WO2009087115A1 - Verfahren zur herstellung (teil-)ringförmiger, faserverstärkten kunststoff enthaltende bauteile aus fvw-halbzeugen - Google Patents

Verfahren zur herstellung (teil-)ringförmiger, faserverstärkten kunststoff enthaltende bauteile aus fvw-halbzeugen Download PDF

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WO2009087115A1
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    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
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    • B29C70/28—Shaping operations therefor
    • B29C70/30—Shaping by lay-up, i.e. applying fibres, tape or broadsheet on a mould, former or core; Shaping by spray-up, i.e. spraying of fibres on a mould, former or core
    • B29C70/32—Shaping by lay-up, i.e. applying fibres, tape or broadsheet on a mould, former or core; Shaping by spray-up, i.e. spraying of fibres on a mould, former or core on a rotating mould, former or core
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    • B29C70/34—Shaping by lay-up, i.e. applying fibres, tape or broadsheet on a mould, former or core; Shaping by spray-up, i.e. spraying of fibres on a mould, former or core and shaping or impregnating by compression, i.e. combined with compressing after the lay-up operation
    • B29C70/345—Shaping by lay-up, i.e. applying fibres, tape or broadsheet on a mould, former or core; Shaping by spray-up, i.e. spraying of fibres on a mould, former or core and shaping or impregnating by compression, i.e. combined with compressing after the lay-up operation using matched moulds

Definitions

  • the invention relates to a method for producing annular or partially annular, fiber-reinforced plastic-containing components made of fiber composite material (FVW) - semifinished products.
  • FVW fiber composite material
  • US 5,393,215 B1 (D2) describes a method and an apparatus for producing a fiber composite component in which a composite material is introduced into a tool cavity of a centrifuge. Subsequently, the cavity is evacuated, set in rotation, thereby displacing resin from a container in the region of the centrifuge center into the cavity.
  • DE 29 19 498 A1 discloses a centrifugal casting apparatus with a plurality of tool cavities which are connected via channels with a casting shaft arranged in the center of the device. Due to the centrifugal forces, the resin mixture is forced out of the pouring chute into the tool cavities. During filling of the cavities, the air in the mold is displaced in the direction of the axis of rotation and released via a venting channel.
  • US 5,906,836 B1 describes a centrifugal casting apparatus for producing annular components from a PU material. In the cavity, a reinforcing wire may be introduced.
  • a winding method for the production of at least partially annular components which comprises a coil of two moldings, which is rotatable about a longitudinal axis, so that a unidirectional carbon Fiber is wound on the lateral surface.
  • the winding shape is controlled by the motion control of a guide device, wherein in the region of side parts of the molded body, a larger number of fiber layers was wound on top of each other than in the middle.
  • the cavity of the coil is closed by means of covers and filled with liquid plastic via a pouring opening.
  • a centrifugal molding method for producing a product wherein in the method to be molded raw material is introduced into a centrifuge.
  • a mass is introduced into the centrifuge, more specifically within a volume surrounding the raw material.
  • An additional force is exerted on the material to be molded during the molding process during the operation of the centrifuge, or pressure is exerted on the material from the inside, whereby the material is brought into contact with the outer wall of the centrifuge.
  • DE 2 138 353 A describes a method for impregnating semi-finished products with matrix material, wherein the matrix material is thrown onto and into the semifinished product with high kinetic energy without admixture of air.
  • DE 1 886 051 U describes a disk-shaped spinning machine for producing small parts which has a plurality of plate shapes arranged one above the other, which are rotated together about their common center axis and supplied via a common feed channel for matrix material arranged in the center.
  • the object of the invention is to provide a method for producing annular, fiber-reinforced plastic-containing components made of fiber composite (FVW) halves, can be made with the components with complex cross-sectional shape.
  • FVW fiber composite
  • the positioning of a plurality of ring-shaped or partially annular shaped pieces and the multi-layer application of the semi-finished product into the channel of the coil-like shape occur several times alternately before the drum is rotated.
  • two adjoining moldings are designed such that they cooperate form-fitting, so that the radially outward of the drum outer fitting is fixed to the radially inner mold in the axial direction of the drum, and that a directed in the axial direction side wall of the outer fitting forms a side wall of a channel portion.
  • two fittings are applied to the respective formed arrangement of moldings such that two opposing side walls and along the radial direction of the drum extending side walls of the fittings form a channel section to form a component web, which adjoins a by means of fittings already formed channel section connects, and that on corresponding receiving surfaces of the fittings a circumferentially extending cover member is applied, which closes the channel portion formed in the radial outward direction, so that upon rotation of the drum, the end piece out of the matrix material prevented the channel.
  • a surface of the cover element and the upper side of at least one of the shaped pieces form a extending in the axial direction of the drum channel portion which connects to a along the radial direction of the drum extending channel portion to form a component web, and in that Forming an axially extending flange in the axially extending channel section semi-finished material inserted and matrix material is introduced.
  • At least one feed channel for the introduction of matrix material is formed in the channel.
  • the feed channel from the interior of the drum opens into the channel.
  • a supply channel may be formed, which opens from the channel into the outer environment of the drum.
  • an end cap or lid may be used which is disposed on the spool-like shape such that it closes the channel radially outwardly so that as the drum rotates the end piece will move the matrix material out of the channel prevented.
  • a resin or a molten metal may be used as the matrix material. Furthermore, a selection or combination of rovings, fabrics, fabrics, prepregs and / or filaments may be used as a semi-finished product.
  • the fittings may be formed of fiber reinforced materials.
  • the arrangement of the shaped pieces may be provided such that the channel of the coil-like shape is formed such that it forms the mold for a combination of at least one flare and at least one web for the component to be produced.
  • the positioning of a plurality of annular or semi-annular shaped pieces on a rotatable drum can be carried out such that on the same drum in the longitudinal direction of the drum side by side several components made of FVW semi-finished products and removed from the drum.
  • a plurality of hardened semi-finished products or components can be produced in a parallel process on the same drum, ie it can be provided that the positioning of a plurality of annular or semi-annular shaped pieces on a rotatable drum is such that on the same drum moldings are positioned so that in the longitudinal direction of the drum more shaped semi-finished products or components made of FVW semi-finished products can be removed and from the drum.
  • the production of an annular or partially annular fiber-reinforced plastic-containing semifinished product or component is thus provided from FVW semi-finished products.
  • the method according to the invention provides for a channel to be gradually formed from channel sections by means of shaped pieces in such a way that they gradually form a shape of the component to be produced.
  • the channel is formed of sections, wherein step by step, after production of a channel section, semi-finished material is inserted into each for producing a fiber composite component.
  • the semifinished material with the necessary for the production of a fiber composite component fiber orientation can be inserted into the channel.
  • Fiber material are inserted by a winding process in a channel section.
  • the channel section formed in each case is shaped in such a way that it runs rotationally symmetrically about the drum axis and is open radially outward and thus accessible for the insertion of fibers or fiber strands or dry or impregnated semifinished products of fibers.
  • the matrix material is introduced into the channel sections and thereby, or after the formation of a plurality of channel sections, matrix material.
  • the introduction of semi-finished products takes place in particular with a predetermined fiber orientation, which is to correspond to the fiber orientation in the semi-finished product or component to be produced, so that the production of a complex predetermined shape, e.g. with radially extending webs and axially adjacent flanges, by means of a rotation method is technically possible.
  • FIG. 1 shows an exploded perspective view of the drum provided according to the invention and of a plurality of ring-shaped or partially annular shaped pieces for arrangement on the rotatable drum,
  • FIG. 2 shows a partial section through the rotatable drum in the longitudinal direction thereof with an example of a completed construction of ring-shaped or partially annular shaped pieces on the drum,
  • FIG. 3a shows a support region of the rotatable drum with two annular shaped pieces arranged thereon, which are supported laterally by locking-angle rings, and with an application of a semifinished product for forming an inner belt for the frame to be produced,
  • FIG. 3a shows a support region of the rotatable drum with two annular shaped pieces arranged thereon, which are supported laterally by locking-angle rings, and with an application of a semifinished product for forming an inner belt for the frame to be produced
  • FIG. 3b shows a support region of the rotatable drum, on which, starting from the state shown in FIG. 3a, two further annular shaped pieces have been applied for additional formation of an inner flange of the chip to be produced,
  • FIG. 3c shows a support region of the rotatable drum on which, starting from the state shown in FIG. 3b, a further annular shaped part has been applied in exchange for a previously applied shaped part for additional formation of a web of the chip to be produced;
  • FIG. 3d shows a support region of the rotatable drum, on which, starting from the state shown in FIG. 3c, two further annular shaped parts have been applied to the frame to be produced in exchange for an already applied shaped part and two further annular shaped parts for the development of the web formed in the preceding step,
  • FIG. 3e shows a support region of the rotatable drum, on which, starting from the state shown in FIG. 3d, with the already applied annular shaped parts, an outer belt of the chip to be produced has additionally been wound
  • FIG. 3f shows a support region of the rotatable drum, on which, starting from the state shown in FIG. 3e, a ring cover element has been applied to complete the applied fitting dressing.
  • FIG. 1 shows an exploded perspective view of the production device 1 provided according to the invention with a drum 3 and with a plurality of ring-shaped or semi-annular molded pieces used in an application example of the inventive method for forming an annular rib for an aircraft fuselage for mounting on the rotatable drum can be. At least one of the placed moldings has one or more outer surfaces, can be placed on the semi-finished material.
  • a profile such as e.g. a frame can be made, but also several profiles can be produced simultaneously.
  • the simultaneous production of two profiles is shown in FIG. This increases the machine throughput and the number of components that can be produced with the production device according to the invention per time interval.
  • components with basic elliptical cross-sectional shapes can be made.
  • Semifinished products which may or may be used in particular: rovings, fabrics, textile scrims, prepregs and / or threads.
  • the semifinished product uses a matrix material.
  • the matrix material for which a resin or a molten metal is used, is introduced into the channel matrix material after the semifinished product has been introduced into the respective channel section.
  • This can also be applied to the semi-finished product, for example, if it is pre-impregnated semi-finished products (prepregs), on the drum.
  • the drum 3 has been associated with the longitudinal direction L ( Figure 2) which coincides with its axis of symmetry. This results in a radial direction R and a circumferential direction U.
  • FIG. 2 shows a partial section through the rotatable drum in its longitudinal direction with the completed construction of annular or partially annular shaped pieces on the drum, which is shown in steps in FIGS. 3a to 3f.
  • annular or semi-annular semi-finished products or components from FVW semi-finished products containing fiber reinforced plastic, first takes place a plurality of annular or semi-annular shaped pieces on a rotatable drum such that they extend in the circumferential direction of the drum and thereby form a coil-like shape with an annular receptacle or a channel portion for receiving the semifinished product, and then a multi-layer application of the semifinished product in the annular receptacle of the coil-like shape.
  • the annular receptacle is produced in a shape with which the formation of at least a part of the component to be produced can take place.
  • annular shaped pieces 11, 12 are initially arranged on a support area or support surface 5 of the rotatable drum 3, which in the embodiment described here are not exchanged during the process and therefore also as basic shaped pieces can be designated.
  • the bearing surface 5 of the rotatable drum 3 may also be the peripheral surface of a sleeve located on the peripheral surface of the drum.
  • Each mold piece 11, 12 has a first side surface 11a or 12a facing a first drum end 3a and a second side surface 11b, 12b facing a second drum end 3b.
  • the outer peripheral surfaces 11d, 12d have in the described embodiment, a contour on which partially a semi-finished material can be placed or wound and which is suitable for receiving further fittings.
  • the fittings in the application described here in each case a recess 13 and 14, which lie at corresponding radially outer corners, so that they form a coherent recess 15 with appropriate positioning of the fittings 11, 12 on the drum.
  • this recess 15 is characterized by an initially exposed, radially extending and the second Drammenellende side surface 11 b of the first mold piece 11 and an opposite, initially exposed and radially extending and the first drum end 3a facing side surface 14a second Restricted fitting 12.
  • the shaped pieces 11, 12 are at each of their, the respective drum ends 3a, 3b facing side surfaces 11a, 12b with a locking angle 18, 17 outwardly, ie in the longitudinal direction L, supported.
  • this semifinished layer 19 will form an inner crimp of the spider to be produced, the layer thickness corresponding to the thickness of the inner crest (FIG. 3 a).
  • a first and a second fitting 21 and 22 are placed on the provided for the formation of the inner flare layer 19, which are replaced by other fittings in a subsequent step, so that these fittings can also be referred to as intermediate fittings .
  • the first intermediate fitting 21 is designed and placed in the recess 15 such that the first intermediate fitting 21 radially outwardly covers the second intermediate fitting 22 and this in a recess on the radially inner side of the first intermediate fitting 21 is included.
  • the second intermediate fitting 22 and the second base fitting 12 are configured and located relative to each other such that between the first intermediate fitting 22 and the radially extending side wall 14a of the second base fitting 12 adjacent thereto radial extending channel or gap 23 remains free, which also extends in the circumferential direction U of the drum 3.
  • this radially extending gap 23 also semi-finished material 23a is inserted or placed in a further step, so that there is a radially extending semi-finished web 25, which in the component to be manufactured a collar for lying in the axial direction of the component completion of the inner flange of the produced Spants forms.
  • the first intermediate fitting 21 lies with its first, the first drum end 3a facing, radially extending side surface 21a on the side facing this or the recess surface 11b of the first base fitting 11 ( Figure 3b).
  • the first intermediate molding 21 is replaced in a further step by a third intermediate molding 30, which is also used only for an intermediate step and then replaced (Figure 3c).
  • the third molding 30 extends in the axial direction L of the drum 3 at its side portion 36 along the first mold piece 11 and extends in the axial direction beyond this also along a portion of the second base fitting 12, wherein it bears against this portion.
  • this has on the second base mold piece 12 side facing a circumferential direction U and directed towards the drum axis projection 35 on.
  • the second base mold piece 12 has a groove 27 on the side facing the third mold piece 30 for the positive reception of the circumferential projection 35 and for fixing the third intermediate piece in the axial direction L of the drum 3.
  • the third mold piece 30 is designed and located in the recess 15 that this between its first, radially extending and the first end of the drum 3a facing side wall 30a and the side surface 11b or recess wall of the first base fitting 11 a radially and circumferentially U extending channel or gap 33 releases, in the in a further step, semi-finished material 34 is inserted, which adjoins the material layer 19 for the formation of the inner flange at right angles (FIG. 3c).
  • a first profiled shaped piece 41 and a second profiled shaped piece 42 are placed on the previously made fitting structure (Figure 3d), which designed and on the previously made Shaped structure are positioned so that between these forms a running in the radial direction R gap or channel 43, which adjoins the radially extending gap 33 with the same width ( Figure 3e).
  • the gap 43 is formed between facing radially extending and opposite side surfaces 41 b, 42 a of the first profiled fitting 41 and the second profiled fitting 42.
  • Matrix material and / or semifinished material is then inserted or placed in the intermediate space and in the intermediate space 33, so that a radially extending semifinished product web 45 results in the component to be manufactured Interspace 33 resulting bridge represents.
  • the first profiled molding 41 has on its inner circumferential side a bearing surface 41 c, which is such and in particular has such an inner radius that the first profiled molding 41 from the first end 3 a of the drum 3 in the longitudinal direction L can be pushed onto the previous mold design.
  • the second profiled shaped piece 42 has on its inner circumferential side a support surface 42c, which is such and in particular has such an inner radius that the second profiled shaped piece 42 from the second end 3b of the drum 3 in the longitudinal direction L can be pushed onto the previous mold design (Figure 3d).
  • shaped pieces 41 and 42 are provided with ribs 41a and 42b on their outer sides facing the first 3a and the second 3b end of the drum, respectively. Furthermore, the shaped pieces 41 and 42 on their inner surface 41c and 42c of this from inwardly, ie to the drum central axis extending, annular or other projections 45, 46 on. These projections come in the sliding of the mold pieces 41, 42 on the arrangement of the already positioned on the drum 3 fittings in contact with a respective end of the drum 3a, 3b directed side surface of the respective fitting 11 and 30, in the given application, the respective the shaped pieces 41 and 42 respectively pushed from the respective end of the drum 3a and 3b, respectively.
  • the mold 41 adjacent the first drum end 3a has a receiving or depression or channel 50 extending in its width in the axial drum direction, the interior of which is connected to the space 43.
  • the channel 50 further semi-finished material is inserted, which adjoins the inserted into the space 43 material.
  • the inserted into the space 43 material forms the component to be produced in an annular extending in the axial direction of the drum 3 outer belt.
  • annular cover element 60 or end piece is pushed onto this from the first drum end 3 a against a stop surface 45, which is located beyond the outermost channel 50, as seen from the first drum end 3 a with a corresponding design of the ring lid member 60 the same covers the channel 50 ( Figure 3f).
  • the channel 50 terminates and the lid member 60 closes the channel 50, so that upon rotation of the drum 3, the lid member 60 prevents moving out of the matrix material from the channel.
  • fitting construction thus moldings can be used which are made in one piece and in particular in one piece. This applies in the given application for the fittings 11, 12, 41, 42. Furthermore, fittings can be used which consist of several, i. at least two peripheral parts are formed, which create a closed ring formed in the circumferential direction U together. This applies in the given application for the fittings 21, 22, 30. These are partly fittings that can not be brought to their intended position by pushing on kinematic reasons. These circumferentially assembled fittings are circumferentially secured together, e.g. attached at their ends located in the circumferential direction fasteners or rotating belts can be used.
  • components are preferably produced in a shape in the arrangement of which a profile of the channel to be formed results, which has sections extending at least in the radial direction.
  • This is a combination of used integral or integrally molded pieces, which necessarily extend in the circumferential direction for kinematic reasons.
  • fittings of the described application may be used for other applications, e.g. differently designed components to be produced, depending on the construction of the mold design and the resulting kinematic conditions combined in a different way.
  • fittings such as the fittings 21 or 22 may be provided, which are needed only for an intermediate step of semi-finished laying and which are then replaced by other fittings to continue the channel to be occupied with semi-finished material.
  • the semi-finished material may e.g. laid as layers or fiber mats in layers or wound up as a yarn or roving in each prepared channel and are introduced into the channel. It can be provided in particular that the fibers or threads or Ranre or rovings of the semi-finished products are inserted in a predetermined Orinet réelle in the respective channel portion.
  • the channel prepared in each case is preferably designed in such a way with fittings used in the respective mold construction, that these then with the semifinished material in a uniform manner, so. can be filled with the same winding technique or lay-up technique. However, a combination of different lay-up methods may be used in filling up the respective prepared channel.
  • the channel to be formed which extends in the circumferential direction and in the radial direction, extends as seen in the axial section of the drum partially in the radial or in the axial direction, if appropriate with corresponding transitions between an axial and a radial region.
  • a channel can be formed, the cross-section seen in the axial section of the drum, obliquely to the axial direction L or radial direction R.
  • an introduction of matrix material takes place in the filled with the semifinished product channel. This step can also be omitted if the semifinished product already has sufficient matrix material.
  • This may be done step by step after preparation of a channel section 19, 25, 33, 45, 50 or after preparation of a plurality of channel sections 19, 25, 33, 45, 50 or after preparation of the entire channel sections 19, 25, 33, 45, 50 formed channel and in particular after placing a ring cover element 60 done.
  • the semifinished product can already be provided with matrix material, e.g. when using prepregs for the matrix material.
  • a matrix material supply channel may be formed at the molding assembly or thereafter, which is in communication with a matrix material supply device with a reservoir for the matrix material, so that matrix material from the matrix material supply device may be provided. Material in the channel formed from fittings 19, 25, 33, 45, 50 can be inserted.
  • the matrix material supply means may be located inside the drum 3a or outside the drum 3, such that the supply channel from the ducted channel 19, 25, 33, 45, 50 into the area inside the drum or into the external environment the drum can extend.
  • an additional outlet channel may be formed, which is formed by an intermediate space formed between fittings or by other means, for example, the insertion of a cannula in a furthest can be done inside mold.
  • the outlet channel extends from a radially innermost location of the channel formed channel 19, 25, 33, 45, 50.
  • the outlet channel extends into the interior of the drum 3 and may be open at its inner end or open into a receptacle ,
  • the outlet channel can also be identical to the supply channel, when the latter opens at a radially innermost location of the channel formed from fittings 19, 25, 33, 45, 50 in this.
  • the curing of the semi-finished material and matrix material which is located in the formed from fittings channel 19, 25, 33, 45, 50, carried out using temperature to a plastic ring or part-ring and the Removal of the plastic ring from the coil-like shape or formed from fittings fitting structure.
  • the fittings used in the invention need not be rotationally symmetric or semi-rotationally symmetric, i. need not have circumferentially parallel edges and may be e.g. in the circumferential direction U, which according to the invention also falls under the designation "annular or semi-annular.”
  • the shaped pieces may also be formed non-symmetrically
  • the channel has a portion in the circumferential direction and in the radial direction, so that a centrifugal effect is exerted on the matrix material during rotation of the drum.
  • fittings e.g. the base fittings and intermediate fittings and other fittings may be generally provided or not provided thereon to achieve an arrangement thereof whereby the manufacture of a component of predetermined design may be accomplished in accordance with the invention.

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Abstract

Verfahren zur Herstellung (teil-) ringförmiger, faserverstärkten Kunststoff enthaltende Bauteile aus FVW-Halbzeugen, mit den Schritten: Positionierung einer Mehrzahl von ring- oder teilringsförmigen Formstücken auf einer rotierbaren Trommel (3) derart, dass diese eine spulenartige Form mit einem ringförmigen Kanal (19, 25, 33, 45, 50) zur Aufnahme des Halbzeugs bilden, Auftragen des Halbzeugs in den Kanal der spulenartigen Form, Rotieren der Trommel derart, dass aufgrund der Zentrifugalkräfte das Matrix- Material nac außen gedrückt und im Kanal enthaltene Luft nach innen wandert, Aushärtung des Halbzeugs unter Anwendung von Temperatur zu einem Kunststoff-Ring, Entnahme des Kunststoff -Rings aus der spulenartigen Form.

Description

Verfahren zur Herstellung (teil-)ringförmiger, faserverstärkten Kunststoff enthaltende Bauteile aus FVW-HaI bzeugen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung ringförmiger oder teilringförmiger, faserverstärkten Kunststoff enthaltende Bauteile aus Faserverbundwerkstoff(FVW)- Halbzeugen.
Aus der JP 06247770 A1 (D1) ist ein Verfahren zur Herstellung eines zylinderförmigen Bauteils bekannt, bei dem ein CFK-Verbundwerkstoff in eine Werkzeugkavität einer Zentrifuge angeordnet ist. Dabei wird Harz über eine Öffnung in die Kavität der Zentrifuge eingebracht. Aufgrund der Zentrifugalkraft wird eine gleichmäßige Impregnation des Verbundwerkstoffs erreicht.
Die US 5,393,215 B1 (D2) beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoff-Bauteils, bei dem ein Verbundwerkstoff in eine Werkzeugkavität einer Zentrifuge eingebracht wird. Anschließend wird die Kavität evakuiert, in Rotation versetzt und dadurch Harz aus einem Behälter im Bereich der Zentrifugenmitte in die Kavität verdrängt.
Die DE 29 19 498 A1 offenbart eine Schleudergießvorrichtung mit einer Vielzahl von Werkzeugkavitäten, die über Kanäle mit einem im Zentrum der Vorrichtung angeordneten Gießschacht verbunden sind. Infolge der Zentrifugalkräfte wird die Harzmischung aus dem Gießschacht in die Werkzeugkavitäten gedrückt. Während dem Ausfüllen der Kavitäten wird die in der Form befindliche Luft in Richtung der Drehachse verdrängt und über einen Entlüftungskanal freigesetzt.
Die US 5,906,836 B1 beschreibt eine Schleudergießvorrichtung zur Herstellung von ringförmigen Bauteilen aus einem PU-Material. In die Kavität kann ein Verstärkungsdraht eingebracht sein.
Weiterhin ist aus der DE 39 35 133 C2 ein Wickelverfahren zur Herstellung von zumindest teilringförmigen Bauteilen bekannt, die eine Spule aus zwei Formkörpern aufweist, die um eine Längsachse drehbar ist, so dass eine unidirektionale Kohlenstoff- Faser auf die Mantelfläche aufgewickelt wird. Die Wickelform wird hierbei über die Bewegungssteuerung einer Führungseinrichtung gesteuert, wobei im Bereich von Seitenteilen der Formkörper eine größere Anzahl von Faserlagen übereinander gewickelt wurde als in der Mitte. Die Kavität der Spule wird mittels Abdeckungen verschlossen und über eine Gießöffnung mit flüssigem Kunststoff gefüllt.
In WO 02/058917 A2 wird ein zentrifugales Abformverfahren zum Herstellen eines Produktes beschrieben, wobei bei dem Verfahren abzuformendes Rohmaterial in eine Zentrifuge eingebracht wird. Damit das Produkt gleichmäßiger dick ausgebildet wird, wird eine Masse in die Zentrifuge, genauer gesagt, innerhalb eines von dem Rohmaterial umgebenden Volumens eingebracht. Von dieser eingebrachten Masse wird während des Abform-Prozesses während des Betriebs der Zentrifuge eine zusätzliche Kraft auf das abzuformende Material ausgeübt, bzw. es wird von Innen her Druck auf das Material ausgeübt, wodurch das Material mit der Außenwand der Zentrifuge in Kontakt gebracht wird.
In DE 2 138 353 A wird ein Verfahren zum Durchtränken von Halbzeugen mit Matrixmaterial beschrieben, wobei das Matrixmaterial mit großer kinetischer Energie ohne Beimengung von Luft auf und in das Halbzeug geschleudert wird.
In DE 1 886 051 U wird eine Tellerform-Schleudermaschine zum Herstellen von Kleinteilen beschrieben, die mehrere, übereinander angeordnete Tellerformen aufweist, die gemeinsam um ihre gemeinsame Zentrumsachse rotiert werden und über einen im Zentrum angeordneten gemeinsamen Zuführkanal für Matrixmaterial versorgt werden.
Aufgabe der Erfindung ist, ein Verfahren zur Herstellung ringförmiger, faserverstärkten Kunststoff enthaltende Bauteile aus Faserverbundwerkstoff(FVW)-Halbzeugen bereitzustellen, mit dem Bauteile mit komplexer Querschnittsform hergestellt werden können.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere Ausführungsformen sind in den auf diesen rückbezogenen Unteransprüchen angegeben. Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zur Herstellung von Halbzeugen oder Bauteilen, die ringförmig oder teilringförmig ausgebildet sind und faserverstärkten Kunststoff enthalten, aus FVW-Halbzeugen vorgesehen, mit den Schritten
(a) Positionierung zumindest eines ring- oder teilringförmigen Formstücks auf einer rotierbaren Trommel (3) derart, dass diese eine spulenartige Form mit einem ring- oder teilringförmigen Kanalabschnitt (19, 25, 33, 45, 50), der sich in radialer Richtung und/oder in Längsrichtung der Trommel erstreckt,
(b) mehrlagiges Auftragen von Halbzeug-Material in den Kanalabschnitt (19, 25, 33, 45, 50) der spulenartigen Form,
(c) zumindest einmalige Wiederholung der Schritte (a) und (b) mit dem Hinzufügen zumindest eines ring- oder teilringförmigen Formstücks auf der rotierbaren Trommel unter Ausbildung eines weiteren Kanalabschnitts, der sich an den bisherigen Kanalabschnitt anschließt, und Einlegen von Halbzeug-Material in den Kanalabschnitt, wobei die entstandene Abfolge von Kanalabschnitten zumindest teilweise die Form für das herzustellende Bauteil bilden,
(d) Einbringen von Matrix-Material in die Kanalabschnitte (19, 25, 33, 45, 50) mit dem Einlegen von Halbzeug-Material in einzelnen Kanalabschnitte oder/und nach Ausbildung zumindest eines Kanalabschnitts,
(e) nach Ausbildung der Kanalabschnitte (19, 25, 33, 45, 50) mit darin vorhandenen enthaltenen Halbzeug-Material und Matrix-Material Rotieren der Trommel (3) derart, dass das Matrix-Material aufgrund der Zentrifugalkräfte nach außen gedrückt und im Kanal enthaltene Luft radial nach innen verdrängt wird,
(f) Aushärtung des in dem Kanal (19, 25, 33, 45, 50) befindlichen Matrix-Materials unter Anwendung von Temperatur zu einem Kunststoff-Ring,
(g) nach der Härtung des ringförmigen Halbzeugs oder Bauteils Auftrennen der Anordnung von Formstücken in Abschnitte und Entnahme des gehärteten ringförmigen Halbzeugs oder Bauteils. Erfindungsgemäß ist also die schrittweise Bildung des Formwerkzeugs bzw. von aneinander anschließenden Kanalabschnitten vorgesehen, wobei jeweils nach Fertigstellung eines von mehreren Kanalabschnitten in einem eigenen Verfahrensschritt das für Faserverbundbauteile zu verwendende Faser-Halbzeug oder Halbzug-Material in den jeweils entstandenen Kanalabschnitt eingelegt wird.
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass vor dem Rotieren der Trommel die Positionierung einer Mehrzahl von ring- oder teilringförmigen Formstücken und das mehrlagigeAuftragen des Halbzeugs in den Kanal der spulenartigen Form mehrfach abwechselnd erfolgt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann insbesondere vorgesehen sein, dass zwei aneinander liegende Formstücke derart gestaltet sind, dass diese formschlüssig zusammenwirken, so dass das in radialer Richtung der Trommel außen liegende Formstück an dem radial innen liegenden Formstück in axialer Richtung der Trommel fixiert ist, und dass eine in die axiale Richtung gerichtete Seitenwand des außen liegenden Formstücks eine Seitenwand eines Kanalabschnitts bildet.
Dabei kann vorgesehen sein, dass zwei Formstücke auf die jeweils gebildete Anordnung von Formstücken derart aufgebracht werden, dass zwei einander gegenüber liegende Seitenwände und entlang der radialen Richtung der Trommel verlaufenden Seitenwände der Formstücke einen Kanalabschnitt zur Bildung eines Bauteil-Steges ausbilden, der sich an einen mittels Formstücken bereits gebildeten Kanalabschnitt anschließt, und dass auf entsprechende Aufnahmeflächen der Formstücke ein sich in Umfangsrichtung erstreckendes Deckelelement aufgebracht wird, das den gebildeten Kanalabschnitt in radialer Richtung nach außen abschließt, so dass bei dem Rotieren der Trommel das Abschlussstück ein Herausbewegen des Matrix-Materials aus dem Kanal verhindert.
Dabei kann eine Oberfläche des Deckelelements und die Oberseite zumindest eines der Formstücke einen sich in axialer Richtung der Trommel erstreckenden Kanalabschnitt bilden, der an einen entlang der radialen Richtung der Trommel verlaufenden Kanalabschnitt zur Bildung eines Bauteil-Steges anschließt, und dass zur Bildung eines sich axial erstreckenden Flansches in den sich axial erstreckenden Kanalabschnitt Halbzeug-Material eingelegt und Matrix-Material eingeführt wird.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass bei der Bildung der spulenartigen Form mit dem ringförmigen Kanal aus einer Mehrzahl von ring- oder teilringförmigen Formstücken zumindest ein Zufuhrkanal für die Einführung von Matrix-Material in den Kanal gebildet wird. Dabei kann der Zufuhrkanal von dem Inneren der Trommel in den Kanal mündet. Alternativ oder zusätzlich kann ein Zufuhrkanal gebildet werden, der von dem Kanal in die äußere Umgebung der Trommel mündet.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren kann ein Abschlussstück oder ein Deckel verwendet werden, der derart auf der spulenartigen Form angeordnet wird, dass dieses oder dieser den Kanal radial außen abschließt, so dass bei dem Rotieren der Trommel das Abschlussstück ein Herausbewegen des Matrix-Materials aus dem Kanal verhindert.
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass nach der Fertigstellung des Kunststoff- Rings ein Auftrennen desselben in Abschnitte und die Entnahme derselben erfolgt.
Als Matrix-Material kann ein Harz oder eine Metallschmelze verwendet werden. Weiterhin können eine Auswahl oder eine Kombination von Rovings, Fabrics, textilen Gelegen, Prepregs und/oder Fäden als Halbzeug verwendet werden.
Die Formstücke können aus faserverstärkten Materialien gebildet sein.
Das Anordnen der Formstücke kann derart vorgesehen sein, dass der Kanal der spulenartigen Form derartig gebildet ist, dass dieser die Form für eine Kombination aus zumindest einem Bördel und zumindest einem Steg für das herzustellende Bauteil bildet.
Die Positionierung einer Mehrzahl von ring- oder teilringförmigen Formstücken auf einer rotierbaren Trommel kann derart erfolgen, dass auf derselben Trommel in Längsrichtung der Trommel nebeneinander mehrere Bauteile aus FVW-Halbzeugen hergestellt und von der Trommel entnommen werden. Mit dem Verfahren nach der Erfindung können insbesondere mehrere gehärtete Halbzeuge oder Bauteile in einem Parallel-Verfahren auf derselben Trommel hergestellt werden, d.h. es kann vorgesehen sein, dass die Positionierung einer Mehrzahl von ring- oder teilringförmigen Formstücken auf einer rotierbaren Trommel derart erfolgt, dass auf derselben Trommel Formstücke positioniert werden, dass in Längsrichtung der Trommel mehrere geformte Halbzeuge oder Bauteile aus FVW- Halbzeugen hergestellt und von der Trommel entnommen werden können.
Nach der Erfindung ist somit die Herstellung eines ringförmigen oder teilringförmigenfaserverstärkten Kunststoff enthaltenden Halbzeugs oder Bauteils aus FVW-Halbzeugen vorgesehen. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, einen Kanal mittels Formstücken schrittweise aus Kanal-Abschnitten derart aufzubauen, dass diese nach und nach eine Form des herzustellenden Bauteils bilden. Schrittweise wird der Kanal aus Abschnitten gebildet, wobei schrittweise nach Herstellung eines Kanalabschnitts in diesen jeweils Halbzeug-Material zur Herstellung eines Faserverbund-Bauteils eingelegt wird. Das bedeutet, dass das Halbzeug-Material mit der für die Herstellung eines Faserverbund-Bauteils notwendigen Faser-Orientierung in den Kanal eingelegt werden kann. Dabei kann z.B. Fasermaterial durch ein Wickelverfahren in einen Kanalabschnitt eingelegt werden. Dies ist inbesondere möglich, wenn der jeweils gebildete Kanalabschnitt derart geformt ist, dass dieser rotationssysmmetrisch um die Trommelachse verläuft und radial nach außen offen und somit für das Einlegen von Fasern oder Fasersträngen oder trockenen oder imprägnierten Halbzeugen aus Fasern zugänglich ist. Erfindungsgemäß ist weiterhin vorgesehen, dass nach Bildung eines Kanalabschnitts das Matrixmaterial und dabei oder nach Bildung mehrerer Kanalabschnitte Matrixmaterial in die Kanalabschnitte eingeführt wird. Die Einbringung von Halbzeugen erfolgt insbesondere mit einer vorbestimmten Faserorientierung, die der Faserorientierung im herzustellenden Halbzeug oder Bauteil entsprechen soll, so dass die Herstellung einer komplexen vorgegebenen Form, z.B. mit radial verlaufenden Stegen und daran axial anschließenden Flanschen, mittels eines Rotationsverfahrens technisch möglich ist.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der beigefügte Figuren beschrieben, die zeigen: Figur 1 eine perspektivische Explosionsdarstellung der erfindungsgemäß vorgesehenen Trommel und mehrerer ring- oder teilringförmiger Formstücken zur Anordnung auf der rotierbaren Trommel,
Figur 2 einen Teilschnitt durch die rotierbare Trommel in deren Längsrichtung mit einem beipielsweisen vervollständigten Aufbau von ring- oder teilringförmigen Formstücken auf der Trommel,
Figur 3a einen Auflagebereich der rotierbaren Trommel mit zwei auf dieser angeordneten ringförmigen Formstücken, die seitlich von Feststellwinkel-Ringen abgestützt sind, sowie mit einem Auftrag eines Halbzeugs zur Bildung eines Innengurtes für den herzustellenden Spant,
Figur 3b einen Auflagebereich der rotierbaren Trommel, auf dem ausgehend von dem in der Figur 3a dargestellten Zustand zwei weitere ringförmige Formstücke zur zusätzlichen Bildung eines Innenbördels des herzustellenden Spants aufgebracht worden sind,
Figur 3c einen Auflagebereich der rotierbaren Trommel, auf dem ausgehend von dem in der Figur 3b dargestellten Zustand ein weiteres ringförmiges Formstück im Austausch gegen ein zuvor aufgebrachtes Formstück zur zusätzlichen Bildung eines Stegs des herzustellenden Spants aufgebracht worden sind,
Figur 3d einen Auflagebereich der rotierbaren Trommel, auf dem ausgehend von dem in der Figur 3c dargestellten Zustand zwei weitere ringförmige Formstücke im Austausch gegen ein bereits aufgebrachtes Formstück sowie zwei weitere ringförmige Formstücke zur Weiterbildung des im vorangegangenen Schritt gebildeten Stegs am herzustellenden Spant aufgebracht worden sind,
Figur 3e einen Auflagebereich der rotierbaren Trommel, auf dem ausgehend von dem in der Figur 3d dargestellten Zustand mit den bereits aufgebrachten ringförmigen Formstücken zusätzlich ein Außengurt des herzustellenden Spants gewickelt worden ist, Figur 3f einen Auflagebereich der rotierbaren Trommel, auf dem ausgehend von dem in der Figur 3e dargestellten Zustand ein Ring-Deckelelement zum Abschluss des aufgebrachten Formstück-Verbands aufgebracht worden ist.
Die Figur 1 zeigt eine perspektivische Explosionsdarstellung der erfindungsgemäß vorgesehenen Herstellungsvorrichtung 1 mit einer Trommel 3 und mit mehreren ring- oder teilringförmigen auf dieser aufgebrachten Formstücken, die in einem Anwendungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahren zur Bildung eines ringförmigen Spants für einen Flugzeugrumpf zur Anordnung auf der rotierbaren Trommel verwendet werden können. Zumindest eines der aufgelegten Formstücke weist eine oder mehrere Außenflächen auf, auf die Halbzeug-Material aufgelegt werden kann.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren bzw. mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann nicht nur ein Profil, wie z.B. ein Spant hergestellt werden, sondern können auch mehrere Profile gleichzeitig hergestellt werden. Als Beispiel ist in der Figur 2 die gleichzeitige Herstellung von zwei Profilen dargestellt. Dadurch erhöht sich der Maschinendurchsatz und die Zahl der mit der erfindungsgemäßen Herstellungsvorrichtung herstellbaren Bauteile pro Zeitintervall.
Durch die Aufteilung in mehrere Formsegmente können auch nicht-rotationssymmetrische Halbzeuge oder Bauteile hergestellt werden. Zum Beispiel können Bauteile mit elliptischen Grundquerschnittsformen hergestellt werden. Auch können Bauteile mit Grundquerschnittsformen hergestellt werden, die nicht geschlossen sind und z.B. teil-elliptische oder teil-paraboloide Formen haben.
Als Halbzeug kann oder können dabei insbesondere verwendet werden: Rovings, Fabrics, textile Gelege, Prepregs und/oder Fäden. Mit dem Halbzeug wird ein Matrixmaterial verwendet. Das Matrixmaterial, für das ein Harz oder eine Metallschmelze verwendet wird, wird in den Kanal Matrix-Material eingebracht, nachdem das Halbzeug in den jeweiligen Kanalabschnitt eingebracht worden ist. Dieses kann zusätzlich auch mit dem Halbzeug, z.B. wenn es sich um vorimprägnierte Halbzeuge (Prepregs) handelt, auf die Trommel aufgebracht werden. Für die Zwecke der Beschreibung ist der Trommel 3 die Längsrichtung L (Figur 2), die mit ihrer Symmetrieachse zusammenfällt, zugeordnet worden. Daraus ergibt sich eine radiale Richtung R und eine Umfangsrichtung U. Die Reihenfolge des Aufbringens von ring- oder teilringförmigen Formstücken auf die Trommel ist für ein abgewandeltes Anwendungsbeispiel in den Figuren 3a bis 3f in verschiedenen Verfahrensschritten nach der Erfindung dargestellt. Die Figur 2 zeigt dabei einen Teilschnitt durch die rotierbare Trommel in deren Längsrichtung mit dem vervollständigten Aufbau von ring- oder teilringförmigen Formstücken auf der Trommel, der in Schritten in den Figuren 3a bis 3f dargestellt ist.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung von ringförmigen oder teilringförmigen Halbzeugen oder Bauteilen aus FVW-Halbzeugen, die faserverstärkten Kunststoff enthalten, erfolgt zunächst ein Positionieren einer Mehrzahl von ring- oder teilringförmigen Formstücken auf einer rotierbaren Trommel derart, dass diese sich in Umfangsrichtung der Trommel erstrecken und dadurch eine spulenartige Form mit einer ringförmigen Aufnahme oder einem Kanalabschnitt zur Aufnahme des Halbzeugs bilden, und anschließend ein mehrlagiges Auftragen des Halbzeugs in die ringförmige Aufnahme der spulenartigen Form. Die ringförmige Aufnahme wird in einer Gestalt erzeugt, mit der die Bildung zumindest eines Teils des herzustellenden Bauteils erfolgen kann.
In dem in den Figuren 3a bis 3f dargestellten Ausführungsbeispiel werden zunächst auf einem Auflagebereich oder Auflagefläche 5 der rotierbaren Trommel 3 zwei ringförmige Formstücke 11 , 12 angeordnet, die in dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel im Verlaufe des Verfahrens nicht ausgetauscht werden und deshalb auch als Basis- Formstücke bezeichnet werden können. Die Auflagefläche 5 der rotierbaren Trommel 3 kann auch die Umfangsfläche einer auf der Umfangsfläche der Trommel gelegenen Hülse sein. Jedes Formstück 11 , 12 weist eine erste, einem ersten Trommelende 3a zugewandte Seitenfläche 11a bzw. 12a und eine zweite, einem zweiten Trommelende 3b zugewandte Seitenfläche 11b, 12b auf. Die radialen Innenflächen 11c, 12c der Basis-Formstücke 11 , 12, liegen auf der Auflagefläche 5 der Trommel 3. Die Außenumfangsflächen 11d, 12d weisen im beschriebenen Ausführungsbeispiel eine Kontur auf, auf die teilweise ein Halbzeug-Material aufgelegt oder aufgewickelt werden kann und die sich zur Aufnahme weiterer Formstücke eignet. Dazu weisen die Formstücke im hier beschriebenen Anwendungsfall jeweils eine Ausnehmung 13 bzw. 14 auf, die an entsprechenden radial außen liegenden Ecken liegen, so dass diese bei entsprechender Positionierung der Formstücke 11 , 12 auf der Trommel 3 eine zusammenhängende Ausnehmung 15 bilden. In Richtung auf die Trommelenden 3a, 3b gesehen ist diese Ausnehmung 15 durch eine zunächst freiliegende, radial verlaufende und dem zweiten Trommellende zugewandte Seitenfläche 11 b des ersten Formstücks 11 und eine gegenüberliegende, zunächst freiliegende und radial verlaufende sowie dem ersten Trommelende 3a zugewandte Seitenfläche 14a zweiten Formstücks 12 begrenzt. Die Formstücke 11 , 12 werden an jedem ihrer, den jeweiligen Trommelenden 3a, 3b zugewandten Seiteflächen 11a, 12b mit einem Feststellwinkel 18, 17 gesehen nach außen, d.h. in der Längsrichtung L, abgestützt.
In die Aufnahme 15 wird bei dem dargestellten Anwendungsfall Halbzeug-Material mit einer vorbestimmten, in radialer Richtung R verlaufenden Dicke eingelegt. Diese Halbzeug-Schicht 19 wird nach dem Härtungsschritt des fertigen Bauteils einen Innenbördel des herzustellenden Spantes bilden, wobei die Schichtdicke der Dicke des Innenbördels entspricht(Figur 3a).
In einem weiteren Schritt werden ein erstes und ein zweites Formstück 21 bzw. 22 auf die für die Bildung des Innenbördels vorgesehene Schicht 19 aufgelegt, die in einem nachfolgenden Schritt durch andere Formstücke ersetzt werden, so dass diese Formstücke auch als Zwischen-Formstücke bezeichnet werden können. Im beschriebenen Ausführungsbeispiel ist das erste Zwischen-Formstück 21 derart gestaltet und derart in die Ausnehmung 15 gelegt, dass das erste Zwischen-Formstück 21 das zweite Zwischen-Formstück 22 radial außen überdeckt und dieses in einer Ausnehmung auf der radialen Innenseite des ersten Zwischen-Formstücks 21 aufgenommen ist. Dabei sind das zweite Zwischen-Formstück 22 und das zweite Basis-Formstück 12 derart gestaltet und derart relativ zueinander gelegen, dass zwischen dem ersten Zwischen-Formstück 22 und der neben diesem liegenden, sich radial erstreckenden Seitenwand 14a des zweiten Basis-Formstücks 12 ein sich radial erstreckender Kanal oder Zwischenraum 23 frei bleibt, der zudem in Umfangsrichtung U der Trommel 3 verläuft. In diesen sich radial erstreckenden Zwischenraum 23 wird in einem weiteren Schritt ebenfalls Halbzeug-Material 23a eingefügt oder aufgelegt, so dass sich ein radial verlaufender Halbzeug-Steg 25 ergibt, der bei dem herzustellenden Bauteil einen Kragen zum in axialer Richtung des Bauteils gelegenen Abschluss des Innenbördels des herzustellenden Spants bildet. Das erste Zwischen — Formstück 21 liegt mit seiner ersten, dem ersten Trommelende 3a zugewandten, radial verlaufenden Seitenfläche 21a an der dieser zugewandten Seitenfläche oder Ausnehmungswand 11b des ersten Basis-Formstücks 11 an (Figur 3b).
Das erste Zwischen-Formstück 21 wird in einem weiteren Schritt durch ein drittes Zwischen-Formstück 30 ersetzt, das ebenfalls nur für einen Zwischenschritt verwendet und danach ersetzt wird (Figur 3c). Das dritte Formstück 30 verläuft in axialer Richtung L der Trommel 3 an dessen Seitenabschnitt 36 entlang dem ersten Formstück 11 und erstreckt sich in axialer Richtung über dieses hinaus auch entlang eines Abschnitts des zweiten Basis-Formstücks 12, wobei es an diesem Abschnitt anliegt. Zur Befestigung oder Stabilisierung des dritten Formstücks 30, weist dieses auf der dem zweiten Basis- Formstück 12 zugewandten Seite einen in Umfangsrichtung U umlaufenden und sich zur Trommelachse hin gerichteten Vorsprung 35 auf. Weiterhin weist das zweite Basis- Formstück 12 eine auf der dem dritten Formstück 30 zugewandten Seite eine Nut 27 auf zur formschlüssigen Aufnahme des umlaufenden Vorsprungs 35 und zur Fixierung des dritten Zwischenstücks in axialer Richtung L der Trommel 3. Das dritte Formstück 30 ist derart gestaltet und in der Ausnehmung 15 gelegen, das dieses zwischen seiner ersten, radial verlaufenden und dem ersten Trommelende 3a zugewandten Seitenwand 30a und der Seitenfläche 11b oder Ausnehmungswand des ersten Basis-Formstücks 11 einen sich radial und in Umfangsrichtung U erstreckenden Kanal oder Zwischenraum 33 freigibt, in den in einem weiteren Schritt Halbzeug-Material 34 eingelegt wird, das sich an die Material-Schicht 19 für die Ausbildung des Innenbördels rechtwinklig anschließt (Figur 3c).
In einem weiteren Schritt werden auf den bisher vorgenommenen Formstück-Aufbau ein erstes profiliertes Formstück 41 und ein zweites profiliertes Formstück 42 aufgesetzt (Figur 3d), die derart gestaltet und auf dem bisher vorgenommenen Formstück-Aufbau positioniert werden, dass sich zwischen diesen ein in radialer Richtung R verlaufender Zwischenraum oder Kanal 43 ausbildet, der sich an den radial verlaufenden Zwischenraum 33 mit gleicher Breite anschließt (Figur 3e). Der Zwischenraum 43 bildet sich dabei zwischen einander zugewandten radial verlaufenden und einander gegenüber liegenden Seitenflächen 41 b, 42a des ersten profilierten Formstücks 41 bzw. des zweiten profilierten Formstücks 42 aus. In den Zwischenraum und auf das in den Zwischenraum 33 wird anschließend wiederum Matrix-Material und/oder Halbzeug-Material eingefügt oder aufgelegt, so dass sich bei dem herzustellenden Bauteil ein radial verlaufender Halbzeug-Steg 45 ergibt, der bei diesem eine Verlängerung des durch den Zwischenraum 33 entstehenden Steges darstellt.
Das erste profilierte Formstück 41 hat an seiner Innen-Umfangsseite eine Auflagefläche 41c, die derart beschaffen ist und insbesondere einen derartigen Innenradius hat, dass das erste profilierte Formstück 41 vom ersten Ende 3a der Trommel 3 her in Längsrichtung L auf den bisherigen Formaufbau aufschiebbar ist. Ebenso hat das zweite profilierte Formstück 42 an seiner Innen-Umfangsseite eine Auflagefläche 42c, die derart beschaffen ist und insbesondere einen derartigen Innenradius hat, dass das zweite profilierte Formstück 42 vom zweiten Ende 3b der Trommel 3 her in Längsrichtung L auf den bisherigen Formaufbau aufschiebbar ist (Figur 3d). Zur Verstärkung der Formstücke 41 und 42 gegen Torsion und gegen in Umfangsrichtung U wirkende Kräfte sind diese an ihrer äußeren dem ersten 3a bzw. dem zweiten 3b Trommelende zugewandten Seiten mit Rippen 41a bzw. 42b versehen. Weiterhin weisen die Formstücke 41 und 42 an ihrer Innenfläche 41c bzw. 42c von dieser aus sich nach innen, d.h. zur Trommel-Mittelachse erstreckende, ringförmige oder andersartige Vorsprünge 45, 46 auf. Diese Vorsprünge kommen bei dem Aufschieben der Formstücke 41 , 42 auf die Anordnung der bereits auf der Trommel 3 positionierten Formstücke in Anlage mit einer zum jeweiligen Trommelende 3a, 3b hin gerichteten Seitenfläche des jeweiligen Formstücks 11 bzw. 30, auf das im gegebenen Anwendungsfall das jeweilige der Formstücke 41 bzw. 42 vom jeweiligen Trommelende 3a bzw. 3b her jeweils aufgeschoben wird. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist das dem ersten Trommelende 3a nahe liegende Formstück 41 eine sich in seiner Breite in der axialen Trommelrichtung erstreckende Aufnahme oder Vertiefung oder Kanal 50 auf, deren Inneres mit dem Zwischenraum 43 verbunden ist. In den Kanal 50 wird weiteres Halbzeug-Material eingelegt, das sich an das in den Zwischenraum 43 eingelegte Material anschließt. Das in den Zwischenraum 43 eingelegte Material bildet beim herzustellenden Bauteil einen ringförmig sich in axialer Richtung der Trommel 3 erstreckenden Außengurt.
Zum Abschluss des Formaufbaus im Anwendungsfall nach den Figuren 3a bis 3f wird auf diesen vom ersten Trommelende 3a her ein ringförmiges Deckelelement 60 oder Abschlussstück gegen eine Anschlagsfläche 45, die vom ersten Trommelende 3a her gesehen jenseits des äußersten Kanals 50 gelegen ist, aufgeschoben, so dass bei einer entsprechenden Gestaltung des Ringdeckelelements 60 dasselbe den Kanal 50 abdeckt (Figur 3f). Unter dem Deckelelement 60 endet der Kanal 50 und das Deckelelement 60 schließt des Kanal 50 ab, so dass bei einem Rotieren der Trommel 3 das Deckelelement 60 ein Herausbewegen des Matrix-Materials aus dem Kanal verhindert.
Bei dem Formstückaufbau können somit Formstücke verwendet werden, die einstückig und insbesondere einstückig hergestellt sind. Dies gilt im gegebenen Anwendungsfall für die Formstücke 11 , 12, 41 , 42. Weiterhin können Formstücke verwendet werden, die aus mehreren, d.h. mindestens zwei Umfangsteilen gebildet werden, die aneinander angelegt einen in Umfangsrichtung U geschlossenen Ring bilden. Dies gilt im gegebenen Anwendungsfall für die Formstücke 21 , 22, 30. Dies sind zum Teil Formstücke, die aus kinematischen Gründen auf ihre bestimmungsgemäße Position nicht durch Aufschieben gebracht werden können. Bei diesen in Umfangsrichtung zusammen gesetzten Formstücken werden diese in Umfangrichtung miteinander befestigt, wozu z.B. an ihren in Umfangsrichtung gelegenen Enden befestigte Koppelelemente oder umlaufende Bänder verwendet werden können.
Nach Erfindung werden vorzugsweise Bauteile in einer Gestalt hergestellt, bei deren Anordnung zueinander sich ein Verlauf des zu bildenden Kanals ergibt, der zumindest in radialer Richtung verlaufende Abschnitte aufweist. Dabei wird eine Kombination von einstückigen oder einstückig hergestellten Formstücken verwendet, die sich aus kinematischen Gründen notwendigerweise in Umfangsrichtung erstrecken.
Die Merkmale der Formstücke des beschriebenen Anwendungsfalls können für andere Anwendungsfälle, d.h. anders gestaltete herzustellende Bauteile, je nach der Konstruktion des Formaufbaus und den daraus resultierenden kinematischen Gegebenheiten in anderer Weise kombiniert werden.
Dabei können insbesondere auch Formstücke wie die Formstücke 21 oder 22 vorgesehen sein, die nur für einen Zwischenschritt der Halbzeug-Auflegens benötigt werden und die danach durch andere Formstücke ersetzt werden, um den mit Halbzeug-Material zu belegenden Kanal fortzuführen.
Das Halbzeug-Material kann z.B. als Gelege oder Fasermatten in Schichten aufgelegt oder als Garn oder Roving im jeweils vorbereiteten Kanal aufgewickelt und derart in den Kanal eingebracht werden. Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Fasern oder Fäden oder Ranre oder Rovinge der Halbzeuge in einer vorbestimmten Orinetierung in den jeweilgien kanalabschnitt eingelegt werden.
Der jeweils vorbereitete Kanal wird vorzugsweise derart mit in dem jeweiligen Formaufbau verwendeten Formstücken gestaltet, dass diese dann mit dem Halbzeug- Material auf einheitliche Weise, also z.B. mit derselben Wickeltechnik oder Auflegetechnik angefüllt werden kann. Jedoch kann auch eine Kombination verschiedener Auflegeverfahren bei dem Auffüllen des jeweils vorbereiteten Kanals angewendet werden.
Der zu bildende sich in Umfangsrichtung und radialer Richtung erstreckende Kanal verläuft im Axialschnitt der Trommel gesehen abschnittsweise in radialer oder auch in axialer Richtung gegebenenfalls mit entsprechenden Übergängen zwischen einem axialen und einem radialen Bereich. In besonderen Fällen kann auch ein Kanal gebildet werden, dessen Querschnitt im Axialschnitt der Trommel gesehen, schräg zur axialen Richtung L oder radialen Richtung R verläuft. Mit oder nach der Positionierung einer Mehrzahl von ring- oder teilringförmigen Formstücken auf der rotierbaren Trommel 3 derart, dass diese eine spulenartige Form mit einem ringförmigen, aus Kanalabschnitten 19, 25, 33, 45, 50 gebildeten Kanal zur Aufnahme des Halbzeugs bilden, sowie einem mehrlagigen Auftragen des Halbzeugs in den Kanal der spulenartigen Form, erfolgt optional ein Einbringen von Matrix- Material in den mit dem Halbzeug-Material gefüllten Kanal. Dieser Schritt kann auch entfallen, wenn das Halbzeug bereits ausreichend Matrix-Material aufweist.
Dies kann schrittweise nach Vorbereitung eines Kanalabschnitts 19, 25, 33, 45, 50 erfolgen oder nach Vorbereitung einer Mehrzahl von Kanalabschnitten 19, 25, 33, 45, 50 oder nach Vorbereitung des gesamten aus den Kanalabschnitten 19, 25, 33, 45, 50 gebildeten Kanals und insbesondere nach Aufsetzen eines Ringdeckelelementes 60 erfolgen.
Dabei kann das Halbzeug bereits mit Matrix-Material versehen sein, z.B. bei der Verwendung von Prepregs für das Matrix-Material.
Alternativ oder zusätzlich kann ein Matrix-Material-Zufuhrkanal beim Formstück-Aufbau oder danach gebildet werden, der mit einer Matrix-Material-Zufuhreinrichtung mit einem Vorratsbehälter für das Matrix-Material in Verbindung steht, so dass von der Matrix- Material-Zufuhreinrichtung Matrix-Material in den aus Formstücken gebildeten Kanal 19, 25, 33, 45, 50 eingeführt werden kann. Die Matrix-Material-Zufuhreinrichtung kann innerhalb der Trommel 3a oder außerhalb der Trommel 3 gelegen sein, so dass sich der Zufuhrkanal von dem aus Formstücken gebildeten Kanal 19, 25, 33, 45, 50 in den Bereich innerhalb der Trommel oder in die äußere Umgebung der Trommel erstrecken kann.
Nach Einbringen von Halbzeug-Material und von Matrix-Material in den aus Formstücken gebildeten Kanal 19, 25, 33, 45, 50 erfolgt ein Rotieren der Trommel derart, dass aufgrund der Zentrifugalkräfte das Matrix-Material nach außen gedrückt und im Kanal enthaltene Luft radial nach innen verdrängt wird, so dass die Kanalfüllung für die Bildung eines Kunststoffs hoher Qualität vorbereitet wird. Für das Verdrängen oder Entweichen der Luft aus dem Kanal 19, 25, 33, 45, 50 kann ein zusätzlicher Auslasskanal gebildet sein, der durch einen zwischen Formstücken gebildeten Zwischenraum entstanden ist oder der mit anderen Mitteln, z.B. das Einsetzen einer Kanüle in ein am weitesten innen liegenden Formstück erfolgen kann. Der Auslasskanal erstreckt sich von einem radial am weitesten innen liegenden Ort des aus Formstücken gebildeten Kanals 19, 25, 33, 45, 50. Der Auslasskanal erstreckt sich in das Innere der Trommel 3 und kann an seinem inneren Ende offen sein oder in einen Aufnahmebehälter münden. Der Auslasskanal kann auch identisch mit dem Zufuhrkanal sein, wenn letzterer an einem radial am weitesten innen liegenden Ort des aus Formstücken gebildeten Kanals 19, 25, 33, 45, 50 in diesen einmündet.
In einem weiteren Schritt erfolgt das Aushärten des Halbzeug-Materials und Matrix- Materials, das in den aus Formstücken gebildeten Kanal 19, 25, 33, 45, 50 gelegen ist, unter Anwendung von Temperatur zu einem Kunststoff-Ring oder Teil-Ring und die Entnahme des Kunststoff-Rings aus der spulenartigen Form oder des aus Formstücken gebildeten Formstück-Aufbaus.
Die erfindungsgemäß verwendeten Formstücke müssen nicht rotations-symmetrisch oder teil-rotations-symmetrisch sein, d.h. müssen nicht in Umfangsrichtung parallel verlaufenden Kanten aufweisen und können z.B. in Umfangsrichtung U gesehen rampenförmig gestaltet sein, was erfindungsgemäß auch unter die Bezeichnung „ring- oder teilringförmig" fällt. Die Formstücke können je nach der Gestaltung des herzustellenden Bauteils auch nicht-symmetrisch gebildet sein. Wesentlich ist, dass diese schrittweise aneinander gesetzt werden, so dass sich zwischen diesen ein Kanal zum Einlegen von Halbzeug und/oder zur Einführung von Matrix-Material ausbildet. Der Kanal hat einen Anteil in Umfangsrichtung und radialer Richtung, so dass beim Rotieren der Trommel eine Zentrifugalwirkung auf das Matrix-Material ausgeübt wird.
Die Merkmale der Formstücke, z.B. der Basis-Formstücke und Zwischen-Formstücke und anderer Formstücke können an diesen generell vorgesehen oder nicht vorgesehen sein, um eine Anordnung derselben erreichen zu können, bei denen die Herstellung eines Bauteils vorbestimmter Gestaltung erfindungsgemäß erfolgen kann.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines ringförmigen oder teilringförmigen, faserverstärkten Kunststoff enthaltenden Halbzeugs oder Bauteils aus FVW- Halbzeugen, mit den Schritten:
(a) Positionierung zumindest eines ring- oder teilringförmigen Formstücks auf einer rotierbaren Trommel (3) derart, dass diese eine spulenartige Form mit einem ring- oder teilringförmigen Kanalabschnitt (19, 25, 33, 45, 50), der sich in radialer Richtung und/oder in Längsrichtung der Trommel erstreckt,
(b) mehrlagiges Auftragen von Halbzeug-Material in den Kanalabschnitt (19, 25, 33, 45, 50) der spulenartigen Form,
(c) zumindest einmalige Wiederholung der Schritte (a) und (b) mit dem Hinzufügen zumindest eines ring- oder teilringförmigen Formstücks auf der rotierbaren Trommel unter Ausbildung eines weiteren Kanalabschnitts, der sich an den bisherigen Kanalabschnitt anschließt, und Einlegen von Halbzeug-Material in den Kanalabschnitt, wobei die entstandene Abfolge von Kanalabschnitten zumindest teilweise die Form für das herzustellende Bauteil bilden,
(d) Einbringen von Matrix-Material in die Kanalabschnitte (19, 25, 33, 45, 50) mit dem Einlegen von Halbzeug-Material in einzelnen Kanalabschnitte oder/und nach Ausbildung zumindest eines Kanalabschnitts,
(e) nach Ausbildung der Kanalabschnitte (19, 25, 33, 45, 50) mit darin vorhandenen enthaltenen Halbzeug-Material und Matrix-Material Rotieren der Trommel (3) derart, dass das Matrix-Material aufgrund der Zentrifugalkräfte nach außen gedrückt und im Kanal enthaltene Luft radial nach innen verdrängt wird,
(f) Aushärtung des in dem Kanal (19, 25, 33, 45, 50) befindlichen Matrix-Materials unter Anwendung von Temperatur zu einem Kunststoff-Ring, (g) nach der Härtung des ringförmigen Halbzeugs oder Bauteils Auftrennen der Anordnung von Formstücken in Abschnitte und Entnahme des gehärteten ringförmigen Halbzeugs oder Bauteils.
2. Verfahren nach dem Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Einfügen von Halbzeug-Material in einen Kanalabschnitt durch ein Wickelverfahren erfolgt.
3. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kanalabschnitt eine radial nach außen offene Ausnehmung ist.
4. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei aneinander liegende Formstücke (12, 30) derart gestaltet sind, dass diese formschlüssig zusammenwirken, so dass das in radialer Richtung der Trommel (3) außen liegende Formstück (30) an dem radial innen liegenden Formstück (12) in axialer Richtung der Trommel (3) fixiert ist, und dass eine in die axiale Richtung gerichtete Seitenwand des außen liegenden Formstücks (30) eine Seitenwand eines Kanalabschnitts (34a) bildet.
5. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Formstücke auf die jeweils gebildete Anordnung von Formstücken (11, 30) derart aufgebracht werden, dass zwei einander gegenüber liegende Seitenwände und entlang der radialen Richtung der Trommel (3) verlaufenden Seitenwände der Formstücke (41 , 42) einen Kanalabschnitt (43) zur Bildung eines Bauteil-Steges ausbilden, der sich an einen mittels Formstücken (11 , 30) bereits gebildeten Kanalabschnitt (33) anschließt, und dass auf entsprechende Aufnahmeflächen der Formstücke (41 , 42) ein sich in Umfangsrichtung erstreckendes Deckelelement (60) aufgebracht wird, das den gebildeten Kanalabschnitt in radialer Richtung nach außen abschließt, so dass bei dem Rotieren der Trommel (3) das Abschlussstück (60) ein Herausbewegen des Matrix-Materials aus dem Kanal verhindert.
6. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Oberfläche des Deckelelements (60) und die Oberseite zumindest eines der Formstücke (11 , 30) einen sich in axialer Richtung der Trommel (3) erstreckenden Kanalabschnitt (50) bilden, der an einen entlang der radialen Richtung der Trommel (3) verlaufenden Kanalabschnitt zur Bildung eines Bauteil- Steges anschließt, und dass zur Bildung eines sich axial erstreckenden Flansches in den sich axial erstreckenden Kanalabschnitt (50) Halbzeug-Material eingelegt und Matrix-Material eingeführt wird.
7. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Bildung der spulenartigen Form mit dem ringförmigen Kanal (19, 25, 33, 45, 50) aus einer Mehrzahl von ring- oder teilringförmigen Formstücken zumindest ein Zufuhrkanal für die Einführung von Matrix-Material in den Kanal (19, 25, 33, 45, 50) gebildet wird, durch den das Matrix-Material in die Kanalabschnitte (19, 25, 33, 45, 50) eingeführt wird.
8. Verfahren nach dem Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Zufuhrkanal von dem Inneren der Trommel in den Kanal mündet.
9. Verfahren nach dem Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zufuhrkanal gebildet wird, der von dem Kanal in die äußere Umgebung der Trommel mündet.
10. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Matrix-Material mittels Einlegen von Prepreg- Halbzeugmaterial in die Kanalabschnitte (19, 25, 33, 45, 50) eingelegt wird.
11. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Matrix-Material ein Harz oder eine Metallschmelze verwendet wird.
12. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Halbzeug Fasermaterial mit einer vorbestimmten Faser- Orientierung verwendet werden, dass die Halbzeuge in vorbestimmter Weise in die Kanalabschnitte eingelegt werden, um in dem herzustellenden faserverstärkten Kunststoff enthaltenden ringförmigen Halbzeug oder Bauteil eine vorbestimmte Faserorientierung vorzusehen, und dass als HalbzeugRovinge, Fabrics, textile Gelege, Prepregs und/oder Fäden verwendet werden.
13. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Formstücke aus faserverstärkten Materialien gebildet sind.
14. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (19, 25, 33, 45, 50) der spulenartigen Form derartig gebildet ist, dass dieser die Form für eine Kombination aus zumindest einem Bördel und zumindest einem Steg für das herzustellende Bauteil bildet.
15. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionierung einer Mehrzahl von ring- oder teilringförmigen Formstücken auf einer rotierbaren Trommel (3) derart erfolgt, dass auf derselben Trommel (3) in Längsrichtung (L) der Trommel (3) nebeneinander mehrere Bauteile aus FVW-Halbzeugen hergestellt und von der Trommel (3) entnommen werden.
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