LU101288B1 - Verfahren zur herstellung von grossbauteilen aus thermoplastischen faserverbundwerkstoffen - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Herstellung eines Bauteils mit einem faserverstärkten thermoplastischem Kunststoff, aufweisend die Schritte Bereitstellen eines im wesentlichen planen Paneels aus einem faserverstärkten thermoplastischem Kunststoff, Temperieren des Paneels auf eine Temperatur zwischen Glastemperatur und Kristallisationstemperatur des thermoplastischen Matrixmaterials, Biegen des Paneels, Abkühlen des gebogenen Paneels auf eine Temperatur unterhalb der Glastemperatur des thermoplastischen Matrixmaterials.
Description
AIRBUS OPERATIONS GMBH Hamburg, 17. Juni 2019 Unser Zeichen: 14606 Airbus Operations GmbH Kreetslag 10, 21129 Hamburg, Deutschland
VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG VON GROßBAUTEILEN AUS THERMOPLASTISCHEN
FASERVERBUNDWERKSTOFFEN 1S -=-==---=------"e00eces see eee SO eee CCS OS CCS
TECHNISCHES GEBIET Die Erfindung betrifft ein neues Verfahren zur Herstellung von großen Bauteilen, oft GroBbauteile genannt, aus thermoplastischen Faserverbundwerkstoffen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG GroBbauteile aus faserverstärkten Kunststoffen werden verbreitet im Fahrzeug-, Schiff- und Flugzeugbau verwendet. Faserverstärkte Kunststoffe sind Materialien bei denen in eine polymere Matrix Verstärkungsfasern eingebettet sind. Die polymere Matrix kann duromeres Polyester- oder Epoxydharz sein. Die Matrix kann auch ein thermoplastischer Kunststoff sein. In diesem Fall spricht man auch von thermoplastischen Faserverbundwerkstoffen.
: Thermoplastische Kunststoffe sind seit langem bekannt zur Herstellung von thermisch geformten Artikeln, etwa Joghurtbechern, Miilltonnen, Fensterrahmen,
-2- Plastiktüten und vielem mehr.
Dieses Formen oder Umformen kann durch SpritzgieBen, Blasformen und viele andere Verfahren erfolgen.
Thermoplastische Kunststoffe können bei Raumtemperatur amorph oder teilkristallin sein.
Amorphe Thermoplaste können transparent und hart sein wie etwa
Polycarbonat, Polystyrol oder Polymethylmethacrylat.
Teilkristalline Thermoplaste weisen amorphe und kristalline Bereiche auf.
Sie kônnen opak und zäh sein wie etwa Polypropylen, Polyethylenterephtalat, Polyamide oder Polyetheretherketon.
Sowohl amorphe als auch teilkristalline Thermoplaste lassen sich durch Aufheizen erweichen und verformen.
Oberhalb der Glastemperatur — oft als Glasübergangstemperatur bezeichnet — geht ein thermoplastisches Polymer von einem amorphen, glasartigen oder teilkristallinen Zustand in einen gummielastischen Zustand über und kann plastisch verformt werden.
Wird die Kristallisationstemperatur überschritten, so wandeln sich amorphe Bereiche in kristalline Bereiche um Oberhalb der
Schmelztemperatur lösen sich kristalline Bereiche auf und der thermoplastische Kunststoff wird flüssig.
Im Fall von duromeren Materialien ist eine zerstôrungsfreie Verformung dagegen kaum möglich, da diese Materialien durch chemische Vernetzung während des Aushärtens ihre Form irreversibel erhalten.
Großbauteile wie etwa Flugzeugrümpfe, Raketenstufen oder Fahrgastzellen werden üblicherweise aus einer Mehrzahl von vorproduzierten Schalenelementen hergestellt, die später verbunden werden.
Im Fall von Flugzeugen werden diese Schalenelemente auf ein Gerüst aus Spanten und Längsversteifungen montiert und mit diesen mit zahlreichen Nieten verbunden.
Es hat nicht an Versuchen gefehlt, diese Produktionsweise zu vereinfachen.
So wurde beispielsweise versucht, auf einen zylinderförmigen Kern durch Umwickeln mit Fasermaterial zylindrische Bauteile herzustellen, wie das bei der Herstellung von Angelruten oder Surfmasten bereits in kleinerem Maßstab bekannt ist.
Ein solchen Verfahren auf Großbauteile zu übertragen ist allerdings sehr komplex und es werden Werkzeuge von sehr großer Dimension benötigt, etwa Autoklaven, innerhalb derer der Härtungsprozess durchgeführt wird.
-3-
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG Eine Aufgabe der Erfindung liegt folglich darin, faserverstärkte GroBbauteile für Fahrzeuge auf möglichst einfache Weise stabil herzustellen. Überraschend und für den Fachmann nicht vorhersehbar hat sich nun herausgestellt, dass Verfahren zum Herstellung eines Bauteils aus einem faserverstärkten thermoplastischem Kunststoff, aufweisend die Schritte: a) Bereitstellen eines im Wesentlichen planen Paneels aus einem faserverstärkten thermoplastischem Kunststoff, b) Temperieren des Paneels auf eine Temperatur zwischen Glastemperatur und Kristallisationstemperatur des thermoplastischen Matrixmaterials, c) Biegen des Paneels, d) Abkühlen des gebogenen Paneels auf eine Temperatur unterhalb der Glastemperatur des thermoplastischen Matrixmaterials den Nachteilen des Standes der Technik abhilft. Dadurch ist ein schnelles Aufwärmen und Abkühlen der Materialien möglich. Ferner ist keine ausgefeilte Temperaturkontrolle erforderlich, es genügt wenn die Grenzwerte nicht unter bzw. überschritten werden. Das Verfahren erlaubt eine große Bandbreite der Temperaturen für den Umformschritt. Bei PEKK als Matrixmaterial liegt beispielsweise die Glastemperatur bei 150°C und die Kristallisationstemperatur bei 210°C. Für einen erfindungsgemäßen Umformprozess muss die Temperatur zwischen 160°C und 200°C liegen. Unterhalb der Kristallisationstemperatur wird der Thermoplast durch schnelles Aufheizen oder Abkühlen nicht geschädigt. Es kann auch oberhalb der Kristallisationstemperatur aber unterhalb der Schmelztemperatur gearbeitet werden, dabei muss kontrolliert abgekühlt werden. Weiterhin kann Schritt b) vor Schritt c) erfolgen oder alternativ kann Schritt c) vor Schritt b) erfolgen. Bei der letztgenannten Variante wird das Paneel vorgebogen und durch Temperieren fixiert.
-4- Bevorzugt ist es, wenn das gebogene Paneel ganz oder teilweise die Form des Mantels eines Zylinders oder eines Konus mit rundem oder ovalem Querschnitt aufweist.
Grundsätzlich kann jeder Hohlkôrper mit einer annähernd gleichmäßigen gewôlbten Oberfläche hergestellt werden, sofern ein geeigneter Zuschnitt des zuvor planen Paneels dies ermöglicht.
In begrenztem Umfang können auch Ecken und Kanten realisiert werden.
Weiterhin ist es möglich Ausschnitte, Aufdickungen oder Verstärkungen ggf. aus einem kompatiblen, jedoch vom dem Paneelmaterial abweichenden Material vorzusehen.
Solche Ausschnitte können beispielsweise Türen, Klappen, Fenster oder konstruktiv bedingt Aussparungen sein.
All dies lässt sich gut durch automatische Faserlege (automated fiber placement, AFP) oder Bandlege- Verfahren (automated tape laying, ATL) vorfertigen.
Und in Form eines Paneels mit all dieses speziellen Ausformungen bereitstellen.
Weiter bevorzugt ist es, wenn auf der Oberfläche des gebogenen Paneels eine Mehrzahl von Verstärkungselementen angeordnet sind, die parallel zur Drehachse des ggf. gedachten bzw. vorgebildeten späteren Zylindermantels ausgerichtet sind.
Die Anordnung der Verstärkungselemente muss so erfolgen, dass die Formgebung durch Biegen noch ermöglicht wird.
Das heißt, die Verstärkungselemente müssen so positioniert sein dass entlang ihrer Längsachse eine Formgebung durch Biegen erfolgen kann.
Weiter ist es bevorzugt, wenn das in Form eines Zylindermantels gebogene Paneel eine Verbindungsstelle zum Schließen des Zylindermantels aufweist.
Das Schließen des Zylindermantels kann dadurch ermöglicht werden, dass zur Überlappung geeignete Laschen vorgesehen sind, die anschließend vernietet oder verschweißt werden.
Weiter ist es bevorzugt, wenn das Paneel auf um ein im Wesentlichen zylindrisches Formwerkzeug gebogen wird.
Wie oben bereits geschildert ist es auch möglich konus- oder kegelförmige Werkzeuge zu verwenden.
Der Querschnitt dieser Werkzeuge kann von der Kreisform abweichen und oval oder elliptisch sein.
Weiter ist es bevorzugt, wenn das im Wesentlichen zylindrische Formwerkzeug mit weiteren radial angeordneten Verstärkungselementen bestückt ist, die beim Biegen zugleich auf dem Paneel positioniert werden.
Dabei sind zwei Varianten möglich:
-5- Zum Einenkônnen auf die Oberfläche des zylindrische Formwerkzeuges bereits vormontierte Spante und Stringer angeordnet werden. Diese kônnen während des Formgebungsprozesses mit dem Paneel verbunden werden. Dabei ist es weiterhin möglich, dies in einem Schritt mit dem Formen zu ermöglichen, beispielsweise durch Schweißen. Zum Anderen können die Stringer bzw. Längsversteifungen auf das ebene Panel geschweißt und anschließend erfindungsgemäß gebogen werden. Weiterhin ist bevorzugt, wenn das Paneel Aussparungen, etwa für Fenster und Türen aufweist, auf die Rahmen und/oder Verstärkungen positioniert und/oder angebunden werden. Besonders bevorzugt ist es, wenn das thermoplastische Matrixmaterial PEKK oder PEAK darstellt. Diese Materialien können insbesondere im Flugzeugbau vorteilhaft zum Einsatz kommen. Das Verfahren kann aber auch mit vielen anderen thermoplastischen Matrixmaterialien betrieben werden, wie Polyamid, Polypropylen oder Polystyrol. Diese Materialien sind im Fahrzeugbau verbreitet. Die Erfindung umfasst auch einen Rumpf einen Luftfahrzeugs umfassend ein gebogenes Paneel nach einem der vorangehenden Ansprüche. Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungs- beispiele und den Figuren. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich und in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung auch unabhängig von ihrer Zusammensetzung in den einzelnen Ansprüchen oder deren Rückbezügen. In den Figuren stehen weiterhin gleiche Bezugszeichen für gleiche oder ähnliche Objekte.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN Figur 1 zeigt den grundsätzlichen Weg zur Herstellung eines zylindrischen Großbauteils.
Figur 2 zeigt einen Apparat zur Durchführung des Anspruchs gemäßen Verfahrens.
-6-
AUSFÜHRUNGSFORMEN Figur 1 zeigt den grundsätzlichen Weg zur Herstellung eines zylindermantelfôrmigen GroBbauteils 1. Zunächst wird ein ebenes Paneel aus faserverstärktem Thermoplast 2 bereitgestellt. Dieses wird entlang einer Heizzone 3 auf eine lokale Temperatur aufgeheizt, die zwischen Glastemperatur und Kristallisationstemperatur des Matrixmaterials gewählt wird. Die Heizzone 3 kann bevorzugt geradlinig sein. Entlang der Heizzone 3 kann ein Teil des Paneels 5 aus der Ebene des unverformten Teils des Paneels 4 gebogen werden. Durch Verschieben des Paneels 2 relativ zur Heizzone kann das zuvor flache, ebene Paneel 2 zu einem Zylindermantel 6 geformt werden. Auch andere Formen kônnen so hergestellt werden. Dieser Zylindermantel 6 weist noch eine offene Fügestelle 7 auf. Diese kann mit Hilfe eines bandfôrmigen Streifens (but strap) oder einer laschenfôrmigen Überlappungsstelle geschlossen werden, wodurch ein geschlossen zylindermantelfôrmiges Bauteil entsteht. Das Fügen kann durch Nieten, Induktionsschweissen oder UltraschallschweiBen erfolgen. UltraschallschweiBen eignet sich besonders für das VerschweifBen einer Lasche, Induktionsschweissen für das VerschweiBen eines Streifens / but straps.
Figur 2 zeigt einen Apparat zur Durchführung des Anspruchs gemäfen Verfahrens. Auf ein Formwerkzeug 8 wird ein Paneel aus kohlefaserverstärktem thermoplastischem Kunststoff 2 abgelegt. Bei Bedarf kann dies mit Längsverstärkungen 9 versehen sein. Ein zweites Formwerkzeug 10 ist so eingerichtet, das es an die Form des zu erzeugenden Bauteils angepasst ist und Paneel 2 und Längsverstärkungen 9 aufzunehmen vermag. Dazu weist das zweite Formwerkzeug 10 Aussparungen 11 jeweils zwischen zwei Anpressflächen 11a für die Längsverstärkungen 9 auf und kann das Paneel 2 nebst Längsverstärkungen 9 | über das Heizgerät 12 fördern. Eine Mehrzahl an Rollen 13 erlaubt das Biegen des Paneels 2 entlang der durch Temperatureinwirkung des Heizgerätes 12 erweichten Zone. Eine Temperaturmesseinrichtung 14 erlaubt die Kontrolle der Temperatur des | |
-7- verformbaren Bauteils. Das geformte Bauteil kann nach zurück Ziehen der Anpressflächen 11a entnommen werden. Ergänzend sei darauf hingewiesen, dass ,aufweisend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt, und „ein“ oder ,eine“ keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
eee
-8-
BEZUGSZEICHEN 1 zylindermantelformiges GroBbauteil 2 Paneel aus faserverstärktem Thermoplast 3 Heizzone 4 unverformter Teils des Paneels 5 anderer Teil des Paneels 6 Zylindermantel 7 offene Fügestelle 8 Formwerkzeug 9 Längsverstärkungen 10 zweites Formwerkzeug 11 Aussparungen lla Anpressflichen 12 Heizgerät 13 Rollen 14 Temperaturmesseinrichtung |
Claims (9)
1. Verfahren zum Herstellung eines Bauteils aus einem faserverstärkten thermoplastischem Kunststoff, aufweisend die Schritte: - Bereitstellen eines im Wesentlichen planen Paneels aus einem faserverstärkten thermoplastischem Kunststoff, - Temperieren des Paneels auf eine Temperatur zwischen Glastemperatur und Kristallisationstemperatur des thermoplastischen Matrixmaterials, - Biegen des Paneels, - Abkühlen des gebogenen Paneels auf eine Temperatur unterhalb der Glastemperatur des thermoplastischen Matrixmaterials.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das gebogene Paneel ganz oder teilweise die Form des Mantels eines Zylinders oder eines Konus mit rundem oder ovalem Querschnitt aufweist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei auf der Oberfläche des gebogenen Paneels eine Mehrzahl von Verstärkungselementen angeordnet sind, die parallel zur Drehachse des ggf. gedachten Zylindermantels ausgerichtet sind.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei das in Form eines Zylindermantels gebogene Paneel eine Verbindungsstelle zum Schließen des Zylindermantels aufweist.
5. Verfahren nach Anspruch 2 bis 4, wobei das Paneel auf um ein im Wesentlichen zylindrisches Formwerkzeug gebogen wird.
- 10 -
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei das im Wesentlichen zylindrische Formwerkzeug mit weiteren radial angeordneten Verstärkungselementen bestückt ist, die beim Biegen auf dem Paneel positioniert werden.
7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, wobei das Paneel Aussparungen aufweist, auf die Rahmen und/oder Verstärkungen positioniert und/oder angebunden werden.
8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, wobei das thermoplastische Matrixmaterial PEKK oder PEAK darstellt.
9. Rumpf einen Luftfahrzeugs umfassend ein gebogenes Paneel nach einem der vorangehenden Ansprüche.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| FG | Patent granted |
Effective date: 20201228 |