WO2009049737A1 - Method for the production of a parison from semifinished textile material for an annular profiled frame section made of fiber composite - Google Patents

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Abstract

The invention relates to a method for producing a parison from semifinished textile material in order to produce an annular profiled frame section (10) comprising at least one radial flange (12, 14) from the cured semifinished material that is impregnated with a matrix material. In said method, the parison (34) is produced by winding the semifinished product, which is fed in the form of a strip (30), onto a core (32). Incisions (50, 52) are made into the strip (30) that is to be wound from a strip edge which is used for forming the radial flange (12, 14) on the profiled frame section.

Description

Verfahren zur Herstellung eines Vorformlings aus textilem Halbzeug für ein ringförmiges Rahmenprofil aus Faserverbundwerkstoff Process for the production of a preform made of textile semi-finished product for a ring-shaped frame profile made of fiber composite material
Die vorliegende Erfindung betrifft ganz allgemein die Herstellung von Vorformlin- gen aus textilem Halbzeug zur Herstellung von Faserverbundbauteilen.The present invention relates generally to the production of preforms from textile semi-finished products for the production of fiber composite components.
Die Verwendung von faserverstärkten Bauteilen (Faserverbundbauteile) ist vor allem wegen ihrer hohen spezifischen Festigkeit (Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht) in vielen Anwendungsbereichen interessant. Ein Faserverbundwerkstoff ist ein Mischwerkstoff, der im Allgemeinen aus zwei Hauptkomponenten besteht, nämlich einer Matrix und darin eingebetteten Fasern. Durch gegenseitige Wechselwirkungen dieser Komponenten erhält der Werkstoff höherwertigere Eigenschaften als jede der beiden einzeln beteiligten Komponenten.The use of fiber-reinforced components (fiber composite components) is particularly interesting because of their high specific strength (ratio of strength to weight) in many applications. A fiber composite material is a composite material which generally consists of two major components, namely a matrix and fibers embedded therein. By mutual interactions of these components, the material receives higher quality properties than either of the two components involved individually.
Ob ein Bauteil in der Praxis wirtschaftlich als Faserverbundbauteil herstellbar ist oder nicht, hängt von einer Vielzahl von Faktoren ab. Neben den geforderten Eigenschaften hinsichtlich mechanischer Festigkeit und Gewicht des Bauteils spielt insbesondere auch die für das Bauteil gewünschte Formgestaltung bzw. Geometrie eine große Rolle. Insbesondere für kompliziert oder sehr speziell formgestaltete Bauteile kommt eine industrielle Fertigung in Faserverbundtechnologie auf Grund des damit verbundenen Aufwands oftmals nicht in Betracht.Whether a component can be economically produced in practice as a fiber composite component or not depends on a large number of factors. In addition to the required properties in terms of mechanical strength and weight of the component plays in particular the desired shape of the component or geometry a major role. In particular, for complicated or very specially shaped components an industrial production in fiber composite technology due to the associated effort is often out of the question.
Ein Beispiel hierfür sind im Serieneinsatz befindliche Fensterrahmen für Verkehrsflugzeuge. Derartige Fensterrahmen werden typischerweise von einem ringförmi- gen Fensterrahmenprofil gebildet, welches aus Aluminium gefräst ist.One example of this is the use of window frames for commercial aircraft in series production. Such window frames are typically formed by an annular window frame profile which is milled from aluminum.
Bei der Fertigung eines größeren Verkehrsflugzeuges werden größenordnungsmäßig etwa 100 derartige Fensterrahmenprofile benötigt. Auf Grund der in dieser Anwendung geforderten anspruchsvollen Spezifikation hinsichtlich Gewicht und Festigkeit werden diese Bauteile bislang üblicherweise aus einer speziellen Aluminiumlegierung gefräst. Dies führt zu einem erheblichen Zeit- und Kostenaufwand.In the manufacture of a larger commercial aircraft on the order of about 100 such window frame profiles are needed. Due to the demanding specification in this application in terms of weight and Strength, these components are usually milled from a special aluminum alloy. This leads to a considerable expenditure of time and money.
Die vorliegenden Erfinder haben erkannt, dass die praktische Schwierigkeit einer Herstellung derartiger Fensterrahmenprofile durch deren Ringförmigkeit in Kombination mit den geforderten Profilquerschnitten bedingt ist. Diese Fensterrahmenprofile besitzen beispielsweise einen L-förmigen oder U-förmigen Profilquerschnitt mit wenigstens einem radialen Querschnittabschnitt, der am Fensterrahmenprofil einen radialen Flansch ausbildet.The present inventors have recognized that the practical difficulty of producing such window frame profiles is due to their annularity in combination with the required profile cross-sections. These window frame profiles have, for example, an L-shaped or U-shaped profile cross-section with at least one radial cross-sectional section, which forms a radial flange on the window frame profile.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen einfachen Weg zur Herstellung eines ringförmigen, wenigstens einen radialen Flansch aufweisenden Rahmenprofils in Faserverbundtechnologie aufzuzeigen.Against this background, it is an object of the present invention to provide a simple way of producing an annular, at least one radial flange having frame profile in fiber composite technology.
Mit einem entsprechenden Herstellungsverfahren könnten die Vorteile von Faserverbundbauteilen beispielsweise, jedoch keineswegs ausschließlich für Fensterrahmenprofile der oben erläuterten Art genutzt werden.With a corresponding manufacturing method, the advantages of fiber composite components, for example, but by no means exclusively for window frame profiles of the type described above could be used.
Die obige Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch ein Verfahren nach Anspruch 1 bzw. ein Rahmenprofil nach Anspruch 13 gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.The above object is achieved according to the invention by a method according to claim 1 and a frame profile according to claim 13. The dependent claims relate to advantageous developments of the invention.
Gemäß der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Vorformlings aus textilem Halbzeug vorgesehen, zur Herstellung eines ringförmigen, wenigstens einen radialen Flansch aufweisenden Rahmenprofils aus dem mit einem Matrixmaterial getränkten und ausgehärteten Halbzeug, wobei der Vorformling durch Wickeln des als Band zugeführten Halbzeugs auf einen Kern erzeugt wird, und wobei das aufzuwickelnde Band von einem Bandrand her eingeschnitten wird, der zur Ausbildung des radialen Flansches am Rahmenprofil vorgesehen ist.According to the invention, a method for producing a preform made of textile semifinished product is provided for producing an annular frame profile having at least one radial flange from the semi-finished product impregnated with a matrix material and hardened, wherein the preform is produced by winding the semifinished product fed as strip onto a core will, and wherein the wound tape is cut from a band edge, which is provided for forming the radial flange on the frame profile.
Mit der Erfindung wird vorteilhaft eine vergleichsweise kostengünstige, insbeson- dere einfach automatisierbare Fertigung von ringförmigen Rahmenstrukturen in Faserverbundtechnologie ermöglicht, die für zahlreiche Anwendungen geeignet sind.The invention advantageously makes possible a comparatively cost-effective, in particular easily automatable production of annular frame structures in fiber composite technology, which are suitable for numerous applications.
Für die Erfindung wesentlich ist zum einen der Einsatz eines Wickelprozesses, um den Vorformling für das ringförmige Rahmenprofil zu erzeugen. Ein derartiger Wi- ckelprozess ist einfach und insbesondere kostengünstig automatisierbar zu realisieren und liefert gewissermaßen "automatisch" bereits eine Ringförmigkeit des Vorformlings. Für die Erfindung wesentlich ist zum anderen das Vorsehen spezieller Einschnitte des für den Wickelprozess verwendeten Halbzeugbands. Wie es unten insbesondere bei der Beschreibung von Ausführungsbeispielen noch verständlicher wird, besitzen derartige Einschnitte eine besondere Bedeutung im Hinblick auf die Ausbildung des (wenigstens einen) radialen Flansches an einem gekrümmten und/oder abgewinkelten Abschnitt des Rahmenprofils. Diese Einschnitte ermöglichen in manchen Fällen überhaupt erst die Ausbildung des oder der ge- forderten radialen Flansche am fertigen Profilbauteil.Essential for the invention, on the one hand, is the use of a winding process to produce the preform for the annular frame profile. Such a winding process is simple and, in particular, inexpensive to implement and can be automated and to a certain extent provides "automatically" an annularity of the preform. On the other hand, the provision of special cuts of the semifinished product strip used for the winding process is essential for the invention. As will be more fully understood below, particularly in the description of exemplary embodiments, such cuts have particular significance with regard to the formation of the (at least one) radial flange on a curved and / or angled portion of the frame profile. In some cases, these cuts enable the formation of the required radial flanges on the finished profile component.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Band Fasern in verschiedenen Orientierungen enthält. Damit können für viele Anwendungsfälle besonders vorteilhafte Festigkeitseigenschaften des Rahmenprofils erzielt werden. Hierbei kön- nen sowohl gleiche als auch verschiedene Anteile an Fasern in verschiedenen Orientierungen vorgesehen sein. Die Anteile an Fasern in verschiedenen Orientierungen können insbesondere an die Anforderungen des betreffenden Anwendungsfalls angepasst gewählt sein. In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Band ein Multiaxialgelege, ein Gewebe oder ein Geflecht ist. Damit kann insbesondere ein Halbzeugband der vorstehend genannten Art (mit mehreren verschiedenen Faserorientierungen) in einfacher Weise bereitgestellt werden.In one embodiment it is provided that the band contains fibers in different orientations. This can be achieved for many applications, particularly advantageous strength properties of the frame profile. In this case, both identical and different proportions of fibers can be provided in different orientations. The proportions of fibers in different orientations can be selected in particular adapted to the requirements of the particular application. In an embodiment, it is provided that the band is a multiaxial fabric, a fabric or a braid. Thus, in particular a semifinished product strip of the aforementioned type (with several different fiber orientations) can be provided in a simple manner.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Band Fasern in 0°- Orientierung enthält. Die "0°-Orientierung" soll hierbei bedeuten, dass die betreffenden Fasern in Umfangsrichtung (bezogen auf die Ringförmigkeit des Vorform- lings bzw. des damit zu fertigenden Rahmenprofils) orientiert sind. In einer beson- ders bevorzugten Weiterbildung dieser Ausführungsform enthält das Band in 0° orientierte Fasern, die im fertigen Rahmenprofil (wenigstens ein Mal) vollständig umlaufen, d. h. im Ringverlauf nicht unterbrochen sind.In an embodiment it is provided that the band contains fibers in 0 ° orientation. The "0 ° orientation" is intended here to mean that the respective fibers are oriented in the circumferential direction (based on the annularity of the preform or the frame profile to be produced therewith). In a particularly preferred development of this embodiment, the band contains fibers oriented in 0 °, which completely revolve (at least once) in the finished frame profile, i. H. are not interrupted in the ring.
Alternativ oder zusätzlich zur OΛOrientierung kann z. B. vorgesehen sein, dass das Band Fasern in 45°-Orientierung und/oder 90°-Orientierung enthält. In einer speziellen Ausführungsform ist beispielsweise vorgesehen, dass das Band Faserorientierungen in 0°, 90° sowie +/- 45° enthält.Alternatively or in addition to the OΛOrientierung z. For example, it may be provided that the band contains fibers in 45 ° orientation and / or 90 ° orientation. In a specific embodiment, for example, it is provided that the band contains fiber orientations in 0 °, 90 ° and +/- 45 °.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Band ein so genanntes "Pre- preg" (vorimprägniertes Fasermaterial) darstellt. Derartige Prepregs sind in vielfältigen Ausführungen an sich bekannt und bedürfen daher hier keiner näheren Erläuterung. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung besonders vorteilhaft verwendbare Prepregs können z. B. Endlosfasern enthalten, die in einer ungehärteten duroplastischen Kunststoffmatrix eingebettet sind. Derartige Prepregs sind zumeist bahnförmig auf Rollen gewickelt kommerziell erhältlich und können z. B. als unidi- rektionale oder mulitdirektionale Schicht, als Gewebe oder Gelege vorliegen.In one embodiment, it is provided that the band represents a so-called "pre-preg" (preimpregnated fiber material). Such prepregs are known per se in various embodiments and therefore need no further explanation. In the context of the present invention, particularly advantageously usable prepregs z. B. contain continuous fibers which are embedded in an uncured thermosetting plastic matrix. Such prepregs are mostly commercially available wound on rolls commercially available and can, for. As a unidirectional or Mulitdirektionale layer, as tissue or scrim be present.
Prinzipiell ist das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren für beliebige Faserwerkstoffe und Matrixwerkstoffe geeignet. Als Fasern kommen beispielsweise Glasfasern, Kohlenstofffasern, synthetische Kunststofffasern, Stahlfasern oder Naturfasern in Betracht. Als Matrixmaterial sind insbesondere Kunststoffe wie z. B. duroplastische Kunststoffe (Kunstharze) interessant. In einer speziellen Ausführungsform ist vorgesehen, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Vor- formling hergestellt wird, der zur Herstellung eines ringförmigen Rahmenprofils aus CFK dient.In principle, the production method according to the invention is suitable for any fibrous materials and matrix materials. As fibers come for example Glass fibers, carbon fibers, synthetic plastic fibers, steel fibers or natural fibers into consideration. As a matrix material, in particular plastics such. As thermosetting plastics (resins) interesting. In a specific embodiment, it is provided that the method according to the invention produces a preform which is used to produce an annular frame profile made of CFRP.
Der Begriff "ringförmiges Rahmenprofil" ist im Sinne der Erfindung sehr breit zu verstehen und soll jedes wenigstens abschnittweise gekrümmt und/oder abgewin- kelt verlaufende, insgesamt ringförmig geschlossen verlaufende Element umfassen. Insbesondere kann ein derartige Rahmenprofil über den gesamten Umfangs- verlauf mehr oder weniger stark gekrümmt sein, etwa zur Ausbildung eines kreisförmigen oder ovalen Rahmenprofils. Es soll jedoch keineswegs ausgeschlossen sein, dass im Ringverlauf des Rahmenprofils auch ein oder mehrere geradlinig verlaufende Abschnitte vorgesehen sind, etwa zur Ausbildung eines polygonartigen Rahmenprofils, gegebenenfalls mit abgerundeten Polygonecken.The term "annular frame profile" is to be understood in the context of the invention very broad and is intended to include each at least partially curved and / or angled running, total annularly extending element. In particular, such a frame profile over the entire circumferential course may be curved more or less, for example, to form a circular or oval frame profile. However, it should by no means be ruled out that one or more rectilinear portions are provided in the ring profile of the frame profile, such as for the formation of a polygonal frame profile, optionally with rounded polygon corners.
Das Rahmenprofil kann als solches einen herzustellenden Rahmen (z. B. Fensterrahmen für ein Luft- oder Raumfahrzeug) bilden. Alternativ kann das gemäß der Erfindung hergestellte Rahmenprofil zusammen mit weiteren Elementen, z. B. einem weiteren solchen ringförmigen Rahmenprofil und/oder weiteren Anbauteilen, den herzustellenden Rahmen bilden.As such, the frame profile may form a frame to be manufactured (eg, window frames for an aerospace vehicle). Alternatively, the frame profile produced according to the invention, together with other elements, for. B. another such annular frame profile and / or other attachments, the frame to be produced.
Bereits mit einem einzigen gemäß der Erfindung hergestellten Rahmenprofil las- sen sich in einfacher Weise insbesondere Profile mit L-förmigem, Z-förmigem oder U-förmigem Profilquerschnitt herstellen. Im Hinblick auf eine endkonturnahe Herstellung des Vorformlings ist es bevorzugt, wenn der beim Wickelprozess verwendete Kern bereits eine dem gewünschten Profilquerschnitt angepasste Formgestaltung besitzt. In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Kern mit dem zugeführten Band mehrmals umwickelt wird. Insbesondere in Kombination mit der Verwendung von umlaufenden, nicht unterbrochenen Fasern in 0°-Orientierung kann damit eine besonders große Zugfestigkeit des fertigen Bauteils in Umfangs- richtung bewerkstelligt werden.Already profiles with L-shaped, Z-shaped or U-shaped profile cross-sections can be produced in a simple manner even with a single frame profile produced according to the invention. With regard to production of the preform close to the final contour, it is preferred if the core used in the winding process already has a shape configuration adapted to the desired profile cross section. In a preferred embodiment it is provided that the core is wrapped several times with the supplied tape. In particular in combination with the use of circulating, uninterrupted fibers in 0 ° orientation, a particularly high tensile strength of the finished component in the circumferential direction can thus be achieved.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Band als quasi-endloses Band zugeführt wird, dessen Länge zur Herstellung einer Mehrzahl von Vorformlingen ausreichend bemessen ist. Diese Maßnahme ist insbesondere für eine Serienfertigung von Vorformlingen interessant, beispielsweise zur Fertigung von identischen Vorformlingen (z. B. mehr als zehn), etwa wenn es um die Serienfertigung entsprechender Rahmenprofile geht.In an embodiment it is provided that the strip is fed as a quasi-endless strip whose length is sufficiently dimensioned for producing a plurality of preforms. This measure is particularly interesting for a series production of preforms, for example for the production of identical preforms (eg more than ten), for example when it comes to the series production of corresponding frame profiles.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass im Falle der Ausbildung eines radial nach innen oder außen gerichteten Flansches der betreffende Bandrand mit "einfachen Einschnitten" (Schlitzen) versehen wird. Im Falle der Ausbildung eines radial nach innen gerichteten Flansches können alternativ oder zusätzlich auch im Wesentlichen V-förmige Einschnitte (zur Bandmitte hin verjüngt) am betreffenden Bandrand vorgesehen sein, was den Vorteil besitzt, dass damit ein Überlapp der an den Einschnitten angrenzenden Bandabschnitte am ringförmigen Vorformling vermindert oder ganz vermieden wird.In one embodiment, it is provided that in the case of the formation of a radially inwardly or outwardly directed flange of the respective band edge with "simple cuts" (slots) is provided. In the case of the formation of a radially inwardly directed flange, alternatively or additionally, essentially V-shaped cuts (tapered towards the center of the strip) may be provided on the respective strip edge, which has the advantage that there is an overlap of the strip sections adjacent to the cuts on the annular strip Preform is reduced or completely avoided.
Unabhängig von der konkreten Gestaltung der Einschnitte ist in einer Ausfüh- rungsform vorgesehen, dass die Einschnitte bzw. Mittellinien der Einschnitte jeweils im Wesentlichen orthogonal zum betreffenden Bandrand verlaufen.Regardless of the specific design of the incisions, it is provided in one embodiment that the incisions or center lines of the incisions each extend substantially orthogonally to the relevant band edge.
Es ist klar, dass an den Stellen der Einschnitte jeweils eine gewisse Materialschwächung resultiert. Um hierdurch die Festigkeit des fertigen Rahmenprofils nicht nennenswert zu beeinträchtigen, ist gemäß einer vorteilhaften Ausführungs- form vorgesehen, dass die Stellen, an denen das aufzuwickelnde Band eingeschnitten wird, derart gewählt werden, dass am aufgewickelten Band die Einschnitte einander benachbarter Wickellagen in Umfangsrichtung versetzt zueinan- der angeordnet sind. Wenn die Einschnitte an einem Rand des zugeführten Bands in Zufuhrrichtung betrachtet äquidistant angeordnet werden, so sollte der gegenseitige Abstand der Einschnitte z. B. so bemessen sein, dass eine Umfangslänge des auf den Kern gewickelten Bands kein ganzzahliges Vielfaches dieses Abstands ist. Abhängig von der gewünschten Formgestaltung des herzustellenden ringförmigen Rahmenprofils lässt sich diese geometrische Bedingung zumeist in vielfältiger weise realisieren. In einer Ausführungsform, bei welcher die Einschnitte an einem Bandrand äquidistant angeordnet sind, kann z. B. vorgesehen sein, dass jeder Einschnitt am aufgewickelten Band in Umfangsrichtung betrachtet zumindest annähernd in der Mitte zwischen zwei in Umfangsrichtung benachbarten Einschnitten einer darunterliegenden (oder darüberliegenden) Wickellage des Bandes liegt. Hierzu ein Beispiel: ein gegenseitiger Abstand äquidistanter Einschnitte betrage 5 cm bei einer Umfangslänge von 102 cm. Dies ist eine günstige Dimensionierung (Umfang = 20,4 x Abstand). Wenn demgegenüber der gegenseitige Abstand 5 cm bei einer Umfangslänge von 100 cm beträgt, so ist dies ungüns- tig (Umfang = 20,0 x Abstand).It is clear that at the points of the incisions each result in a certain material weakening. To thereby the strength of the finished frame profile not to significantly affect, is provided according to an advantageous embodiment, that the locations at which the tape to be wound is cut, are selected such that the incisions of adjacent winding layers are circumferentially offset zueinan- arranged on the wound tape. If the incisions are arranged equidistantly viewed at an edge of the supplied tape in the feed direction, the mutual distance of the incisions z. B. be sized so that a circumferential length of the wound on the core band is not an integer multiple of this distance. Depending on the desired shape design of the produced annular frame profile, this geometric condition can usually be realized in many ways. In an embodiment in which the incisions are arranged equidistantly on a band edge, z. Example, be provided that each incision on the wound strip viewed in the circumferential direction is at least approximately in the middle between two circumferentially adjacent incisions of an underlying (or overlying) winding layer of the tape. Here is an example: a mutual distance equidistant incisions amounts to 5 cm with a circumferential length of 102 cm. This is a favorable dimensioning (circumference = 20.4 x distance). On the contrary, when the mutual distance is 5 cm at a circumferential length of 100 cm, it is unfavorable (circumference = 20.0 x pitch).
Selbstverständlich können die gegenseitigen Abstände einander benachbarter Einschnitte an einem bestimmten Bandrand der betreffenden Formgestaltung bzw. Dimensionierung des betreffenden Kerns angepasst werden, bevorzugt unter Be- rücksichtigung der sich während des Wickelprozesses allmählich vergrößernden Umfangslänge. Die Einschnitte müssen keineswegs äquidistant angeordnet sein.Of course, the mutual distances of adjacent incisions can be adapted to a particular band edge of the relevant shape design or dimensioning of the relevant core, preferably taking into account the gradually increasing during the winding process peripheral length. The cuts do not have to be arranged equidistantly.
Eine bevorzugte Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Herstellung eines Vorformlings zur Herstellung eines Fensterrahmenelements für ein Luft- oder Raumfahrzeug. Mit der Erfindung lassen sich vorteilhaft kostengünstige Halbzeuge (z. B. Multiaxialgelege, Gewebe, Geflechte etc. in Form von geraden Bändern) verwenden und in einem einfachen, automatisierbaren Prozess zur Bildung des Vorformlings verarbeiten. Wenn das verwendete Halbzeugband Endlos- fasern in 0°-Orientierung enthält, so können in einfacher Weise zumindest in einem Stegbereich des Rahmenprofils in Umfangsrichtung durchgängige Fasern (abgesehen von Bandanfang und -ende) realisiert werden. Beispielsweise können Vorformlinge für ringförmige CFK-Rahmen oder -Rahmenelemente mit L-, Z- oder U-Profilquerschnitt hergestellt werden, z. B. Fensterrahmen bzw. Fensterrahmen- elemente für Flugzeuge, insbesondere Verkehrsflugzeuge.A preferred use of the method according to the invention is the production of a preform for producing a window frame element for an airframe. or spacecraft. Advantageously, low-cost semi-finished products (eg, multiaxial covers, woven fabrics, braids etc. in the form of straight strips) can be used with the invention and processed in a simple, automatable process for forming the preform. If the semifinished product strip used contains endless fibers in the 0 ° orientation, continuous fibers (apart from the beginning and the end of the strip) can be realized in a simple manner at least in one web region of the frame profile in the circumferential direction. For example, preforms may be made for annular CFRP frames or frame members having L, Z or U profile cross sections, e.g. For example, window frames or window frame elements for aircraft, in particular commercial aircraft.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es stellen dar:The invention will be described in more detail by means of embodiments with reference to the accompanying drawings. They show:
Fig. 1 ist eine Draufsicht eines ringförmigen Rahmenprofils zur Einfassung eines Fensters für ein Verkehrsflugzeug,Fig. 1 is a plan view of an annular frame profile for enclosing a window for a commercial aircraft,
Fig. 2 ist eine Schnittansicht längs der Linie H-Il in Fig. 1 und veranschaulicht einen Z-förmigen Profilquerschnitt des ringförmigen Rahmenprofils von Fig. 1 ,Fig. 2 is a sectional view taken along line H-II in Fig. 1 and illustrating a Z-shaped profile cross-section of the annular frame profile of Fig. 1,
Fig. 3 ist eine Darstellung zur Veranschaulichung eines Wickelprozesses zur Herstellung eines ringförmigen Vorformlings, aus welchem das Rahmenprofil von Fig. 1 hergestellt wird,FIG. 3 is an illustration for illustrating a winding process for producing an annular preform from which the frame profile of FIG. 1 is manufactured; FIG.
Fig. 4 bis 7 sind der Fig. 2 entsprechende Schnittansichten für modifizierte Ausführungsbeispiele von Rahmenprofilen, Fig. 8 ist eine Schnittansicht zur Veranschaulichung eines Profilquerschnitts bei einem ringförmigen Rahmenelement, welches aus zwei ringförmigen Rahmenprofilen mit jeweils L-förmigem Profilquerschnitt zusammengesetzt ist, und4 to 7 are the corresponding sectional views of FIG. 2 for modified embodiments of frame profiles, Fig. 8 is a sectional view illustrating a profile cross section in an annular frame member which is composed of two annular frame profiles each having an L-shaped profile cross-section, and
Fig. 9 ist eine Schnittansicht zur Veranschaulichung eines Profilquerschnitts bei einem ringförmigen Rahmenelement, welches aus einem Rahmenprofil mit Z- förmigem Querschnitt und einem Rahmenprofil mit L-förmigem Querschnitt zusammengesetzt ist.Fig. 9 is a sectional view illustrating a profile cross section in an annular frame member composed of a Z-section frame profile and a L-section frame profile.
Fig. 1 zeigt in einer Draufsicht ein ringförmig geschlossen, hier als Oval verlaufendes Rahmenprofil 10 zur Einfassung eines Fensters für den Passagierbereich eines Verkehrsflugzeuges.Fig. 1 shows a plan view of an annular closed, here as an oval frame profile 10 for enclosing a window for the passenger area of a commercial aircraft.
Das Rahmenprofil 10 umfasst zwei radiale Flansche, nämlich einen radial inneren Flansch 12 und einen radial äußeren Flansch 14, die durch einen axialen Steg 16 (Fig. 2) miteinander verbunden sind.The frame profile 10 comprises two radial flanges, namely a radially inner flange 12 and a radially outer flange 14 interconnected by an axial web 16 (Figure 2).
Fig. 2 zeigt den insgesamt Z-förmigen Profilquerschnitt des Rahmenprofils 10, der im dargestellten Ausführungsbeispiel durch jeweils rechteckige Profilbereiche der beiden Flansche 12, 14 und des verbindenden Stegs 16 zusammengesetzt ist.Fig. 2 shows the total Z-shaped profile cross-section of the frame profile 10, which is composed in the illustrated embodiment by each rectangular profile regions of the two flanges 12, 14 and the connecting web 16.
Der Übergang von dem radial inneren Flansch 12 zum axialen Steg 16 und der Übergang vom radial äußeren Flansch 14 zum axialen Steg 16 erfolgt an jeweiligen Abwinklungen 18 bzw. 20.The transition from the radially inner flange 12 to the axial web 16 and the transition from the radially outer flange 14 to the axial web 16 takes place at respective bends 18 and 20, respectively.
Nachfolgend wird mit Bezug auf Fig. 3 ein Verfahren erläutert, mittels welchem sich beispielsweise das in Fig. 1 dargestellte Rahmenprofil 10 in Faserverbundtechnologie, insbesondere z. B. als CFK-Bauteil herstellen lässt. Fig. 3 veranschaulicht, wie durch ein Wickeln eines als Band 30 zugeführten texti- len Halbzeugs (hier: ein Prepreg zur Herstellung eines CFK-Verbunds) auf einen formgebenden Kern 32 ein Vorformling 34 erzeugt wird, aus welchem durch einen Aushärtprozess an sich bekannter Art (z. B. thermisch) das ringförmige Rahmen- profil 10 (Fig. 1) geschaffen werden kann.A method is explained below with reference to FIG. 3, by means of which, for example, the frame profile 10 shown in FIG. 1 in fiber composite technology, in particular z. B. can be produced as CFRP component. FIG. 3 illustrates how, by winding a textile semifinished product (here: a prepreg for producing a CFRP composite) fed onto a forming core 32, a preform 34 is produced by means of which a hardening process of a type known per se is produced (eg, thermally), the annular frame profile 10 (Figure 1) can be created.
Das Halbzeugband 30 wird im dargestellten Ausführungsbeispiel von einer gebremsten Bandspule 36 in Richtung eines Pfeils 38 abgezogen bzw. dem drehangetriebenen Kern 32 zugeführt. Die Drehachse des Kerns 32 ist bei 40 einge- zeichnet. Ein Pfeil 42 symbolisiert die Drehrichtung.The semifinished product strip 30 is withdrawn in the illustrated embodiment by a braked belt spool 36 in the direction of an arrow 38 or supplied to the rotationally driven core 32. The axis of rotation of the core 32 is indicated at 40. An arrow 42 symbolizes the direction of rotation.
Der Kern 32 verleiht dem durch den Aufwickelprozess erzeugten Vorformling 34 bereits eine endkonturnahe Formgebung durch eine entsprechende Konturierung des Kerns 34 in den zur Auflage des Bandwickels vorgesehenen Oberflächenbe- reichen. Entsprechend dem Rahmenprofil 10 (Fig. 1) besitzt der Vorformling 34 (Fig. 2) daher ebenfalls einen radial inneren Flansch 44, einen radial äußeren Flansch 46 und einen diese beiden radialen Flansche bzw. Flächen verbindenden axialen Stegbereich 48.The core 32 already gives the preform 34 produced by the winding process a shaping near the final contour by means of a corresponding contouring of the core 34 in the surface areas provided for supporting the tape roll. According to the frame profile 10 (FIG. 1), the preform 34 (FIG. 2) therefore likewise has a radially inner flange 44, a radially outer flange 46 and an axial web region 48 connecting these two radial flanges.
Das aufzuwickelnde textile Halbzeugband 30 ist ein biegsames, jedoch praktisch nicht dehnbares Prepreg aus vorimprägnierten Kohlenstofffasern mit verschiedenen Orientierungen (hier: 0°, 90° und +/- 45°). Damit die Flansche 44 und 46, die am Vorformling 34 in radialer Richtung zu orientieren sind, problemlos ausgebildet werden können, wird das Band 30 an geeigneten Stellen vom Rand her einge- schnitten, bevor es auf den Kern 32 gewickelt wird. Eine dies bewerkstelligende Schneide- oder Stanzeinrichtung kann z. B. im Verlauf von der Bandspule 36 zum Kern 32 angeordnet sein, ist in Fig. 3 jedoch nicht dargestellt. Beim Wickeln des Bands 30 auf den entsprechend profilierten Außenumfang des Kerns 32 werden die radialen Flansche 44 und 46 des Vorformlings 34 ausgebildet, indem die bei- den seitlichen Randbereiche des Bands 30 entsprechend aus der axialen Ebene des mittleren Stegbereiches 48 heraus abgewinkelt werden. Bevorzugt werden für diese Formgebung entsprechende (nicht dargestellte) Andruckrollen am Außenumfang des Kerns 32 eingesetzt, welche das zugeführte Bandmaterial beim Auf- wickeln in die gewünschte Profilform bringen.The semi-finished semi-finished product to be wound 30 is a flexible, but practically non-stretchable prepreg of pre-impregnated carbon fibers with different orientations (here: 0 °, 90 ° and +/- 45 °). Thus, the flanges 44 and 46, which are to be oriented on the preform 34 in the radial direction, can be easily formed, the tape 30 is cut at appropriate locations from the edge before it is wound on the core 32. An accomplishing this cutting or punching device can, for. B. be arranged in the course of the tape reel 36 to the core 32, but not shown in Fig. 3. When winding the band 30 on the correspondingly profiled outer circumference of the core 32, the radial flanges 44 and 46 of the preform 34 are formed by the The lateral edge regions of the band 30 are accordingly angled out of the axial plane of the central web region 48 out. For this shaping, suitable pressure rollers (not shown) are preferably used on the outer circumference of the core 32, which bring the supplied strip material into the desired profile shape during winding.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird derjenige Rand des Bands 30, der zur Ausbildung des radial inneren Flansches 44 vorgesehen ist, mit V-förmigen Einschnitten 50 versehen, die sich in Richtung zur Bandmitte hin verjüngen. Demge- genüber wird der andere Rand des Bands 30, der zur Ausbildung des äußeren Flansches 46 herangezogen wird, mit "einfachen" (linienförmigen) Einschnitten 52 versehen.In the illustrated embodiment, that edge of the band 30 which is intended to form the radially inner flange 44 is provided with V-shaped cuts 50, which taper in the direction of the center of the band. In contrast, the other edge of the band 30, which is used to form the outer flange 46, is provided with "simple" (linear) cuts 52.
Die V-Förmigkeit der Einschnitte 50 ist hierbei so bemessen, dass durch die beim Aufwickeln erzeugte Krümmung des Bands 30 die V-Form "sich gerade schließt", so dass für den inneren radialen Flansch 40 ein bei Verwendung von einfachen Einschnitten resultierender Überlapp von Bandbereichen einer Wickellage vorteilhaft vermieden wird.The V-shape of the cuts 50 is in this case dimensioned such that due to the curvature of the band 30 produced during winding, the V-shape "just closes", so that for the inner radial flange 40 an overlap of band areas resulting using simple incisions a winding layer is advantageously avoided.
Anders als bei dem inneren Flansch 44 werden bei dem äußeren Flansch 46 die entsprechenden Einschnitte 52 beim Ausbilden des Flansches nicht "komprimiert" sondern "aufgespreizt", so dass durch die beim Aufwickeln des Bands 30 erzeugte Krümmung des Bands 30 im Bereich des äußeren Flansches 46 V-förmige Aussparungen des Bandmaterials entstehen. In einer Weiterbildung ist denkbar, diese durch die Aufspreizung entstandenen Aussparungen durch Einbringung entsprechend konturierten Halbzeugmaterials aufzufüllen, bevor an dieser Stelle eine weitere Materiallage aufgewickelt wird. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird zur Herstellung des Vorformlings 34 der Kern 32 einige 10 Mal mit dem Band 30 umwickelt. Die Einschnitte 50 und 52 sind hierbei so vorgesehen, dass sie nach dem Aufwickeln nicht direkt übereinander, sondern versetzt zueinander angeordnet sind. Eine weitere Besonderheit der dar- gestellten Ausführungsform besteht darin, dass die beiderseitigen Einschnitte 50 und 52 auch gegeneinander versetzt angeordnet sind (in Bandlaufrichtung 38 betrachtet befinden sich die Einschnitte 50 jeweils im Zwischenraum zwischen zwei benachbarten der Einschnitte 52).In contrast to the inner flange 44, in the case of the outer flange 46, the corresponding recesses 52 are not "compressed" during the formation of the flange, but "spread apart", so that the curvature of the band 30 produced in the area of the outer flange 46 when the band 30 is wound up V-shaped recesses of the strip material arise. In a further development, it is conceivable to fill up these recesses resulting from the spreading by introducing correspondingly contoured semifinished product material, before a further material layer is wound up at this point. In the illustrated embodiment, the core 32 is wrapped some 10 times with the tape 30 for the production of the preform 34. The cuts 50 and 52 are in this case provided so that they are not arranged directly above one another after winding, but offset from each other. Another peculiarity of the illustrated embodiment is that the mutual incisions 50 and 52 are also offset from each other (viewed in the tape running direction 38, the incisions 50 are each in the space between two adjacent of the incisions 52).
Im Anschluss an den in Fig. 3 veranschaulichten Wickelprozess wird der so gebildete Vorformling 34, bevorzugt in einem Formwerkzeug, thermisch ausgehärtet. Abhängig von dem verwendeten Halbzeug (Band 30) können selbstverständlich auch andere spezielle Fertigungsschritte zur Herstellung des Endprodukts (Rahmenprofil 10) eingesetzt werden, wie sie an sich aus der Faserverbundtechnologie bekannt sind. Beispielsweise kann für bestimmte Halbzeuge eine vorherige Infiltration des Matrixmaterials vor dem Aushärtprozess erforderlich sein.Subsequent to the winding process illustrated in FIG. 3, the preform 34 thus formed is thermally cured, preferably in a molding tool. Depending on the semifinished product used (Volume 30), of course, other special manufacturing steps for the production of the final product (frame profile 10) can be used, as they are known per se from the fiber composite technology. For example, for certain semi-finished products, a prior infiltration of the matrix material before the curing process may be required.
Bei der nachfolgenden Beschreibung von weiteren Ausführungsbeispielen werden für gleichwirkende Komponenten die gleichen Bezugszahlen verwendet, jeweils ergänzt durch einen kleinen Buchstaben zur Unterscheidung der Ausführungsform. Dabei wird im Wesentlichen nur auf die Unterschiede zu dem bzw. den bereits beschriebenen Ausführungsbeispielen eingegangen und im Übrigen hiermit ausdrücklich auf die Beschreibung vorangegangener Ausführungsbeispiele verwiesen.In the following description of further embodiments, the same reference numerals are used for equivalent components, each supplemented by a small letter to distinguish the embodiment. In this case, essentially only the differences from the embodiment (s) already described are discussed and, moreover, reference is hereby explicitly made to the description of previous exemplary embodiments.
Die Fig. 4 bis 7 veranschaulichen beispielhaft weitere Gestaltungsmöglichkeiten hinsichtlich des Profilquerschnitts bei einem Rahmenprofil der in Fig. 1 dargestellten Art. Fig. 4 zeigt ein L-förmiges Profil mit einem radial nach außen gerichteten Flansch 14a.4 to 7 illustrate by way of example further design options with regard to the profile cross-section in a frame profile of the type shown in Fig. 1. Fig. 4 shows an L-shaped profile with a radially outwardly directed flange 14a.
Fig. 5 zeigt ein L-förmiges Profil mit einem radial nach innen gerichteten Flansch 12b.Fig. 5 shows an L-shaped profile with a radially inwardly directed flange 12b.
Fig. 6 zeigt ein U-förmiges Profil mit zwei radial nach außen gerichteten Flanschen 14c-1 und 14c-2, die durch einen axialen Steg 16c miteinander verbunden sind.Fig. 6 shows a U-shaped profile with two radially outwardly directed flanges 14c-1 and 14c-2, which are interconnected by an axial web 16c.
Fig. 7 zeigt ein U-förmiges Profil mit zwei radial nach innen gerichteten Flanschen 12d-1 und 12d-2, die durch einen axialen Steg 16d miteinander verbunden sind.Fig. 7 shows a U-shaped profile with two radially inwardly directed flanges 12d-1 and 12d-2, which are interconnected by an axial web 16d.
Die Profile gemäß der Fig. 4 bis 7 lassen sich jeweils durch eine entsprechende Modifikation des zum Wickeln verwendeten Kerns sowie der Einschnitte erzeugen. Für die Profile der Fig. 4 und 5, umfassend jeweils nur einen Radialflansch, genügt es, das dem Wickelprozess zugeführte Haizeugband nur an einem Bandrand mit Einschnitten zu versehen.The profiles according to FIGS. 4 to 7 can each be produced by a corresponding modification of the core used for winding as well as the cuts. For the profiles of Figs. 4 and 5, each comprising only a radial flange, it is sufficient to provide the winding process supplied to the Haizeugband only at a band edge with cuts.
Die Fig. 8 und 9 veranschaulichen, dass ein herzustellendes Rahmenprofilele- ment, beispielsweise ein Fensterrahmen der oben bereits erläuterten Art, auch aus mehreren ringförmigen Rahmenprofilen zusammengesetzt werden kann. Die beiden Figuren zeigen jeweils das Profil eines aus zwei nach dem oben beschriebenen Verfahren hergestellten Rahmenprofilen zusammengesetzten Rahmen 60 (Fig. 8) bzw. 62 (Fig. 9).FIGS. 8 and 9 illustrate that a frame profile element to be produced, for example a window frame of the type already explained above, can also be assembled from a plurality of annular frame profiles. The two figures each show the profile of a frame 60 composed of two frame profiles produced by the method described above (FIG. 8) and 62 (FIG. 9).
Zusammenfassend werden mit den obigen Ausführungsbeispielen von ringförmigen Rahmenprofilen Bauteile geschaffen, die auf Grund des Einsatzes der Faserverbundtechnologie "trotz schwieriger Geometrie" für viele Anwendungsgebiete interessant sind. In summary, with the above embodiments of annular frame profiles components are created that are interesting due to the use of fiber composite technology "despite difficult geometry" for many applications.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur Herstellung eines Vorformlings (34) aus Halbzeug, zur Herstellung eines ringförmigen, wenigstens einen radialen Flansch (12, 14) aufweisenden Rahmenprofils (10) aus dem mit einem Matrixmaterial getränkten und ausgehärteten Halbzeug, wobei der Vorformling (34) durch Wickeln des als Band (30) zugeführten Halbzeugs auf einen Kern erzeugt wird.1. A method for producing a preform (34) from semifinished product, for producing an annular, at least one radial flange (12, 14) having frame profile (10) from the impregnated with a matrix material and cured semi-finished, wherein the preform (34) by winding of the semifinished product fed as a strip (30) is produced on a core.
2. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das aufzuwickelnde Band von einem Bandrand her eingeschnitten wird, der zur Ausbildung des radialen Flansches (12, 14) am Rahmenprofil vorgesehen ist.2. The method of claim 2, wherein the wound tape is cut from a band edge, which is provided for forming the radial flange (12, 14) on the frame profile.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Band (30) Fasern in verschiedenen Orientierungen enthält.The method of claim 1 or 2, wherein the tape (30) contains fibers in different orientations.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Band (30) ein Multiaxialgelege, ein Gewebe oder ein Geflecht ist.A method according to any one of the preceding claims, wherein the band (30) is a multiaxial fabric, a woven fabric or a braid.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Band (30) Fasern in 0°-Orientierung enthält.A method according to any one of the preceding claims, wherein the tape (30) contains fibers in 0 ° orientation.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Band (30) ein Prepreg darstellt.A method according to any one of the preceding claims, wherein the tape (30) is a prepreg.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Kern (32) mit dem zugeführten Band (30) mehrmals umwickelt wird. A method according to any one of the preceding claims, wherein the core (32) is wrapped several times with the tape (30) being fed.
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Band (30) als quasi-endloses Band (30) zugeführt wird, dessen Länge zur Herstellung einer Mehrzahl von Vorformlingen (34) ausreichend bemessen ist.8. The method according to any one of the preceding claims, wherein the tape (30) is fed as a quasi-endless belt (30), the length of which is sufficiently dimensioned for producing a plurality of preforms (34).
9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei im Falle der Ausbildung eines radial nach innen oder außen gerichteten Flansches (12 oder 14) der betreffende Bandrand mit "einfachen Einschnitten" (52) versehen wird.9. The method according to any one of the preceding claims, wherein in the case of forming a radially inwardly or outwardly directed flange (12 or 14) of the respective band edge with "simple cuts" (52) is provided.
10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei im Falle der Ausbildung eines radial nach innen gerichteten Flansches (12) der betreffende10. The method according to any one of the preceding claims, wherein in the case of forming a radially inwardly directed flange (12) of the respective
Bandrand mit im Wesentlichen V-förmigen Einschnitten (50) versehen wird.Band edge is provided with substantially V-shaped cuts (50).
11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Stellen, an denen das aufzuwickelnde Band eingeschnitten wird, derart gewählt werden, dass am aufgewickelten Band die Einschnitte (50, 52) einander benachbarter Wickellagen in Umfangsrichtung versetzt zueinander angeordnet sind.11. The method according to any one of the preceding claims, wherein the locations at which the tape to be wound is cut, are selected such that the incisions (50, 52) of adjacent winding layers are circumferentially offset from each other on the wound tape.
12. Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zur Herstellung eines Vorformlings (34) zur Herstellung eines Fensterrahmenelements (10), insbesondere eines Fensterrahmenelements für ein Luft- oder Raumfahrzeug.12. Use of a method according to one of claims 1 to 11 for producing a preform (34) for producing a window frame element (10), in particular a window frame element for an aircraft or spacecraft.
13. Rahmenprofil (10), insbesondere Fensterrahmenelement, aus Faserverbundwerkstoff, hergestellt mittels eines nach einem der Ansprüche 1 bis 10 herge- stellten Vorformlings (34).13. Frame profile (10), in particular window frame element, made of fiber composite material, produced by means of a preform produced according to one of claims 1 to 10 (34).
14. Rahmenprofil (10) nach Anspruch 13 zur Verwendung als Fensterrahmenelement für ein Luft- oder Raumfahrzeug. 14. Frame profile (10) according to claim 13 for use as a window frame element for an aircraft or spacecraft.
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