WO2007022970A1 - Pressvorrichtung zur energieeffizienten aushärtung eines sandwichbauteils für luftfahrzeuge - Google Patents

Pressvorrichtung zur energieeffizienten aushärtung eines sandwichbauteils für luftfahrzeuge Download PDF

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WO2007022970A1
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Heinz-Peter Busch
Stephan Bonk
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Airbus Deutschland Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a pressing device for energy-efficient curing of a sandwich component for aircraft with an open and mechanically sufficiently resilient core structure with one or both sides applied cover layers, wherein the sandwich component clamped between a plunger, an abutment and side walls of the pressing device to form a substantially closed interior is and at least one cover layer and / or the core structure is formed with a curable thermosetting plastic material.
  • Sandwich components for passenger cabins of aircraft are nowadays usually produced with phenolic resins.
  • a significant advantage of phenolic resins compared to other thermosetting resin systems is their favorable fire performance, which also meets the stringent fire standards prescribed for aircraft passenger cabins.
  • the phenolic resins are cured in autoclaves at a pressure of about 3.5 bar and at a temperature of 100 0 C to 180 0 C.
  • Plate-shaped, flat or spherically curved sandwich components for example, for interior trim parts for passenger cabin of aircraft, for example, with a honeycomb core structure made of aramid paper ("Nomex” ® - paper) and phenolic resin, on both sides with cover layers of a so-called "prepreg” material made of phenolic resin provided, formed.
  • the "prepreg” material is phenolic resin preimpregnated reinforcing fibers, reinforcing mats or reinforcing scrims.
  • the sandwich component is cured in an autoclave under pressure and at elevated temperature.
  • the object of the invention is to provide a pressing device for curing sandwich components, which requires a lower energy input compared to the curing in an autoclave.
  • a conveying device with which heating air can be conducted through at least one inlet in a first side wall of the pressing device with a defined hardening pressure P curing through the core structure of the sandwich component to at least one outlet in a second side wall of the pressing device,
  • - means disposed outside the press device heating means with which the heating air can be temperature controlled, so that in the region of the core structure a defined curing temperature T curing a rt u n g adjusts, - two at least partially arranged on the pressure plunger and the abutment thermal insulating layers, and
  • the inventive design of the pressing device allows due to the core structure flowing through the heating direct heating of the sandwich component from the inside out, so that the pressing device, especially in the curing of large-area sandwich components, under a relatively low energy input, for example, compared to a conventional hardening in an autoclave.
  • An embodiment of the pressing device according to the invention provides that it has a self-contained circuit, such that the at least one Inlet and the at least one outlet via a pipeline system with the involvement of the conveyor and the heater are connected together. Due to the almost complete recycling of the heating air in a self-contained circuit, this embodiment makes it possible to operate the pressing device in an energy-efficient manner.
  • a further advantageous embodiment provides that the pressing device has an open Schu Kunststoffniklauf, such that in the region of the at least one outlet, a pressure regulator is arranged, the controlled escape of the heating air in the environment or in a heat exchanger while maintaining a substantially constant curing pressure p Au s härtun g allows, and the conveyor sucks the heating air from the environment.
  • This embodiment allows a technically less complex temperature control of the heating air, although the energy input significantly increases without heat recovery.
  • the residual heat can be withdrawn and this residual heat of the sucked from the conveyor from the surrounding heating air can be supplied.
  • This embodiment allows a more energy efficient operation compared to an open system without heat recovery by means of a heat exchanger.
  • a surface heating element is arranged at least in regions between at least one pressure plate and an insulating layer.
  • the cover layers can, if necessary, additionally be heated from the outside, for example in order to accelerate or further uniform the curing process.
  • a further advantageous embodiment provides that the plunger and / or the abutment have a deviating from a planar shape surface geometry.
  • This allows the production of sandwich components, which have a curved surface geometry in a maximum of two spatial dimensions.
  • side walls of the pressing device can additionally be inclined relative to the vertical and / or have a surface geometry deviating from the planar shape.
  • the side walls are then regarded as a "part" of the plunger or the abutment of the pressing device (two-part form).
  • the plunger forms in this case, the upper mold half, while the abutment is the lower mold half.
  • Fig. 1 is a schematic cross-sectional view through the pressing device in a first embodiment
  • Fig. 2 is a schematic cross-sectional view through the pressing device in a second embodiment.
  • Fig. 1 shows the pressing device with a sandwich component therein in a first embodiment with a closed circuit.
  • the pressing device comprises inter alia a plunger 1, an abutment 2 and a first and second side wall 3,4. Front side and on the back of the pressing device are two more, not shown here, side surfaces are provided.
  • the pressure piston 1, which can be moved up and down in the vertical direction, is sealed against all four side walls and, together with the abutment 2, forms a substantially self-contained, virtually gas-tight interior space 5.
  • a sandwich component 6 which is plate-shaped in the embodiment shown.
  • the pressure stamp 1 and the abutment 2 can have a curved cross-sectional geometry in order to produce sandwich components 6 with a correspondingly curved surface geometry.
  • the surface curvature can be formed in up to two spatial directions.
  • the first and the second side wall 3, 4 together with the pressure stamp 1 or the abutment 2 in the closed state (contracted state of the pressing device) form a molding tool having a lower and an upper mold half.
  • the heating air 16 - in contrast to the schematic diagram of FIGS. 1 and 2 - directed perpendicular to the plane through the core structure 7 through the side walls, not shown in FIG.
  • the sandwich component 6 has a core structure 7 which is covered in each case with a cover layer 8, 9 on its upper side and its underside. At least the cover layers 8,9 are formed with a curable and optionally fiber-reinforced thermosetting plastic material, in particular a phenolic resin, a melamine resin, a polyester resin, an epoxy resin or the like.
  • the core structure 7 can, for example, "Nomex ®" paper or other thermoset and / or thermoplastic materials, which are optionally provided with a fiber reinforcement be formed.
  • the core structure 7 may also be formed with metal foils, with metal foams, with plastic foams, with nub structures, with perforated honeycombs or the like.
  • the core structure 7 on the one hand is sufficiently resilient in mechanical terms, so that it undergoes no deformation during the curing process in the pressing device and that the core structure 7 to the other open, that is designed drainage-capable, to allow unhindered passage of the heating air during the Allow curing process.
  • the core structure 7 can be formed, for example, as a known open Faltwabenkem Modell or with slotted honeycomb.
  • Alternative design forms of the core structure 7, such as perforated honeycombs perforated, three-dimensional knitted fabric of thread-like elements or the like, are also conceivable with a sufficient mechanical load capacity.
  • a thermal insulating layer 10 is further preferably arranged over the entire surface. Accordingly, the abutment 2 is also provided with a preferably full-surface insulating layer 11.
  • the thermal insulating layers 10,11 serve to minimize the heat loss from the interior 5 in the direction of the abutment 2 and the plunger 1.
  • the surface heating elements 12,13 are also preferably arranged over the entire surface.
  • the surface heating elements 12, 13 may be formed, for example, with electrically heatable heating foils, resistance foils or the like.
  • On the surface heating elements 12,13 are finally arranged in a conventional manner preferably full-surface pressure plates 14,15 to equalize the force of the pressing device.
  • the surface heating elements 12,13 are used for any necessary increase in heating power, if heating of the core structure 7 alone by means of the heating air 16 should not be sufficient.
  • the outlet 17 is connected via a pipe 19 with connected to the conveyor 20.
  • the conveyor 20 may be, for example, a compressor, a compressor, a blower or the like.
  • the heating air 16 reaches the heating device 22 via a further pipeline 21.
  • the heating device 22 for heating the heating air 16 can have, for example, electrical heating coils or the like for heating the heating air flowing through.
  • the heating device 22 may also have a cooling device for defined cooling of the heating air 16.
  • the temperature-controlled heating air 16 returns to the inlet 18 via a further pipeline 23.
  • the pipeline lines 19, 21 and 23 together form the piping system 24 of the pressing device.
  • the heating air 16 is always circulated in a closed circuit by means of the conveyor 20 in the direction of the black directional arrows, of which only a directional arrow 25 was provided with a reference numeral for the sake of better clarity of drawing.
  • the heating air 16 is continuously circulated through the core structure 7, so that an energy-efficient operation is established.
  • the plunger 1 is pressed with a defined force F against the abutment 2 and to the sandwich component 6 to generate i t by a defined operating pressure p Arbe.
  • the generation of the force F by a plurality of hydraulic cylinders, which are controlled by a control and regulating device, not shown.
  • Fig. 2 illustrates the basic structure of the pressing device in a second embodiment with an open heating air circuit.
  • the pressing device according to the second embodiment variant in turn has the pressure stamp 1, the abutment 2 and the two side walls 3, 4 for forming the hermetically sealed interior 5.
  • the sandwich component 6 formed with the cover layers 8, 9 and the core structure 7 is arranged.
  • both the pressure stamp 1 and the abutment 2 are likewise provided with the thermal insulating layers 10, 11, the surface heating elements 12, 13 and the pressure plates 14, 15 in a preferably full-surface configuration.
  • the inlets and outlets 17, 18 for the passage of the heating gas 16 through the sandwich component 6 are arranged in the first and second side walls 3, 4.
  • the normal ambient temperature T order overall environment of, for example 21 °
  • the ambient air pressure Pu m g Ebun g of, for example, there is 1013 hPa.
  • the pressure piston 1 by means of a not shown hydraulic system with the force F on the sandwich component 6 and thus pressed the abutment 2 to produce the required working pressure P Ar beit outside of the sandwich component 6.
  • the outlet 17 is connected via the pipe 19 to a pressure regulator 26, from which a pipe 27 leads to a heat exchanger 28.
  • the pressure regulator 26 ensures a discharge of the heating air 16 from the outlet 17 in the direction of the heat exchanger 28 with a defined volume flow and thus avoids larger pressure fluctuations of the curing pressure p Au s härtun g in the interior 5 of the pressing device .
  • the curing pressure P Au h h e r t un g can be kept almost constant by means of the pressure regulator 26 over the entire curing time of the sandwich component 6 away.
  • the pressure regulator 26 is preferably designed to be controllable by means of the control and regulating device in order, for example, to make the volumetric flow of the exiting heating air 16 variable.
  • a pressure regulator 26 for example, a continuously controllable solenoid valve (electrically controllable proportional or servo valve) or a conventional pressure reducer can be used.
  • the cooled in the heat exchanger 28 heating air 16 is discharged after flowing through the heat exchanger 28 via a further pipe 29 to the outside.
  • the initially cooler outside air passes into the heat exchanger 28, where it is at least preheated by means of the heat, which was previously extracted from the interior 5, sucked via a further pipe 31 from the conveyor 20 and in the heater 22 a - for the respective used for the sandwich component 6 resin system - optimal curing temperature T AU hardening at a corresponding curing pressure PAushärtung brought.
  • the heat exchanger 28 regardless of the open in the second embodiment of the pressing device heating system energy-efficient operation, as the heating air, which is discharged from the outlet 17 via the pressure regulator 26 into the environment, a maximum amount of heat energy is removed, which in turn from the environment sucked, initially even cooler heating air 16 is supplied to the preheating. After the tempered heating air 16 has passed the heating device 22, it passes via the pipe 23 to the inlet 18 and from there into the core structure 7 of the sandwich component 6.
  • the plunger 1 is shut down until it pushes with the force F on the sandwich component 6 and in the interior 5 of the working pressure p Arbe ⁇ t prevails.
  • the working pressure P Arb e ⁇ t is in this case at most 15 bar in order to avoid mechanical damage to the sandwich component 6, in particular the core structure 7.
  • a curing temperature T Aushärtun g of 135 ° C prevail in a formed for example with polycondensate sandwich component 6, which is kept substantially constant with the heater 22.
  • T Aushärtun g a curing temperature of 135 ° C prevail in a formed for example with polycondensate sandwich component 6, which is kept substantially constant with the heater 22.
  • the curing pressure p Au s h r rtun g by means of the conveyor 20 that the curing pressure p Aush rtun g in the region of the core structure 7 of the sandwich component 6 always has such a value, that during the curing of the polycondensate resin at the currently prevailing temperature T curing in the interior 5 no water as possible passes into the vapor phase.
  • the curing temperature T A press apparatus us h ä ten anc g of about 135 0 C, a curing pressure p A us h ar t u n g of more than 3,128 is observed as examples play bar.
  • the curing time of the sandwich component 6 is generally up to 2 hours at a curing pressure p AuSh rtun g of more than 3.128 bar and a curing temperature of about 135 0 C.
  • the above-described sequence control of the pressing device which is fully automatically controlled by the control and regulating device, is in all sandwich components with a drainable core structure, in which at least one cover layer and / or at least the core structure with a Polykon- densationsharzsystem, for example in the Form of a phenolic resin, a MeI- aminharz or the like, for water vapor suppression and the associated negative side effects, in particular in the form of vesicles and voids formation in the resin matrix, advantage.
  • a Polykon- densationsharzsystem for example in the Form of a phenolic resin, a MeI- aminharz or the like, for water vapor suppression and the associated negative side effects, in particular in the form of vesicles and voids formation in the resin matrix, advantage.
  • sandwich components in which at least one covering layer is formed with a thermoplastic plastic material can also be produced by means of the pressing device.
  • the thermoplastic cover layers are at least partially melted by means of the appropriately tempered heating air for mechanical connection to the core structure.
  • the curing temperature T s tempering Au u n g in the interior is in the range of the melting temperature of the thermoplastic plastic material used to form the outer layers.
  • inert gases such as nitrogen, helium, neon, argon, krypton, xenon or the like operated.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Pressvorrichtung zur energieeffizienten Aushärtung eines Sandwichbauteils 6 für Luftfahrzeuge mit einer offenen und mechanisch hinreichend belastbaren Kernstruktur 7 mit einseitig oder beidseitig aufgebrachten Deckschichten 8,9, wobei das Sandwichbauteil 6 zwischen einem Druckstempel 1 , einem Widerlager 2 und Seitenwänden 3,4 der Pressvorrichtung unter Bildung eines im Wesentlichen geschlossenen Innenraums 5 eingespannt ist und zumindest eine Deckschicht 8,9 und/oder die Kernstruktur 7 mit einem aushärtbaren duroplastischen Kunststoffmaterial gebildet ist. Erfindungsgemäß wird mit einer Fördereinrichtung 20 Heizluft 16 durch die Kernstruktur 7 des Sandwichbauteils 6 in einem geschlossenen oder bevorzugt in einem offenen Heizluftkreislauf hindurch geführt, um eine energieeffiziente Aushärtung des Sandwichbauteils von innen heraus zu gewährleisten. Die Heizluft 16 wird mittels einer Heizeinrichtung 22 temperiert. Im Falle eines offenen Heizluftkreislaufes ist eine Wärmerückgewinnung mittels eines Wärmetauschers 28 vorgesehen. Mittels der erfindungsgemäßen Pressvorrichtung lassen sich innerhalb der Kernstruktur 7 des Sandwichbauteils 6 definierte Aushärtungsparameter, insbesondere ein Aushärtungsdruck PAushärtung sowie eine Aushärtungstemperatur TAushartung in Abhängigkeit von dem für die Herstellung des Sandwichbauteils 6 eingesetzten Harzsystemen einstellen.

Description

Pressvorrichtunq zur energieeffizienten Aushärtung eines Sandwichbauteils für Luftfahrzeuge
Die Erfindung betrifft eine Pressvorrichtung zur energieeffizienten Aushärtung eines Sandwichbauteils für Luftfahrzeuge mit einer offenen und mechanisch hinreichend belastbaren Kernstruktur mit einseitig oder beidseitig aufgebrachten Deckschichten, wobei das Sandwichbauteil zwischen einem Druckstempel, einem Widerlager und Seitenwänden der Pressvorrichtung unter Bildung eines im Wesentlichen geschlos- senen Innenraums eingespannt ist und zumindest eine Deckschicht und/oder die Kernstruktur mit einem aushärtbaren duroplastischen Kunststoffmaterial gebildet ist.
Sandwichbauteile für Passagierkabinen von Luftfahrzeugen werden heutzutage in der Regel mit Phenolharzen hergestellt. Ein wesentlicher Vorteil der Phenolharze im Vergleich zu anderen aushärtbaren Harzsystemen liegt in ihrem günstigen Brandverhalten, das auch die strengen für Passagierkabinen von Luftfahrzeugen vorgeschriebenen Brandnormen erfüllt. Die Phenolharze werden in Autoklaven bei einem Druck von ungefähr 3,5 bar und bei einer Temperatur von 100 0C bis 180 0C ausgehärtet.
Plattenförmige, ebene oder sphärisch gekrümmte Sandwichbauteile, beispielsweise für Innenverkleidungsteile für Passagierkabinen von Luftfahrzeugen, werden beispielsweise mit einer wabenförmigen Kernstruktur aus Aramidpapier ("Nomex"®- Papier) und Phenolharz, die beidseitig mit Deckschichten aus einem so genannten "Prepreg"-Material aus Phenolharz versehen ist, gebildet. Bei dem "Prepreg"- Material handelt es sich um mit einem Phenolharz vorimprägnierte Verstärkungsfasern, Verstärkungsmatten oder Verstärkungsgelege. Das Sandwichbauteil wird in einem Autoklaven unter Überdruck und bei erhöhter Temperatur ausgehärtet. Hierbei erfolgt eine intensive Anbindung der Deckschichten an die Kernstruktur, so dass sich hohe mechanische Festigkeitswerte des fertigen Sandwichbauteils ergeben, da die Deckschichten primär mit Zug- und Druckkräften belastet werden, während die Kernstruktur im Wesentlichen die Aufgabe eines Abstandhalters zwischen den Deckschichten erfüllt. Die Aushärtung in einem Autoklaven erfordert einen relativ hohen Energieeinsatz zur Aushärtung des Sandwichbauteils. Darüber hinaus stellt ein Autoklav, was insbesondere bei großformatigen Sandwichbauteilen von Bedeutung ist, eine schwere und zugleich massive Vorrichtung dar.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Pressvorrichtung zur Aushärtung von Sandwichbauteilen zu schaffen, die im Vergleich zur Aushärtung im Autoklaven einen geringeren Energieeinsatz erfordert.
Diese Aufgabe wird mit einer Pressvorrichtung, die die nachfolgenden kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 aufweist, gelöst:
- eine Fördereinrichtung, mit der Heizluft durch mindestens einen Einlass in einer ersten Seitenwand der Pressvorrichtung mit einem definierten Aushärtungsdruck PAushärtung durch die Kernstruktur des Sandwichbauteils hindurch zu mindestens einem Auslass in einer zweiten Seitenwand der Pressvorrichtung leitbar ist,
- eine außerhalb der Pressvorrichtung angeordnete Heizeinrichtung, mit der die Heizluft temperierbar ist, sodass sich im Bereich der Kernstruktur eine definierte Aushärtungstemperatur TAushartung einstellt, - zwei zumindest bereichsweise auf dem Druckstempel und dem Widerlager angeordnete thermische Isolierschichten, und
- zwei zumindest bereichsweise auf den thermischen Isolierschichten angeordnete Druckbleche.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Pressvorrichtung ermöglicht infolge der die Kernstruktur durchströmenden Heizluft eine unmittelbare Beheizung des Sandwichbauteils von Innen heraus, so dass sich die Pressvorrichtung, insbesondere bei der Aushärtung von großflächigen Sandwichbauteilen, unter einem verhältnismäßig geringen Energieeinsatz, beispielsweise im Vergleich zu einer konventionellen Aus- härtung in einem Autoklaven, betreiben lässt.
Eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Pressvorrichtung sieht vor, dass diese einen in sich geschlossenen Kreislauf aufweist, derart, dass der mindestens eine Einlass und der mindestens eine Auslass über ein Rohrleitungssystem unter Einbeziehung der Fördereinrichtung und der Heizeinrichtung miteinander verbunden sind. Diese Ausgestaltung ermöglicht aufgrund der nahezu vollständigen Rückführung der Heizluft in einem in sich geschlossenen Kreislauf einen energieeffizienten Betrieb der Pressvorrichtung.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die Pressvorrichtung einen offenen Heizluftkreislauf aufweist, derart, dass im Bereich des mindestens einen Auslasses ein Druckregler angeordnet ist, der ein kontrolliertes Entweichen der Heizluft in die Umgebung oder in einen Wärmetauscher unter Beibehaltung eines im Wesentlichen konstanten Aushärtungsdrucks pAushärtung ermöglicht, und die Fördereinrichtung die Heizluft aus der Umgebung ansaugt.
Diese Ausgestaltung ermöglicht eine technisch weniger aufwändige Temperierung der Heizluft, wobei sich allerdings der Energieeinsatz ohne eine Wärmerückgewin- nung signifikant erhöht.
Nach Maßgabe einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass mittels des Wärmetauschers der Heizluft im Bereich des mindestens einen Auslasses die Restwärme entziehbar ist und diese Restwärme der von der Fördereinrichtung aus der Umgebung angesaugten Heizluft zuführbar ist.
Diese Ausgestaltung ermöglicht einen energieeffizienteren Betrieb im Vergleich zu einem offenen System ohne eine Wärmerückgewinnung mittels eines Wärmetauschers.
In Gemäßheit einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass zwischen jeweils mindestens einem Druckblech und einer Isolierschicht zumindest bereichsweise ein Flächenheizelement angeordnet ist.
Hierdurch können die Deckschichten erforderlichenfalls von Außen zusätzlich beheizt werden, beispielsweise um den Aushärtungsprozess zu beschleunigen bzw. weiter zu vergleichmäßigen.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass der Druckstempel und/oder das Widerlager eine von einer ebenen Gestalt abweichende Oberflächengeometrie aufweisen. Hierdurch wird die Fertigung von Sandwichbauteilen ermöglicht, die eine in maximal zwei Raumdimensionen gekrümmte Oberflächengeometrie aufweisen. In diesem Fall können zusätzlich Seitenwände der Pressvorrichtung abweichend von der in der Zeichnung dargestellten senkrechten Anordnung gegenüber der Senkrechten geneigt angeordnet und/oder eine von der ebenen Gestalt abweichende Oberflächengeometrie aufweisen. In dieser Variante sind die Seitenwände dann als "Teil" des Druckstempels bzw. des Widerlagers der Pressvorrichtung anzusehen (zweiteilige Form). Der Druckstempel bildet in diesem Fall die obere Formhälfte, während das Widerlager die untere Formhälfte darstellt. Um Hinterschneidungen zu vermeiden kann es in diesen Konstellationen erforderlich sein, zusätzliche Teilungen im Bereich des Druckstempels und/oder des Widerlagers vorzunehmen. Zwei jeweils gegenüberliegende Seitenwände sollten jedoch möglichst in jeder der vorstehend exemplarisch aufgezeigten Konstellationen zumindest ihre ebene Gestalt und senkrechte Ausrichtung beibehalten, um die Heizluft mittels des jeweils mindestens einen Ein- und Auslasses problemlos durch die Kernstruktur des Sandwichbauteils hindurch leiten zu können.
In den übrigen Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung niedergelegt.
In der Zeichnung zeigt:
Fig. 1 eine schematische Querschnittsdarstellung durch die Pressvorrichtung in einer ersten Ausführungsvariante, und
Fig. 2 eine schematische Querschnittsdarstellung durch die Pressvorrichtung in einer zweiten Ausführungsvariante.
In den Figuren weisen gleiche konstruktive Elemente jeweils dieselbe Bezugsziffer auf.
Die Fig. 1 zeigt die Pressvorrichtung mit einem darin befindlichen Sandwichbauteil in einer ersten Ausführungsvariante mit einem geschlossenen Kreislauf. Die Pressvorrichtung umfasst unter anderem einen Druckstempel 1 , ein Widerlager 2 sowie eine erste und zweite Seitenwand 3,4. Stirnseitig sowie auf der Rückseite der Pressvorrichtung sind weitere zwei, hier nicht darstellbare, Seitenflächen vorgesehen. Der in vertikaler Richtung auf- und abbewegbare Druckstempel 1 ist gegen- über allen vier Seitenwänden abgedichtet und bildet zusammen mit dem Widerlager 2 einen weitgehend in sich abgeschlossenen, nahezu gasdichten Innenraum 5.
Im Innenraum 5 der Pressvorrichtung befindet sich ein Sandwichbauteil 6, das im gezeigten Ausführungsbeispiel plattenförmig ausgebildet ist.
Der Druckstempel 1 sowie das Widerlager 2 können eine gekrümmte Querschnittsgeometrie aufweisen, um Sandwichbauteile 6 mit einer entsprechend gekrümmten Oberflächengeometrie zu fertigen. Die Oberflächenkrümmung kann in bis zu zwei Raumrichtungen ausgebildet sein. Die erste und die zweite Seitenwand 3,4 bilden in diesem Fall zusammen mit dem Druckstempel 1 bzw. dem Widerlager 2 im geschlossenen Zustand (zusammengefahrener Zustand der Pressvorrichtung) ein Formwerkzeug mit einer unteren und einer oberen Formhälfte. Bei dieser Ausführungsvariante wird die Heizluft 16 - im Gegensatz zu der Prinzipdarstellung der Fig. 1 und 2 - senkrecht zur Zeichenebene durch die Kernstruktur 7 durch die in der Fig. 1 nicht dargestellten Seitenwände geleitet. Um Hinterschneidungen zu vermeiden, kann es bei einem Druckstempel 1 und/oder einem Widerlager 2 mit einer gekrümmter Oberflächengeometrie erforderlich sein, zusätzliche Teilungen vorzusehen.
Das Sandwichbauteil 6 weist eine Kernstruktur 7 auf, die auf ihrer Oberseite und ihrer Unterseite jeweils mit einer Deckschicht 8,9 bedeckt ist. Zumindest die Deckschichten 8,9 sind mit einem aushärtbaren und gegebenenfalls faserverstärkten duroplastischen Kunststoff material, insbesondere einem Phenolharz, einem MeI- aminharz, einem Polyesterharz, einem Epoxydharz oder dergleichen gebildet. Die Kernstruktur 7 kann beispielsweise mit "Nomex®"-Papier oder anderen duroplastischen und/oder thermoplastischen Materialien, die gegebenenfalls mit einer Faserarmierung versehen sind, gebildet sein. Alternativ kann die Kernstruktur 7 auch mit Metallfolien, mit Metallschäumen, mit Kunststoffschäumen, mit Noppenstrukturen, mit gelochten Honigwaben oder dergleichen gebildet sein. Entscheidend ist, dass die Kernstruktur 7 zum einen in mechanischer Hinsicht ausreichend belastbar ist, so dass sie während des Aushärtungsprozesses in der Pressvorrichtung keine Deformation erfährt und dass die Kernstruktur 7 zum anderen offen, das heißt drainage- fähig ausgebildet ist, um ein möglichst ungehindertes Durchströmen der Heizluft während des Aushärtungsprozesses zu ermöglichen. Die Kernstruktur 7 kann beispielsweise als eine bekannte offene Faltwabenkemstruktur oder mit geschlitzten Honigwaben gebildet sein. Alternative Gestaltungsformen der Kernstruktur 7, wie zum Beispiel gelochte oder perforierte Honigwaben, dreidimensionale Gewirke aus fadenförmigen Elementen oder dergleichen, sind bei einer hinreichenden mechani- sehen Belastbarkeit gleichfalls denkbar.
Auf dem Druckstempel 1 ist weiterhin eine thermische Isolierschicht 10 bevorzugt vollflächig angeordnet. Entsprechend ist das Widerlager 2 ebenfalls mit einer bevorzugt vollflächig ausgebildeten Isolierschicht 11 versehen. Die thermischen Isolier- schichten 10,11 dienen dazu, den Wärmeverlust aus dem Innenraum 5 in Richtung des Widerlagers 2 sowie des Druckstempels 1 zu minimieren. Auf den thermischen Isolierschichten 10,11 sind die Flächenheizelemente 12,13 gleichfalls bevorzugt vollflächig angeordnet. Die Flächenheizelemente 12,13 können beispielsweise mit elektrisch beheizbaren Heizfolien, Widerstandsfolien oder dergleichen gebildet sein. Auf den Flächenheizelementen 12,13 sind abschließend in an sich bekannter Weise bevorzugt vollflächig Druckbleche 14,15 zur Vergleichmäßigung der Kraftwirkung der Pressvorrichtung angeordnet. Alternativ ist es möglich, die Flächenheizelemente 12,13 nicht oder nur zumindest bereichsweise zwischen den Druckblechen 14,15 sowie den thermischen Isolierschichten 10,11 anzuordnen. Die Flächenheizelemen- te 12,13 dienen zur gegebenenfalls erforderlichen Erhöhung der Heizleistung, falls eine Erwärmung der Kernstruktur 7 allein mittels der Heizluft 16 nicht ausreichend sein sollte.
In der ersten Seitenwand 3 befindet sich ein Auslass 17 und in der zweiten Seiten- wand 4 ist ein Einlass 18 angeordnet. Anstelle des einzelnen Einlasses 17 und des einzelnen Auslasses 18 können eine Vielzahl von Durchtrittsöffnungen, Düsen, Verteilern, Krümmern oder dergleichen in den Seitenwänden 3,4 angeordnet sein, um eine möglichst gleichmäßige Durchströmung der Kernstruktur 7 bei einem geringem Strömungswiderstand zu erreichen. Der Auslass 17 ist über eine Rohrleitung 19 mit der Fördereinrichtung 20 verbunden. Bei der Fördereinrichtung 20 kann es sich beispielsweise um einen Kompressor, einen Verdichter, ein Gebläse oder dergleichen handeln. Ausgehend von der Fördereinrichtung 20 gelangt die Heizluft 16 über eine weitere Rohrleitung 21 zu der Heizeinrichtung 22. Die Heizeinrichtung 22 zum Tem- perieren der Heizluft 16 kann zum Erwärmen der durchströmenden Heizluft 16 beispielsweise elektrische Heizwendeln oder dergleichen aufweisen. Zusätzlich kann die Heizeinrichtung 22 auch eine Kühleinrichtung zur definierten Abkühlung der Heizluft 16 aufweisen. Ausgehend von der Heizeinrichtung 22 gelangt die temperierte Heizluft 16 über eine weitere Rohrleitung 23 zurück zum Einlass 18. Die Rohrlei- tungen 19,21 und 23 bilden zusammen das Rohrleitungssystem 24 der Pressvorrichtung. Die Heizluft 16 wird hierbei mittels der Fördereinrichtung 20 stets in Richtung der schwarzen Richtungspfeile, von denen der besseren zeichnerischen Übersichtlichkeit halber nur ein Richtungspfeil 25 mit einer Bezugsziffer versehen wurde, in einem geschlossenen Kreislauf umgewälzt.
Bei der in der Fig. 1 schematisiert dargestellten Pressvorrichtung wird die Heizluft 16 kontinuierlich durch die Kernstruktur 7 hindurch umgewälzt, so dass sich ein energieeffizienter Betrieb einstellt. Der Druckstempel 1 wird mit einer definierten Kraft F gegen das Widerlager 2 und auf das Sandwichbauteil 6 gepresst, um einen defi- nierten Arbeitsdruck pArbeit zu erzeugen. Die Erzeugung der Kraft F und damit des Arbeitsdrucks pArbeΛ im Innenraum 5 kann beispielsweise in bekannter Weise durch elektrohydraulische Antriebssysteme (Hydraulikkolben) oder elektromechanische Antriebssysteme (Spindelantriebe) erfolgen, die wiederum von einer nicht näher dargestellten Steuer- und Regeleinrichtung kontrolliert werden. Bevorzugt erfolgt die Erzeugung der Kraft F durch mehrere Hydraulikzylinder, die von einer nicht näher dargestellten Steuer- und Regeleinrichtung kontrolliert werden.
Im Innenraum 5 der Pressvorrichtung herrscht ein unter anderem auf den Arbeitsdruck PArbeit abgestimmter Aushärtungsdruck pAushärtung bei einer gleichfalls festgeleg- ten Aushärtungstemperatur TAuShartung- Der Arbeitsdruck PArbeit lässt sich durch die Kraft F variieren, während der Aushärtungsdruck PAushartung im Wesentlichen mittels der Fördereinrichtung 20 und die Aushärtungstemperatur TAushanung im Wesentlichen durch die Heizeinrichtung 22 kontrollierbar ist. Sowohl die Fördereinrichtung 20 als auch die Heizeinrichtung 22 werden von der Steuer- und Regeleinrichtung kontrol- liert. Bei der Steuerung der Fördereinrichtung 20 und der Heizeinrichtung 22 werden insbesondere die Abhängigkeiten von Druck und Temperatur der Heizluft 16 berücksichtigt, um eine möglichst exakt definierte Aushärtungstemperatur TAushanung bei einem vorgewählten Aushärtungsdruck PAushärtung sicher zu stellen.
In der gezeigten ersten Ausführungsvariante der Pressvorrichtung mit dem vollständig geschlossenen Heizluftkreislauf ist es darüber hinaus möglich, die Strömungsrichtung der Heizluft 16 periodisch umzukehren, um eine gleichmäßigere Temperierung des Innenraums 5 und damit der Kernstruktur 7 des Sandwichbauteils 6 zu erreichen.
Die Fig. 2 illustriert den grundsätzlichen Aufbau der Pressvorrichtung in einer zweiten Ausführungsvariante mit einem offenen Heizluftkreislauf. Die Pressvorrichtung nach Maßgabe der zweiten Ausführungsvariante weist wie- derum den Druckstempel 1 , das Widerlager 2 sowie die beiden Seitenwände 3,4 zur Bildung des hermetisch abgeschlossenen Innenraums 5 auf. Im Innenraum 5 der Pressvorrichtung ist das mit den Deckschichten 8,9 sowie der Kernstruktur 7 gebildete Sandwichbauteil 6 angeordnet. Sowohl der Druckstempel 1 als auch das Widerlager 2 sind in Entsprechung zur ersten Ausführungsvariante der Pressvorrich- tung gleichfalls mit den thermischen Isolierschichten 10,11 , den Flächenheizelementen 12,13 sowie den Druckblechen 14,15 in bevorzugt vollflächiger Ausbildung versehen.
In der ersten und zweiten Seitenwand 3,4 sind wiederum die Ein- und Auslässe 17,18 zur Durchleitung des Heizgases 16 durch das Sandwichbauteil 6 angeordnet. Außerhalb der Pressvorrichtung herrscht die normale Umgebungstemperatur TUmge- bung von beispielsweise 21 ° und der Umgebungsluftdruck Pumgebung von zum Beispiel 1013 hPa. Der Druckstempel 1 wird mittels einer nicht näher dargestellten Hydraulik mit der Kraft F auf das Sandwichbauteil 6 und damit das Widerlager 2 gepresst, um den erforderlichen Arbeitsdruck PArbeit außerhalb des Sandwichbauteils 6 zu erzeugen.
Der Auslass 17 ist über die Rohrleitung 19 mit einem Druckregler 26 verbunden, von dem aus eine Rohrleitung 27 zu einem Wärmetauscher 28 führt. Der Druckregler 26 gewährleistet einen Austritt der Heizluft 16 aus dem Auslass 17 in Richtung des Wärmetauschers 28 mit einem definierten Volumenstrom und vermeidet damit größere Druckschwankungen des Aushärtungsdrucks pAushärtung im Innenraum 5 der Pressvorrichtung. Im Idealfall kann der Aushärtungsdruck PAushärtung mittels des Druckreglers 26 über die gesamte Aushärtungsdauer des Sandwichbauteils 6 hinweg nahezu konstant gehalten werden. Der Druckregler 26 ist vorzugsweise mittels der Steuer- und Regeleinrichtung kontrollierbar ausgebildet, um beispielsweise den Volumenstrom der austretenden Heizluft 16 variabel zu gestalten. Als Druckregler 26 kann beispielsweise ein kontinuierlich steuerbares Magnetventil (elektrisch an- steuerbares Proportional- oder Servoventil) oder ein herkömmlicher Druckminderer eingesetzt werden.
Die im Wärmetauscher 28 abgekühlte Heizluft 16 wird nach dem Durchströmen des Wärmetauschers 28 über eine weitere Rohrleitung 29 nach Außen abgeleitet. Über eine Rohrleitung 30 gelangt die zunächst kühlere Außenluft in den Wärmetauscher 28, wird dort mittels der Wärme, die der Abluft aus dem Innenraum 5 vorab entzogen wurde, zumindest vorgewärmt, über eine weitere Rohrleitung 31 von der Fördereinrichtung 20 angesaugt und in der Heizeinrichtung 22 auf eine - für das jeweilige für das Sandwichbauteil 6 eingesetzte Harzsystem - optimale Aushärtungstem- peratur TAUshärtung bei einem entsprechenden Aushärtungsdruck PAushärtung gebracht.
Der Wärmetauscher 28 ermöglicht ungeachtet des in der zweiten Ausführungsvariante der Pressvorrichtung offenen Heizluftsystems einen energieeffizienten Betrieb, da der Heizluft, die aus dem Auslass 17 über den Druckregler 26 in die Umgebung abgeleitet wird, ein Höchstmaß an Wärmeenergie entzogen wird, die wiederum der aus der Umgebung angesaugten, zunächst noch kühleren Heizluft 16 zu deren Vorwärmung zugeführt wird. Nachdem die temperierte Heizluft 16 die Heizeinrichtung 22 passiert hat, gelangt sie über die Rohrleitung 23 zum Einlass 18 und von dort aus in die Kernstruktur 7 des Sandwichbauteils 6.
Zur Aushärtung des Sandwichbauteils 6 wird der Druckstempel 1 soweit heruntergefahren, bis dieser mit der Kraft F auf das Sandwichbauteil 6 drückt und im Innenraum 5 der Arbeitsdruck pArbeιt herrscht. Der Arbeitsdruck PArbeιt beträgt hierbei höchstens 15 bar, um eine mechanische Beschädigung des Sandwichbauteils 6, insbesondere der Kernstruktur 7, zu vermeiden.
Im Innenraum 5 sollte bei einem beispielsweise mit Polykondensatharzen gebildeten Sandwichbauteil 6 vorzugsweise eine Aushärtungstemperatur TAushärtung von 135 °C herrschen, die mit der Heizeinrichtung 22 im Wesentlichen konstant gehalten wird. Während der gesamten Dauer des Aushärtungsprozesses kann in vorteilhafterweise durch eine Anpassung des Aushärtungsdrucks pAushärtung mittels der Fördereinrichtung 20 sichergestellt werden, dass der Aushärtungsdruck pAushartung im Bereich der Kernstruktur 7 des Sandwichbauteils 6 stets einen derartigen Wert aufweist, dass während der Aushärtung des Polykondensatharzes bei der jeweils aktuell herrschenden Temperatur TAushartung im Innenraum 5 möglichst kein Wasser in die dampfförmige Phase übergeht. Bei einer in diesem Anwendungsfall der Pressvorrichtung optimalen Aushärtungstemperatur TAushärtung von ungefähr 135 0C ist bei- spielsweise ein Aushärtungsdruck pAushartung von mehr als 3,128 bar einzuhalten. Die Aushärtungsdauer des Sandwichbauteils 6 beträgt in der Regel bis zu 2 Stunden bei einem Aushärtungsdruck pAuShartung von mehr als 3,128 bar und einer Aushärtungstemperatur von etwa 135 0C.
Die vorstehend geschilderte Ablaufsteuerung der Pressvorrichtung, die in vollem Umfang von der Steuer- und Regeleinrichtung vollautomatisch kontrolliert wird, ist bei allen Sandwichbauteilen mit einer drainagefähigen Kernstruktur, bei denen zumindest eine Deckschicht und/oder zumindest die Kernstruktur mit einem Polykon- densationsharzsystem, beispielsweise in der Form eines Phenolharzes, einem MeI- aminharz oder dergleichen, gebildet ist, zur Wasserdampfunterdrückung und den hiermit verbundenen negativen Begleiterscheinungen, insbesondere in Form der Bläschen- und Lunkerbildung in der Harzmatrix, von Vorteil.
Sandwichbauteile, deren Deckschichten und/oder Kernstrukturen mit anderen aus- härtbaren, duroplastischen Kunststoffmaterialien gebildet sind, insbesondere mit Epoxydharz, Polyesterharz, Bismaleimide-Harz oder dergleichen, können unter Anpassung an die für die jeweiligen Harzsysteme erforderlichen Aushärtungsparameter (TAushärtung, PAushärtung) gleichfalls in der Pressvorrichtung auf eine besonders energieeffiziente Art und Weise vollautomatisch ausgehärtet werden. Grundsätzlich können mittels der Pressvorrichtung auch Sandwichbauteile, bei denen zumindest eine Deckschicht mit einem thermoplastischen Kunststoffmaterial gebildet ist, hergestellt werden. In diesem Fall werden die thermoplastischen Deck- schichten mittels der entsprechend temperierten Heizluft zur mechanischen Anbindung an die Kernstruktur zumindest bereichsweise angeschmolzen. Die Aushärtungstemperatur TAushärtung im Innenraum liegt hier im Bereich der Schmelztemperatur des zur Bildung der Deckschichten eingesetzten thermoplastischen Kunststoffmaterials.
Anstatt mit herkömmlicher Luft kann die Pressvorrichtung nach Maßgabe der ersten Ausführungsvariante mit dem geschlossenen Heizluftkreislauf auch mit anderen, bevorzugt inerten Gasen (Edelgasen) als Heizgasen, wie zum Beispiel Stickstoff, Helium, Neon, Argon, Krypton, Xenon oder dergleichen, betrieben werden.
Bezugszeichen liste
1 Druckstempel
2 Widerlager
3 erste Seitenwand
4 zweite Seitenwand
5 Innenraum
6 Sandwichbauteil
7 Kernstruktur
8 Deckschicht
9 Deckschicht
10 thermische Isolierschicht
11 thermische Isolierschicht
12 Flächenheizelement
13 Flächenheizelement
14 Druckblech
15 Druckblech
16 Heizluft
17 Auslass
18 Einlass
19 Rohrleitung
20 Fördereinrichtung
21 Rohrleitung
22 Heizeinrichtung
23 Rohrleitung
24 Rohrleitungssystem
25 Richtungspfeil
26 Druckregler
27 Rohrleitung
28 Wärmetauscher
29 Rohrleitung
30 Rohrleitung
31 Rohrleitung

Claims

Patentansprüche
1. Pressvorrichtung zur energieeffizienten Aushärtung eines Sandwichbauteils (6) für Luftfahrzeuge mit einer offenen und mechanisch hinreichend belastbaren Kern- Struktur (7) mit einseitig oder beidseitig aufgebrachten Deckschichten (8,9), wobei das Sandwichbauteil (6) zwischen einem Druckstempel (1), einem Widerlager (2) und Seitenwänden (3,4) der Pressvorrichtung unter Bildung eines im Wesentlichen geschlossenen Innenraums (5) eingespannt ist und zumindest eine Deckschicht (3,4) und/oder die Kernstruktur (7) mit einem aushärtbaren duroplastischen Kunst- Stoffmaterial gebildet ist, gekennzeichnet durch
- eine Fördereinrichtung (20), mit der Heizluft (16) durch mindestens einen Ein- lass (18) in einer ersten Seitenwand (3) der Pressvorrichtung mit einem definierten Aushärtungsdruck PAushartung durch die Kernstruktur (7) des Sandwichbauteils (6) hindurch zu mindestens einem Auslass (17) in einer zweiten Seitenwand (4) der Pressvorrichtung leitbar ist,
- eine außerhalb der Pressvorrichtung angeordnete Heizeinrichtung (22), mit der die Heizluft (16) temperierbar ist, sodass sich im Bereich der Kernstruktur (7) eine definierte Aushärtungstemperatur TAushärtung einstellt,
- zwei zumindest bereichsweise jeweils auf dem Druckstempel (1) und dem Wi- derlager (2) angeordnete thermische Isolierschichten (10,11), und
- zwei zumindest bereichsweise jeweils auf den thermischen Isolierschichten (10,11) angeordnete Druckbleche (14,15).
2. Pressvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Press- Vorrichtung einen in sich geschlossenen Heizluftkreislauf aufweist, derart, dass der mindestens eine Einlass (18) und der mindestens eine Auslass (17) über ein Rohrleitungssystem (24) unter Einbeziehung der Fördereinrichtung (20) und der Heizeinrichtung (22) miteinander verbunden sind.
3. Pressvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Pressvorrichtung einen offenen Heizluftkreislauf aufweist, derart, dass im Bereich des mindestens einen Auslasses (17) ein Druckregler (26) angeordnet ist, der ein kontrolliertes Entweichen der Heizluft (16) in die Umgebung oder in einen Wärmetauscher (28) unter Beibehaltung eines im Wesentlichen konstanten Aushärtungs- drucks PAushärtung ermöglicht, und die Fördereinrichtung (20) die Heizluft (16) aus der Umgebung ansaugt.
4. Pressvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Wärmetauschers (28) der Heizluft (16) im Bereich des mindestens einen Auslasses
(17) die Restwärme entziehbar ist und diese Restwärme der von der Fördereinrichtung (20) aus der Umgebung angesaugten Heizluft (16) zuführbar ist.
5. Pressvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen jeweils mindestens einem Druckblech (14,15) und einer Isolierschicht (10,11) zumindest bereichsweise ein Flächenheizelement angeordnet ist.
6. Pressvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckstempel (1) und/oder das Widerlager (2) eine von einer ebenen Ges- talt abweichende Oberflächengeometrie aufweisen.
7. Pressvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckstempel (1) mit einer definierten Kraft F zur Erzeugung eines definierten Arbeitsdrucks PArb&t zur Kompensation des in der Kernstruktur (7) herr- sehenden Aushärtungsdrucks PAushärtung gegen das Widerlager (2) drückbar ist.
8. Pressvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Aushärtungsdruck pAushärtung und die Aushärtungstemperatur TAushartung mittels einer Steuer- und Regeleinrichtung in Abhängigkeit vom eingesetzten du- roplastischen Kunststoffmaterial der mindestens einen Deckschicht (8,9) und/oder der Kemstruktur (7) des Sandwichbauteils (6) einstellbar sind.
9. Pressvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Aushärten eines Sandwichbauteils (6) mit mindestens einer mit einem Polykondensationsharz, insbesondere mit einem Phenolharz, Melaminharz oder dergleichen gebildeten Deckschicht (8,9), bevorzugt bei einem Aushärtungsdruck PAushärtung erfolgt, der zwischen dem Umgebungsluftdruck Pumgebung und einem Arbeitsdruck PArb&t der Pressvorrichtung liegt, um eine Wasserdampfbildung während des Aushärtungsvorgangs zumindest teilweise zu unterdrücken.
10. Pressvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Aushärtung des Sandwichbauteils (6) bei einer Aushärtungstemperatur TAuShärtung zwischen 1000C und 1800C erfolgt.
11. Pressvorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Sandwichbauteil (6) zur Aushärtung mit einer Aushärtungstemperatur TAUshartung von etwa 135 0C und mit einem Aushärtungsdruck p Aushärtung von mehr als 3,128 bar beaufschlagt wird.
12. Pressvorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Pressvorrichtung einen Arbeitsdruck p Arbeit von höchstens 15 bar aufbaut.
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