wer den, die zwischen 100 % (vollständig gefüllt) und einer Minimalfüllhöhe liegt. Eine Granulat füllhöhe von o % ist innerhalber des Verstärkungsbereichs nicht vorgesehen, da dieser nur mit Granulat gefüllt Wabenkammern 19 umfasst und leere Wabenkammern 19 außerhalb des Verstärkungsbereichs 31 liegen. Die Minimalfüllhöhe wird vorzugsweise so gewählt, dass die Wabenkammer 19 nach vollständigem Aufschäumen des Granulats 41 vollständig ausge füllt ist und die geringstmögliche Dichte des aufgeschäumten Granulats 41 erreicht wird.

Die Granultfüllhöhe kann auf zwei verschiedene Weisen erreicht werden. Entweder werden die Wabenkammern 19 direkt nur bis zur vorgesehenen Granulatfüllhöhe einschließlich ei nes Toleranzbereichs befüllt. Hierzu können insbesondere die in den Figuren 4b und 4c ge- zeigten Dosierköpfe 35 verwendet werden, die zudem vorzugsweise über eine optische, akus tische oder kapazitive Sensoranordnung verfügen, mit der die tatsächliche Füllhöhe laufend überwacht werden kann. Alternativ kann jede Wabenkammer 19 zunächst vollständig gefüllt werden, bevor im dritten Verfahrensschritt 5 wieder so lange Granulat 41 aus den Waben kammern 19 entfernt wird, bis die vorgesehene Granulatfüllhöhe erreicht wird. Hierzu sind insbesondere die in den Figuren 5a bis 6b gezeigten Dosierköpfe 35 mit inte grierter Absaugvorrichtung 45 geeignet, die ebenfalls als Dosierkopf 35 in den in den Figuren 3a und 3b gezeigten Dosiervorrichtungen 29 verwendet werden können. Der eigentliche Aufbau des Dosierkopfes 35 kann einem der Dosierköpfe 35 aus den Figuren 4a bis 4c ent sprechen. Die in den Figuren 5a sowie 5b und 5c gezeigten Dosierköpfe umfassen neben der Absaugvorrichtung 45 noch einen Schaber 47, der unmittelbar auf einer Oberfläche der Wa benstruktur 117 entlang geführt wird und überschüssiges Granulat 41 aufnimmt, wie man am besten in Figur 5c erkennen kann. Das aufgenommene Granulat 41 wird nachfolgend durch die Absaugvorrichtung mittels eines Unterdrucks abgesaugt. In der in der Figur 5a gezeigten Ausführungsform sind der Schaber 47 und die Absaugvorrichtung 45 unmittelbar in den Dosierkopf 35 integriert, während sie in der in den Figuren 5b und 5c gezeigten Ausfüh rungsformen beabstandet angeordnet sind. Hierdurch kann die Relativanordnung von Scha ber 47 und Dosierkopf 35 an verschiedene Füllgeometrien angepasst werden.

Bei den in den Figuren 6a und 6b gezeigten Ausführungsbeispielen ist die Absaugvorrich tung 45 direkt in den Dosierkopf 35 integriert. So ist beispielsweise in Figur 6a ein ringför miger Hohlraum 49 vorgesehen, der zur Wabenstruktur 17 hin eine ringförmige Öffnung 51 aufweist, durch die Granulat 41 aus den Wabenkammern 19 abgesaugt werden kann.

Ähnliches ist in der in Figur 6b gezeigten Ausführungsform vorgesehen. Hier umfasst die Absaugvorrichtung 45 zusätzlich ein oder mehrere Isolierelemente 53, die auf die Oberfläche einer Wabenstruktur 17 abgesenkt werden können, um eine einzelne Wabenkammer 19 von den übrigen Wabenkammern 19 zu separieren bzw. abzutrennen, um sicherzustellen, dass Granulat 41 jeweils nur in die eine Wabenkammer 19 eingebracht bzw. nur aus der einen Wabenkammer 19 abgesaugt wird. Hier wird überschüssiges Granulat durch einen Spalt 55 zwischen den Isolierelementen 53 und dem Dosierkopf 35 abgesaugt.

Im dritten Verfahrensschritt 5 wird jedoch nicht nur überschüssiges Granulat 41 aus Waben kammer 41 entfernt, die Teil des Verstärkungsbereichs sind, um den vorgesehene Granulat füllhöhe zu erreichen. Vielmehr wird zusätzlich auch Granulat 41 aus den Wabenkammer 19 abgesaugt, die außerhalb des Verstärkungsbereichs 31 hegen und die daher nicht verstärkt werden sollen. So wird auf bevorzugte Weise vermieden, dass sich das Gewicht des Ver bundbauteils 15 unnötig erhöht.

Das abgesaugte Granulat 41 kann auf vorteilhafte Weise weiterverwendete werden, wie in Figur 7 schematisch dargestellt ist. Das mit dem Dosierkopf 35 mit integrierter Absaugvor richtung entfernte Granulat 41 wird in der bevorzugten Ausführungsform, die in das Dosier system 25 aus Figur 2b integriert sein kann, zunächst in einen Unterdruckbehälter 57 abge saugt und von dort in eine Reinigungsstation 59 weitergeleitet, in der das abgesaugte Granu lat aufbereitet wird. Das gereinigte Granulat wird über ein Mischventil 61 wieder in den Vor ratsbehälter 33 des Dosiersystems 25 geleitet, wobei mittels des Mischventils 61 das Verhält nis zwischen aufbereitetem Granulat aus der Reinigungsstation 59 und neuem Granulat aus einem Lagerbehälter 63 eingestellt wird, um eine ausreichende Qualität des Granulats si cherzustellen. Wenn sämtliches überschüssiges Granulat aus den Wabenkammer 19 entfernt wurde, so dass sämtliche Wabenkammer 19 innerhalb des Verstärkungsbereichs 31 innerhalb einer Toleranz bis zur jeweiligen Granulatfüllhöhe mit Granulat 41 befüllt worden sind und aus allen außerhalb des Verstärkungsbereichs 31 gelegenen Wabenkammer vollständig, d.h., vorzugsweise so weit wie technisch sinnvoll, entfernt wurden, wird im vierten Verfahrens schritt 7 die Decklage 65 auf das Werkstück 23 aufgebracht, die in Figur 2c dargestellt ist.

Im fünften Verfahrensschritt 9 wird schließlich das Verbundbauteil 15 auf eine erste Prozess temperatur erwärmt, bei der das Granulat 41 in den Wabenkammern 19 aufschäumt und diese ausfüllt. Dazu wird das Werkstück 25 zwischen einem oberen Werkzeug 67 und einem unteren Werkzeug 69 fest gehalten, so dass sich das Werkstück 25 nicht verformen kann. Damit sich das Granulat 41 ungehindert ausdehnen kann, wird jedoch das obere Werkzeug 67 für Entlüftungszeiträume angehoben, damit zuvor noch Luft, die sich mit dem Granulat 41 in den Wabenkammern 19 befindet, entweichen kann.

Schließlich wird in einem abschließenden sechsten Verfahrensschritt 11 das Werkstück 25 zum Verbundbauteil 15 ausgehärtet. Hierzu wird vorliegend die Prozesstemperatur konstant gehalten, da die erste Prozesstemperatur, bei der das Granulat 41 expandiert bzw. auf schäumt, und die zweite Prozesstemperatur, bei der das aufgeschäumte Granulat 41, die Bo denlage 13, die Wabenstruktur 17 und die Decklage 65 aushärten und sich miteinander ver binden, gleich sind. Auch während des sechsten Verfahrensschritts 11 wird das Werkstück 25 zwischen dem oberen und dem unteren Werkzeug 67, 69 gehalten.

Mit dem beispielhaften Verfahren wird somit ein Verbundbauteil 15 hergestellt, das lokal verstärkt wurde, indem Granulat 41 gezielt in Wabenkammern 19 in dem Verstärkungsbe reich 31 eingebracht und aufgeschäumt wird. Da die Füllhöhe in den einzelnen Wabenkam mern 19 eingestellt werden kann, ist es zudem möglich, die Dichte der ausgeschäumten Wa benkammern 19 gezielt an die auftretenden Belastungen anzupassen und somit eine mög lichste gutes Gleichgewicht aus ausreichend hoher Belastbarkeit und geringem Gewicht des Verbundbauteils 15 zu erreichen, was insbesondere in der Luftfahrt von Vorteil ist, bei der bereits geringe Gewichtsreduzierungen deutliche Kraftstoffeinsparungen mit sich bringen. Zudem kann der Anteil des tatsächlich im Verbundbauteil 15 verwendeten Granulats 41 ge genüber herkömmlichen Verfahren deutlich erhöht werden, da überschüssiges Granulat 41 abgesaugt, aufbereitet und weiterverarbeitet werden kann.

Claims

Ansprüche

1. Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils (15), das eine Bodenlage (13), eine Decklage (65) und eine zwischen der Bodenlage (13) und der Decklage (65) angeord nete Wabenstruktur (17) umfasst, mit den folgenden Schritten:

a) Aufbringen der Wabenstruktur (17) auf die Bodenlage (13), so dass eine Vielzahl von Wabenkammern (19) gebildet wird, die auf einer von der Bodenlage (13) wegweisenden Seite offen sind,

b) Befüllen von Wabenkammern (19) während eines Befüllvorgangs in einem Ver stärkungsbereich (31) mit einem Granulat (41), wobei das Granulat (41) bei einer Verarbeitungstemperatur, bei der der Befüllvorgang durchgeführt wird, nicht an der Wabenstruktur (17), der Bodenlage (13) oder sich selbst haftet,

c) Entfernen von zu entfernendem Granulat (41) aus Wabenkammern (19), so dass nach dem Befüllen von Wabenkammern (19) und anschließendem Entfernen von zu entfernendem Granulat (41) jede Wabenkammer (19) in dem Verstärkungsbe reich bis zu einer Granulatfüllhöhe mit dem Granulat (41) gefüllt ist und Waben kammern (19) außerhalb des Verstärkungsbereichs (13) frei von Granulat (41) sind,

d) Aufbringen der Decklage (65) auf die Wabenstruktur (17), so dass die Waben kammern (19) verschlossen werden, und

e) Erwärmen des Verbundbauteils (15) auf eine erste Prozesstemperatur, bei der das in die Wabenkammern (19) gefüllte Granulat (41) expandiert, um die mit Granu lat (14) befüllten Wabenkammern (19) auszufüllen, und nachfolgend auf eine zweite Prozesstemperatur, bei der die Decklage (65), die Bodenlage (13), die Wa benstruktur (17) sowie das expandierte Granulat (41) aushärten, wobei eine Dich te des expandierten Granulats in den mit Granulat (41) gefüllten Wabenkammern (19) von der Granulatfüllhöhe abhängt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei zuvor aus Wabenkammern (19) entferntes Granu lat (41) zum Befüllen von anderen Wabenkammern (19) wiederverwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das zuvor aus Wabenkammern (19) entfernte Granulat (41) gereinigt wird, bevor es wiederverwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei während des Befüllvorgangs Waben kammern (19) in dem Verstärkungsbereich (31) zunächst vollständig mit dem Granu lat (41) aufgefüllt werden und nachfolgend das Granulat (41) aus den vollständig auf gefüllten Wabenkammern (19) entfernt wird, bis jede Wabenkammer (19) in dem Verstärkungsbereich (31) bis zu der Granulatfüllhöhe mit dem Granulat (41) gefüllt ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei während des Befüllvorgangs ein Einbrin gen des Granulats (41) in die Wabenkammern (19) so kontrolliert wird, dass die Wa benkammern (19) in dem Verstärkungsbereich (31) nur bis zu der Granulatfüllhöhe gefüllt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei eine tatsächliche Füllhöhe jeder Wabenkammer (19) überprüft wird und, falls in einer Wabenkammer (19) die tatsächliche Füllhöhe die Granulatfüllhöhe zuzüglich einer Toleranz überschreitet, Granulat (41) aus der entsprechenden Wabenkammer (19) entfernt wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei vollständig aufzufül lende Wabenkammern (19) zunächst überfüllt werden, so dass Granulat (41) aus den vollständig aufzufüllenden Wabenkammern (19) herausragt, und nachfolgend aus den vollständig aufzufüllenden Wabenkammern (19) herausragendes Granulat (41) mit einem Schaber (47) entfernt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei das mit dem Schaber (47) entfernte Granulat (41) auf dem Schaber (47) abgesaugt wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Verstärkungsbe reich (31) mehrere, nicht notwendigerweise miteinander verbundene Teilbereiche (31a, 31b, 31c, 3id, 3ie, 3if, 3ig, 3ih, 31k, 31m, 3m) aufweist.

10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei für unterschiedliche Teilbereiche (31a, 31b, 31c, 3id, 3ie, 3if, 31g, 31h, 31k, 31m, 31h) des Verstärkungsbereichs (31) unterschiedliche Granulatfüllhöhen vorgesehen sind, wobei Teilbereiche (31a, 31b, 31c, 3id, 3ie, 3if, 31g, 31h, 31k, 31m, 31h) mit unterschiedlichen Granulatfüllhöhen nach dem Expan dieren und Aushärten des Granulats (41) unterschiedliche Dichten aufweisen.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Bodenlage (13) mit der aufgebrachten Wabenstruktur (17) während des Befüllvorgangs in Vibration ver setzt wird, um das Granulat (41) gleichmäßig in den einzelnen Wabenkammern (19) zu verteilen.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei beim Erwärmen des Verbundbauteils (15) auf die erste Prozesstemperatur die mit Granulat (41) befüllten Wabenkammern (19) entlüftet werden.

13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei zum Entlüften der mit Granulat befüllten Wa benkammern die ansonsten während des Erwärmens auf die erste und die zweite Prozesstemperatur mit einem Werkzeug belastete Decklage für Entlüftungszeitab schnitte entlastet wird, so dass aus den Wabenkammer (19) verdrängte Luft entwei chen kann.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zu entfernendes Gra nulat (41) abgesaugt wird.

15. Verbundbauteil (15), hergestellt mit einem Verfahren nach einem der vorhergehen den Ansprüche.