WO2021032665A1 - Verfahren und vorrichtung zum herstellen eines bauteils aus einem faserbundwerkstoff - Google Patents

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WO2021032665A1
WO2021032665A1 PCT/EP2020/072974 EP2020072974W WO2021032665A1 WO 2021032665 A1 WO2021032665 A1 WO 2021032665A1 EP 2020072974 W EP2020072974 W EP 2020072974W WO 2021032665 A1 WO2021032665 A1 WO 2021032665A1
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WO
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separating membrane
mold
outer shape
shape
matrix
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PCT/EP2020/072974
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Inventor
Fabian KÖFFERS
Michael SCHÖLER
Klaus Schürmann
Lothar Sebastian
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Siempelkamp Maschinen- Und Anlagenbau Gmbh
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Publication date
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    • B30B5/00—Presses characterised by the use of pressing means other than those mentioned in the preceding groups
    • B30B5/02—Presses characterised by the use of pressing means other than those mentioned in the preceding groups wherein the pressing means is in the form of a flexible element, e.g. diaphragm, urged by fluid pressure

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a component from a fiber composite material with the step of introducing a fiber impregnated with a matrix onto an inner shape of a mold space formed between the inner shape and an outer shape.
  • the invention also relates to a device for producing the component from the fiber composite material with the inner shape on which the fiber impregnated with the matrix is applied.
  • Organic sheets belonging to fiber composite materials are known from the prior art and are mainly used in aircraft, ship and automobile construction in order to obtain components that are significantly lighter than conventional materials with comparable or even better rigidity.
  • Such organic sheets usually have a fiber fabric or a fiber scrim, which is embedded in a thermoplastic plastic matrix. Glass, aramid or carbon fibers are often present as fiber materials in the fiber matrix semifinished product. Since organic sheets can be easily thermoformed using known methods of metal processing, the process times are shorter compared to conventional thermoset fiber composite materials.
  • Such organic sheets are used in aircraft, ship or vehicle construction to individually prefabricate semicircular fuselage sections made of fiber composite material as a lower shell and upper shell and then put them together to form a finished component in a subsequent final assembly.
  • the fuselage sections are often formed by means of an inner mold and an outer mold in a C-frame press, the inner shape and the outer shape being shaped like a cylinder.
  • a separating membrane is usually brought into the outer mold, so that a cavity extending along the outer surface of the outer mold is formed between the outer mold and the separating membrane.
  • cylinder-like shaped outer shapes it is possible to clamp the separating membrane into the outer shape through the curvature of the outer shape. The process of clamping in the curved outer shape must be carried out carefully, is associated with a lot of effort and is accordingly prone to errors.
  • the outer shape is designed as an outer top shape.
  • the separating membrane usually has to be inserted upside down into the outer top mold. Accordingly, there is a risk that the separating membrane will detach itself from the outer upper form due to gravity and be damaged if it falls down or injure an operator of the press.
  • the present invention is intended to provide a method and a device by means of which a component can be produced from a fiber composite material in a particularly simple manner.
  • the invention is intended to facilitate holding the separating membrane in the device.
  • the invention relates to a method for producing a component from a fiber composite material, with the following steps: introducing a fiber impregnated with a matrix onto an inner shape of a mold space formed between the inner shape and an outer shape, introducing a separating membrane into the outer shape in such a way that a cavity extending along the outer surface of the outer mold is formed between the outer mold and the separating membrane, and a temperature-controllable pressure fluid, hereinafter referred to as thermal oil for short, is applied to the cavity, although the temperature-controllable pressure fluid could also be formed by a gas or another liquid, with a Temperature greater than the melting point of the matrix and a pressure greater than ambient pressure such that the thermal oil acts with the pressure on the separating membrane, the separating membrane and the outer shape being designed to build up a magnetic alternating effect, by means of which the separating membrane can be fixed to the outer shape .
  • a magnetic interaction between the separating membrane and the outer shape can be established in the method according to the invention, so that the separating membrane can be held in the outer shape in a simple and less error-prone manner.
  • the basic idea of the invention is to make it easier to hold and insert the separating membrane into the outer shape or, in the case of non-curved outer shapes, to enable the separating membrane and the outer shape to be designed such that the outer shape and the separating membrane can interact magnetically.
  • the separating membrane can be fixed to the outer shape and thus held on it.
  • the fixing of the separating membrane on the outer mold by means of magnetic interaction is particularly advantageous if a press is used in which the outer mold is arranged above the inner mold and the separating membrane is thus to be fixed overhead on the outer mold.
  • the proposed method thus enables the fiber impregnated with the matrix to be transformed into a component under pressure and temperature in a particularly simple manner in order to obtain, for example, an aircraft, ship and / or vehicle component.
  • the separating membrane can be introduced into the outer shape and fixed to it in a simple manner and with little susceptibility to errors.
  • the pressing pressure acts, due to the thermal oil, at every point of the separating membrane in the direction of the normal to the separating membrane and thus also in the direction of the normal of the component to be obtained or that with the thermoplastic plastic matrix soaked fiber.
  • a pressing pressure with an exclusive vertical component is generated, as is otherwise the case with presses known from the prior art, for example a C-frame press with a stationary inner shape and an outer shape that can only be moved in the vertical direction.
  • the pressing or consolidation pressure required for forming is not or only partially produced by the press, but instead is produced entirely or mainly by the thermal oil.
  • the separating membrane is placed in the outer mold.
  • the separating membrane is placed on the fiber impregnated with the matrix in such a way that the cavity is formed between the outer shape and the separating membrane.
  • the separating membrane serves to separate the thermal oil and the fibers soaked with the matrix on the one hand and to form the cavity for receiving the thermal oil on the other hand.
  • the separating membrane preferably has a high degree of heat conduction and pressure transmission.
  • the generation of the magnetic interaction between the outer shape and the separating membrane can in principle be implemented in different ways.
  • a preferred possibility consists in the use of permanent magnets or of magnetized, in particular hard magnetic material.
  • the permanent magnet or the magnetized hard magnetic material generates a magnetic field, which means that magnetizable material, that is ferroelectric and / or ferrielectric material, is attracted by the permanent magnet or by the magnetized hard magnetic material.
  • the separating membrane is designed in such a way that it generates a magnetic field and that the outer shape is designed in such a way that it can be magnetized.
  • the outer shape is designed in such a way that it generates a magnetic field and that the separating membrane is designed in such a way that it can be magnetized.
  • the separating membrane and the outer shape are designed in such a way that both generate a magnetic field.
  • electromagnets Another way of generating the magnetic interaction between the outer shape and the separating membrane is to use electromagnets.
  • the permanent magnet or the magnetized hard magnetic material can be replaced by one or more electromagnets or supplemented by electromagnets.
  • electromagnets have the advantage that the strength of the magnetic field generated, and thus the strength of the magnetic interaction between the separating membrane and the outer shape, can be varied.
  • the electromagnet can be switched off so that the magnetic field is extinguished and the separating membrane can be removed from the outer mold and / or falls out of it.
  • the method includes the step of fixing the separating membrane on the outer mold by applying an electric current to an electromagnet provided on and / or in the outer mold.
  • the magnetic field is generated by applying current to the electromagnet, whereby the separating membrane is attracted to the outer shape and is fixed to the outer shape.
  • only one electromagnet can be provided on and / or in the outer shape.
  • a plurality of spaced apart electromagnets are preferably provided on and / or in the outer shape. By using several electromagnets, the separating membrane can be positioned more precisely on the outer shape and fixed to it more reliably.
  • the electromagnets are preferably provided in the outer shape at regular intervals.
  • the electromagnet can be integrated into the outer shape and thus be enclosed by the outer shape on all sides.
  • the electromagnet can be attached to the surface of the outer mold facing away from the mold space. This has the advantage that the electromagnet is easily accessible and easy to maintain.
  • the electromagnet is encapsulated by the outer mold in such a way that it ends flush with the surface of the outer mold facing the mold space.
  • the magnetic field generated by the electromagnet can hardly be weakened by the material of the outer shape.
  • the electromagnet is sealingly incorporated in the outer mold, so that when the cavity is exposed to the thermal oil with the pressure greater than the ambient pressure the thermal oil acts only on the separating membrane with the intended pressure.
  • the sealing introduction of the electromagnet in the outer mold prevents a possible loss of pressure in the thermal oil.
  • the separating membrane and the outer shape are designed to build up a magnetic interaction by means of which the separating membrane can be fixed to the outer shape.
  • the method comprises the step of releasing the separating membrane from the outer shape. The separating membrane can thus be detached from the outer shape, for example in order to carry out maintenance or cleaning work on the separating membrane and / or to replace it.
  • the release of the separating membrane from the outer shape includes changing an electrical current in an electromagnet and / or changing the pressure of the thermal oil in the cavity.
  • the release of the separating membrane can be achieved by changing the current in the electromagnet.
  • the loosening of the separating membrane preferably includes reducing the current in the electromagnet, in particular switching off the current in the electromagnet. This means that the electromagnet only generates a very weak magnetic field or even no magnetic field at all.
  • the separating membrane can be removed from the outer shape in a simple manner, since it is no longer or only weakly attracted to the outer shape.
  • the separating membrane can be detached from the outer shape by changing the pressure of the thermal oil in the cavity.
  • the pressure of the thermal oil in the cavity is preferably increased until the pressure exceeds the force generated by the magnetic interaction.
  • the separating membrane separates from the outer shape as soon as the The sum of the forces that act on the separating membrane in the direction of the mold space is greater than the sum of the forces that act on the separating membrane in the direction of the outer shape.
  • the force of the magnetic field on the separating membrane acts preferably in the direction of the outer shape.
  • the force that is generated by the pressure of the thermal oil in the cavity on the separating membrane acts preferentially in the direction of the mold space.
  • the gravitational force on the separating membrane also acts in the direction of the mold space. In such a press, the separating membrane detaches from the outer form as soon as the sum of the gravitational force and the force generated by the pressure of the thermal oil on the separating membrane is greater than the force that the magnetic field of the electromagnet and / or permanent magnet on the separating membrane generated.
  • the method includes the step of closing or opening the mold space formed between the inner shape and the outer shape.
  • the introduction of the fiber impregnated with a matrix onto the inner mold of the mold space formed between the inner mold and the outer mold and the introduction of the separating membrane into the outer mold are carried out after the mold space has been opened.
  • the application of the thermal oil to the cavity is carried out after the mold space has been closed.
  • the inner mold, the fiber impregnated with the matrix, the separating membrane and the outer mold are in contact with each other in such a way that when the thermal oil is applied to the cavity, the temperature is greater than the melting point of the matrix and the pressure is greater than the ambient pressure Component can be shaped.
  • the method is carried out with a press having the inner shape and the outer shape, the inner shape and / or the outer shape being designed to shape an aircraft component, a ship component or a vehicle component.
  • the inner shape and outer shape can basically have any shape, in particular a negative shape of the component to be obtained, as a plane, as a cylinder and / or in cross-section as a semicircle or semicircle, whereby in the following it is often assumed that the inner shape and outer shape are used to manufacture a component of an aircraft , a ship or a vehicle.
  • the term jacket surface does not necessarily imply a cylinder-like inner shape and / or outer shape and in this respect also includes an end surface in the case of a flat or curved inner shape and / or outer shape.
  • the method comprises the step of, after the separating membrane has been introduced, bracing the inner mold and the outer mold against one another until the mold space is formed.
  • the outer shape and inner shape are preferably designed so that the mold space is pressure-tight after clamping.
  • the press preferably has a press frame, in particular a C-frame, which has an upper horizontal C-limb, a lower horizontal C-limb and a vertical C-base, which connects the upper C-limb and the lower C-limb .
  • the inner form is preferably fixedly supported on the lower horizontal C-leg as the lower tool and the outer form is supported via a press cylinder on the upper C-leg as the upper tool in such a way that the inner form and the outer form can be braced against one another by actuating the press cylinder until the mold space is trained.
  • the C-frame is preferably designed as a frame construction, it being possible to provide several C-shaped press frames connected to one another in the longitudinal direction.
  • the individual press frames are preferably connected to one another with clamping elements.
  • the press in which the press cylinder is supported on the upper C-leg, the press can also be designed in a lower-piston design so that the inner shape can be braced by the press cylinder against the outer shape provided on the upper C-leg.
  • the inner shape and the outer shape are cylindrical and / or arched.
  • the inner shape is convex as the inner lower shape and the outer shape is concave as the outer upper shape.
  • the inner shape can represent the lower tool and the outer shape the upper tool. Even more preferably, when the mold space is closed, the inner shape and outer shape resting on one another close off at their edges in a pressure-tight and / or sealing manner and / or are in contact with one another at their edges.
  • the method preferably has the further Step on: placing the outer shape on the inner shape in such a way that the outer shape and inner shape rest on one another in a sealing manner at their edges to form the mold space and / or fix and / or brace the outer shape and inner shape against one another, in particular by means of the press.
  • the method comprises the further step of applying the thermal oil to the cavity at a temperature of> 250 ° C,> 300 ° C or> 400 ° C, in such a way that the thermal oil with the pressure> 20 bar,> 30 bar or > 40 bar acts on the separating membrane and / or, after a specified period of time, cooling the thermal oil to a temperature ⁇ 150 ° C, ⁇ 200 ° C or ⁇ 250 ° C.
  • the cavity is exposed to the thermal oil at a temperature of 350 ° C. to 410 ° C. and the thermal oil is cooled to 30 ° C.
  • the method provides, in particular, that no pressureless phase is present in the cavity during a deformation of the fiber impregnated with the matrix.
  • the fibers are preferably designed as glass fibers, aramid fibers and / or carbon fibers or carbon fibers.
  • the fiber impregnated with the matrix is very particularly preferably embodied as a fiber-matrix semi-finished product, as a fiber composite material and / or as an organic sheet, these terms being used synonymously in the context of the invention.
  • the fiber impregnated with the matrix is preferably implemented as a fiber impregnated with a thermoplastic plastic matrix and / or as glass fiber reinforced aluminum, also GLARE, as a hybrid material.
  • Glass fiber reinforced aluminum usually has many layers, each only a few tenths of a millimeter thick, which are made alternately from aluminum and a glass fiber laminate, for example glass fiber reinforced plastic.
  • the fiber can comprise a so-called prepreg material and / or be designed as a tape.
  • the fiber is preferably provided as a continuous material.
  • the matrix it can be an epoxy resin or thermoplastic matrix as well as mixtures thereof.
  • the matrix can comprise polyphenylene sulfides, polyaryl ether ketones, or polyether ether ketones as thermoplastics.
  • the temperature is preferably at least 10 ° C., 20 ° C., 50 ° C., 100 ° C. or 200 ° C. greater than the melting point of the matrix.
  • the pressure is preferably at least 10 bar, 20 bar, 30 bar or 40 bar greater than the ambient pressure.
  • the fiber is impregnated and / or soaked with the matrix before it is introduced or deposited in the inner mold.
  • the terms fiber impregnated with the thermoplastic plastic matrix and fiber impregnated with the matrix are used synonymously.
  • the prepreg material preferably has a thickness of 180 ⁇ m, the carbon fibers contained therein preferably having a thickness between 6 and 9 ⁇ m.
  • the fiber impregnated with the matrix can be designed as a fiber lay-up or woven fabric, in which reinforcing fibers are embedded in a plastic matrix.
  • a scrim can be provided as a fiber, in particular as a monoaxial or unidirectional scrim, which can be obtained by fixing a group of parallel threads, as a biaxial scrim, in which two groups of parallel threads are fixed in the direction of two axes, or as Multiaxial thread structure in which several sets of parallel threads are fixed in the direction of different axes.
  • non-woven fabrics are characterized by greater strength due to the elimination of the undulation that is unavoidable in woven fabrics.
  • a plurality of weave types such as plain weave or twill weave can be included in woven fabrics.
  • the predefined time span can be 1 minute, 10 minutes, 1 hour or 5 hours.
  • the thermal oil preferably has a temperature of ⁇ 150 ° C or ⁇ 100 ° C. It is very particularly preferred to use the same thermal oil for heating or melting the organic sheet, that is, when the cavity is exposed to the thermal oil at a temperature greater than the melting point of the matrix and when the organic sheet is subsequently cooled.
  • the thermal oil located in the cavity is preferably cooled during a pumping process and again fed to the cavity, while the thermal oil continues to act on the separating membrane at a pressure of> 20 bar. Pressure and / or temperature temperature curve rise during heating and / or cooling preferably in parallel.
  • the method includes the step of preheating the outer mold and / or the inner mold to a basic temperature, in particular before the fiber impregnated with the matrix is introduced.
  • heating and / or cooling channels can be provided in the outer shape and / or the inner shape to control the temperature of the respective shape before and / or during curing.
  • the heating channels and / or cooling channels preferably run in the axial direction at regular intervals and / or distributed over the entire outer surface of the respective mold.
  • supply channels for the thermal oil are preferably provided which extend in the radial direction through the outer shape.
  • the method comprises the step of applying a negative pressure to the outer surface of the inner mold.
  • the inner mold is preferably provided with a plurality of negative pressure channels at regular intervals along the lateral surface, which can extend in the radial direction through the lower mold and / or are connected to a vacuum pump by which the negative pressure can be generated.
  • a heating and / or cooling device can be provided in order to preheat or cool the outer shape and / or the inner shape to the basic temperature by means of the heating and / or cooling channels.
  • the method comprises the step of introducing a stringer, a former and / or a thickening into a recess in the inner mold, in particular before introducing the fiber impregnated with the matrix.
  • Stringers, ribs or thickenings can represent local reinforcements, for example for window, door and / or flap openings in an aircraft, and / or structural reinforcements, which can be introduced by the proposed process step when producing the molded part.
  • the recess is preferably designed in such a way, for example by a milling process, that in the recess of the inserted stringer, frame or thickening of this is flush with the outer surface of the inner mold.
  • the stringer, the former or the thickening is preferably inserted into the recess as a prefabricated and consolidated component.
  • the method comprises the step of cooling the inner mold to a temperature ⁇ 150 ° C., ⁇ 200 ° C. or ⁇ 250 ° C. or, after the preceding step, cooling the inner mold to a temperature ⁇ 150 ° C., ⁇ 200 ° C. or ⁇ 250 ° C in the area of the stringer, the frame and / or the thickening.
  • a plurality of supply channels extending axially through the inner shape are preferably provided, which are arranged around the recess.
  • the method comprises the step of introducing a separating film between the fiber impregnated with the matrix and the separating membrane.
  • the separating film is preferably introduced before the separating membrane is introduced and after the fiber impregnated with the matrix has been introduced.
  • the separating film acts as a non-stick layer and, after cooling the fiber impregnated with the matrix, enables the separating membrane to be easily detached from the fiber impregnated with the matrix.
  • the method includes, according to a further preferred embodiment, the step of applying, in particular, spraying a release agent onto the inner mold and / or the outer mold before the introduction of the matrix impregnated fiber.
  • the object of the invention is further provided by a device for producing a component from a fiber composite material, with an inner shape on which a fiber impregnated with a matrix is applied, a separating membrane applied on the fiber impregnated with the matrix, an outer shape, which rests sealingly on the inner mold with the fiber impregnated with the matrix and the separating membrane applied to it in such a way that a cavity is formed along the outer surface of the outer mold, and a thermal oil temperature control and pressure device which is designed to hold the cavity with a thermal oil with a temperature greater than the melting point of the matrix and a pressure greater than ambient pressure in such a way that the thermal oil acts with the pressure on the separating membrane, the separating membrane and the outer shape being designed to build up a magnetic interaction by means of which the separating membrane can be fixed to the outer shape.
  • the method for producing the component from the fiber composite material is preferably carried out with the device described here.
  • the separating membrane is introduced into the outer shape in such a way that the cavity extending along the outer surface of the outer shape is formed between the outer shape and the separating membrane.
  • the separating membrane is preferably fixed to the outer shape, in particular by means of the magnetic interaction.
  • the proposed device allows components for aircraft, ships and vehicles to be manufactured in what is known as a “baguette” design, in that on the one hand an upper shell and on the other hand a lower shell of the component are manufactured one after the other in the device.
  • the fiber in particular impregnated with a thermoplastic plastic matrix, is embedded between the inner mold and the outer mold, on the one hand heated by the thermal oil and on the other hand pressurized so that the component is obtained after the subsequent cooling.
  • the device can be designed as a press in order to achieve a precise movement, that is to say opening and closing, of the inner shape and outer shape.
  • the inner shape and the outer shape are preferably designed so that, when the press is closed, the shapes are in contact with one another at their edges and in this way seal off the mold space formed by the shapes.
  • the inner shape and outer shape can be wrapped with tension ropes or otherwise fixed in order to form the mold space.
  • An essential point of the invention is that the separating membrane and the outer shape are designed to build up the magnetic interaction by means of which the separating membrane can be fixed to the outer shape. This makes it easier to introduce the separating membrane into the outer shape or, in the case of non-curved outer shapes, is made possible.
  • the outer shape comprises an electromagnet and / or a magnetized hard magnetic material and the separating membrane comprises a magnetizable material and / or the outer shape comprises a magnetizable material and the separating membrane a magnetized hard magnetic material Material includes.
  • the separating membrane can comprise ferroelectric or ferrielectric material with a large-area hysteresis curve, i.e. hard magnetic material that has been magnetized by means of a magnetic field in such a way that the separating membrane exhibits macroscopic magnetization even after the magnetic field has decreased.
  • the separating membrane can therefore comprise magnetized hard magnetic material or be made from it and in this case comprises a permanent magnet or forms this permanent magnet.
  • the outer shape can comprise magnetizable material, that is to say likewise ferroelectric or ferrielectric material.
  • the material of the outer shape can also have soft magnetic properties, which means that it can be easily magnetized by a magnetic field, but also easily loses this magnetization again after the magnetic field has decreased.
  • the outer shape can comprise magnetized hard magnetic material, that is to say it can be configured as a permanent magnet or comprise at least one permanent magnet, and the separating membrane can comprise magnetizable material or be configured from this.
  • the separating membrane can thus comprise ferroelectric or ferrielectric material, which can also have soft magnetic properties.
  • the outer shape as well as the separating membrane may comprise magnetized hard magnetic material or to be made from this and thus the outer shape and the separating membrane are a permanent magnet or comprise a permanent magnet.
  • the poles of the permanent magnets are aligned with one another in such a way that the separating membrane is attracted to the outer shape.
  • the magnetic field can also be generated by means of an electromagnet. It is particularly preferably provided that the outer shape comprises at least one electromagnet and the separating membrane comprises a magnetizable material.
  • the magnetized hard magnetic material can comprise an Alnico alloy, a neodymium-iron-boron alloy, or a samarium-cobalt alloy.
  • a magnetized hard magnetic material is preferably used, which does not lose its magnetization even when the elevated temperatures of the thermal oil are used.
  • the magnetizable material can be a metal or a ceramic material, such as a ferrite for example.
  • the magnetizable material is preferably selected in such a way that it has a high temperature stability.
  • the separating membrane is made from a magnetizable steel.
  • the separating membrane is preferably made from a martensitic steel. Particularly preferably made of martensitic stainless steel.
  • the martensitic steel can be a carbon martensite or a nickel martensite.
  • the carbon martensite preferably comprises chromium and carbon as the main alloy component
  • the nickel martensite preferably comprises nickel as the main alloy component.
  • the separating membrane further preferably comprises a martensitic high-alloy steel.
  • the separating membrane particularly preferably comprises a steel of the CrNiCuTi 15 7 type.
  • the mass fractions in the steel are 0.08% for carbon, 1.5% for silicon, 1.0% for manganese, 14% for chromium, 7% for nickel Copper 0.7%, for titanium 0.3% and for molybdenum 0.8%.
  • a part of a magnetizable endless steel belt can more preferably be used as the separating membrane.
  • the thermal oil temperature control and pressure device is designed to apply the thermal oil to the cavity in such a way that the separating membrane fixed on the outer shape due to the magnetic interaction detaches from the outer shape. This means that the force that is generated by the pressure of the thermal oil on the separating membrane is greater than the force that acts on the separating membrane due to the magnetic interaction between the separating membrane and the outer shape. The separating membrane can thus be detached from the outer shape in a simple manner.
  • the fiber impregnated with the matrix comprises a preconsolidated semifinished product shell and / or preconsolidated individual layers.
  • the fiber, in particular impregnated with the thermoplastic plastic matrix can also comprise a fiber fabric and / or a fiber scrim, which are embedded in the thermoplastic plastic matrix.
  • fibers can run at right angles to one another in order to better define mechanical properties such as rigidity, strength and / or thermal expansion compared to materials known from the prior art, such as sheet metal.
  • the inner shape and / or the outer shape are made from Invar.
  • Invar is an iron-nickel alloy with a very low coefficient of thermal expansion, so that an inner shape and / or outer shape designed in this way is characterized by an extremely low expansion due to the temperature change caused by the thermal oil.
  • Invar can be magnetized.
  • the inner shape and / or the outer shape is flat or has a curvature with a radius of curvature> 4 m, preferably> 8 m, particularly preferably> 15 m.
  • the inner shape and / or outer shape can therefore be flat or have a very slight curvature, that is to say a very large radius of curvature.
  • the magnetic interaction between the separating membrane and the outer shape ensures that the separating membrane can be introduced into the outer shape easily and without errors.
  • the inner shape and / or the outer shape is more preferably cylindrical and has a cylinder height or a longitudinal extent of> 10 m and ⁇ 50 m, in particular> 10 m and ⁇ 15 m, and / or a cylinder diameter or a transverse extent of> 3 m and ⁇ 10 m, in particular 6 m.
  • a cylinder height or a longitudinal extent of> 10 m and ⁇ 50 m in particular> 10 m and ⁇ 15 m
  • the inner shape and / or the outer shape is designed to form a component of an aircraft, ship or vehicle.
  • the inner shape and / or the outer shape are preferably designed as a negative shape.
  • the thermal oil temperature control and pressure device is also preferably designed to apply the thermal oil to the cavity at a temperature of> 250 ° C,> 300 ° C or> 400 ° C in such a way that the thermal oil with the pressure> 20 bar,> 30 bar or > 40 bar acts on the separating membrane and / or, after a specified period of time, to cool the thermal oil to a temperature ⁇ 150 ° C, ⁇ 200 ° C or ⁇ 250 ° C.
  • the cavity is exposed to the thermal oil in such a way that the thermal oil acts on the entire separating membrane with a pressure greater than ambient pressure,> 20 bar,> 30 bar or> 40 bar, and / or when the thermal oil is cooled, the pressure on the Separating membrane still higher ambient pressure,> 20 bar,> 30 bar or> 40 bar.
  • the cavity between the outer shape and the separating membrane along the lateral surface has a thickness of> 1 mm and ⁇ 10 mm, in particular> 2 mm and ⁇ 5 mm, and / or the cavity at every point on the separating membrane has an equal thickness.
  • the fiber, in particular impregnated with the thermoplastic plastic matrix preferably has a thickness comparable to that of the cavity, so that the thermal oil, due to its significantly higher thermal capacity, is sufficient to bring about the melting process for reshaping the fiber, in particular, impregnated with the thermoplastic plastic matrix.
  • the thermal oil temperature control and pressure device preferably has a heating device, a cooling device and / or a pump to heat or cool the thermal oil to the aforementioned temperatures, to pump off the heated thermal oil introduced into the cavity, to cool it and then to cool it in the cavity to introduce, and / or to build up the aforementioned pressure.
  • Fig. 1 shows an apparatus for performing the method for producing a
  • Component made of a fiber composite material according to a preferred embodiment of the invention in a schematic perspective view
  • FIG. 2 shows a detail of the device shown in FIG. 1 with an inner shape and an outer shape in a schematic sectional view.
  • the C-frame press has a press frame designed as a C-frame 2 with an upper horizontal C-limb 3, a lower horizontal C-limb 4 and a vertical C-base 5, which the upper C-limb 3 and the lower C-limb Leg 4 connects together.
  • the press is designed as a frame construction and has a plurality of press frames 6 which are arranged one behind the other in the longitudinal direction of the press and are each C-shaped and connected to one another.
  • a cylinder-like inner shape 7 is provided, supported on the lower C-leg 4.
  • the inner shape 7 is convex and is semicircular in cross section with a cylinder diameter of 6 m. In the longitudinal direction, the inner shape 7 extends between its ends with a cylinder height of 15 m.
  • an outer shape 8 that is congruent to the inner shape 7 is also cylinder-like and correspondingly concave.
  • Several press cylinders 9 are supported on the upper C-legs 3 and act on the outer shape 8. In this way, the outer mold 8 can be moved in the vertical direction by the press cylinder 9 in the sense of a running beam. gene to open or close the mold space between the inner mold 7 and the outer mold 8. In the open state, as shown in FIG. 1, the component 1 can be removed from the device configured in this way, indicated by arrow 10.
  • a separating means 11 is indicated in 2, sprayed onto the inner mold 7.
  • a fiber impregnated with a thermoplastic plastic matrix in particular a glass fiber, aramid fiber and / or carbon fiber, is then applied to the inner mold 7 as a pre-consolidated semi-finished product shell or in pre-consolidated individual layers as a so-called organic sheet, so that the organic sheet 7 covers the entire surface area 12 of the cylindrical inner shape 7 to to the edges of the inner mold 7 covered.
  • a release film 13 is applied as a non-stick layer to the fiber 1 impregnated with the thermoplastic plastic matrix.
  • a magnetizable separating membrane 14a is introduced into the outer mold 8. Since the embodiment shown here is a press in which the outer mold 8 is designed as an outer upper mold above the inner mold 7, the separating membrane 14 a is introduced into the outer mold 8 upside down.
  • the outer shape has three electromagnets 24 which are regularly spaced apart from one another and which are introduced into the outer shape 8 in such a way that they are flush with the surface of the outer shape 8 facing the mold space.
  • a current By applying a current to the electromagnets 24, a magnetic field is generated so that the separating membrane 14a is attracted to the outer shape.
  • the separating membrane consists of martensitic steel, which can be easily magnetized by means of the magnetic field, specifically high-alloy steel of the type CrNiCuTi 15 7.
  • the separating membrane 14a is attached to the outer shape by means of the magnetic interaction between the magnetic field generated by the electromagnet 24 and the magnetizable separating membrane 14a 8 fixed.
  • Inner shape 7 and outer shape 8 are made of Invar iron-nickel alloy and designed so that when the outer shape 8 rests on the inner shape 7 as shown in FIG. 2 to form the cavity 15, the inner shape 7 and outer shape 8 at the edges of their respective Outer surfaces 12, 14 are sealed off or rest in contact with one another.
  • the device has a thermal oil temperature and pressure device 16, which is designed on the one hand to apply a thermal oil 17 to the cavity 15 at a temperature> 400 ° C., so that a pressure of about 40 bar is exerted on the separating membrane due to the thermal oil 17 becomes. Since the thermal oil 17 can be freely distributed within the cavity 15 along the entire lateral surface 14 of the outer mold 8, the pressure of 40 bar acts at every point on the separating membrane 14a in the direction of the normal to the lateral surface 12 of the inner mold 7 or to the direction of extension of the thermoplastic plastic matrix soaked fiber 1.
  • the thermal oil 17 thus serves as a pressure and heating medium in order to exert a constant consolidation pressure on the fiber impregnated with the thermoplastic matrix on all sides via the separating membrane 14a as well as for targeted, uniform heating of the fiber 1 impregnated with the thermoplastic matrix Its thermal capacity, which is significantly higher than that of the fiber 1 impregnated with the thermoplastic matrix, causes the melting of the fiber impregnated with the thermoplastic matrix. After a predetermined period of time, the thermal oil 17 is cooled by the thermal oil temperature control and pressure device 16 to a temperature ⁇ 200 ° C. with constant pressure in order to obtain the component 1.
  • various supply channels 18 are provided in the outer mold 8 which extend radially through the outer mold 8.
  • axially extending heating and / or cooling channels 19 are provided in the inner mold 7 and in the outer mold 8, whereby preheating, cooling and / or temperature control of the corresponding mold is possible.
  • a provided in the inner shape 7, which extends radially through the inner shape 7 The outer surface 12 of the inner mold 7 can be subjected to negative pressure through the vacuum channel 20.
  • Recesses 21 are provided in the inner mold 7, into which, as can be seen from FIG. 2, a stringer 22, on the left, and a cover 23, on the right, are introduced. Adjacent to the respective cutouts 21, a plurality of cooling channels 19 are arranged which delimit the respective cutout 19. While the connection contact surfaces of the stringer 22 or the cover 23 melt through the thermal oil 17 and can connect to the fiber 1 soaked with the thermoplastic matrix, the cooling channels 19 arranged around the recess 21 serve to cool the stringer 22 or the cover 23 so that they remain below a softening temperature.
  • Inner shape 7 and outer shape 8 can be designed to shape an aircraft fuselage half, as shown in FIG. 1, although it is also possible to use the proposed method and the device in a particularly simple manner to produce any other parts, for example a component for ships or vehicles Way to shape.
  • the separating membrane 14a fixed to the outer mold 8 via the magnetic interaction can be detached from the outer mold 8 by reducing or switching off the current in the electromagnet 24, so that the magnetic field generated by the electromagnet 24 is weakened or no longer exists .
  • the pressure of the thermal oil 17 can be increased.
  • the separating membrane 14a is pressed away from the outer mold 8 and from the electromagnets 24.
  • the distance between the separating membrane 14a and the magnetic field-generating electromagnet 24 increases, so that the magnetic field strength that now acts on the separating membrane 14a is reduced and the separating membrane 14a detaches or can be detached.

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Abstract

Verfahren zum Herstellen eines Bauteils (1) aus einem Faserverbundwerkstoff, mit den Schritten: Einbringen einer mit einer Matrix imprägnierten Faser (1) auf eine Innenform (7) eines zwischen der Innenform (7) und einer Außenform (8) gebildeten Formraums, Einbringen einer Trennmembran (14a) in die Außenform (8) derart, dass sich zwischen der Außenform (8) und der Trennmembran (14a) eine sich entlang der Fläche (14) der Außenform (8) erstreckende Kavität (15) bildet, und Beaufschlagen der Kavität (15) mit einem Thermoöl (17) mit einer Temperatur größer dem Schmelzpunkt der Matrix und mit einem Druck größer Umgebungsdruck derart, dass das Thermoöl (17) mit dem Druck auf die Trennmembran (14a) einwirkt, wobei die Trennmembran (14a) und die Außenform (8) ausgeführt sind, eine magnetische Wechselwirkung aufzubauen, mittels derer die Trennmembran (14a) an der Außenform (8) fixierbar ist.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen eines Bauteils aus einem F aserverbundwerkstoff
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils aus einem Faserver bundwerkstoff mit dem Schritt Einbringen einer mit einer Matrix imprägnierten Faser auf eine Innenform eines zwischen der Innenform und einer Außenform gebildeten Formraums. Die Erfindung betrifft zudem eine Vorrichtung zum Herstellen des Bauteils aus dem Faserverbundwerkstoff mit der Innenform, auf der die mit der Matrix imprägnierte Faser aufgebracht ist.
Hintergrund der Erfindung
Zu F aserverbundwerkstoffen gehörende Organobleche sind aus dem Stand der Technik bekannt und werden vor allem im Flugzeug-, Schiffs- und Automobilbau verwendet, um gegenüber herkömmlichen Materialien bei vergleichbarer oder sogar besserer Steifigkeit wesentlich leichtere Bauteile zu erhalten. Derartige Organobleche weisen in der Regel ein Fasergewebe oder ein Fasergelege auf, welches in eine thermoplastische Kunststoffmatrix eingebettet ist. Oftmals liegen als Faserwerkstoffe in dem F aser-Matrix-Halbzeug Glas-, Aramid- oder Kohlenstofffasem vor. Da sich Organobleche in einfacher Weise mittels bekannter Methoden der Metallverarbeitung warm umformen lassen, resultieren im Vergleich zu konventionellen duroplastischen F aserverbundwerkstoffen kürzere Prozesszeiten.
In der Regel werden solche Organobleche im Bereich des Flugzeug-, Schiffs-, oder Fahrzeugbaus verwendet, um im Schnitt halbkreisförmige Rumpfsektionen aus Faserverbundwerkstoff als Unterschale und Oberschale einzeln vorzufertigen und in einer anschließenden Endmontage zu einem fertigen Bauteil zusammengesetzt. Die Rumpfsektionen oftmals mittels einer Innenform und einer Außenform in einer C-Rahmenpresse umgeformt, wobei die Innenform und die Außenform zylinderartig geformt sind. Beim Pressen wird in der Regel eine Trennmembran in die Außenform gebracht, so dass sich zwischen der Außenform und der Trennmembran eine sich entlang der Mantelfläche der Außenform erstreckende Kavität bildet. Bei zylinderartig geformten Außenformen ist es möglich, die Trennmembran durch die Krümmung der Außenform in die Außenform einzuspannen. Der Vorgang des Einspannens in die gekrümmte Außenform muss sorgfältig durchgefuhrt werden, ist mit viel Aufwand verbunden und entsprechend fehleranfällig.
Bei nur schwach gekrümmten oder gar nicht gekrümmten Außenformen ist es bislang nur schwerlich gelungen, die Trennmembran in die Außenform zum Halten zu bringen, insbesondere bei Pressen, bei denen die Außenform oberhalb der Innenfor angeordnet ist, also die Außenform als Außenoberform ausgebildet ist. Bei einer Außenoberform muss die Trennmembran in der Regel kopfüber in die Außenoberform eingebracht werden. Entsprechend besteht dies Gefahr, dass sich die Trennmembran aufgrund von Gravitation von der Außenoberform löst und beim Herunterfallen beschädigt wird oder einen Bediener der Presse verletzt.
Beschreibung der Erfindung
Ausgehend von dieser Situation ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mittels derer ein Bauteil aus einem Faserverbundwerkstoff in besonders einfacher Weise herzustellen ist. Insbesondere soll durch die Erfindung das Halten der Trennmembran in der Vorrichtung erleichtert werden.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Demnach betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils aus einem F aserverbundwerkstoff, mit den Schritten: Einbringen einer mit einer Matrix imprägnierten Faser auf eine Innenform eines zwischen der Innenform und einer Außenform gebildeten Formraums, Einbringen einer Trennmembran in die Außenform derart, dass sich zwischen der Außenform und der Trennmembran eine sich entlang der Mantelfläche der Außenform erstreckende Kavität bildet, und Beaufschlagen der Kavität mit einem temperierbaren Druckfluid, im Weiteren kurz Thermoöl genannt, wenngleich das temperierbare Druckfluid auch durch ein Gas oder eine andere Flüssigkeit gebildet sein könnte, mit einer Temperatur größer dem Schmelzpunkt der Matrix und mit einem Druck größer Umgebungsdruck derart, dass das Thermoöl mit dem Druck auf die Trennmembran einwirkt, wobei die Trennmembran und die Außenform ausgeführt sind, eine magnetische W echsel Wirkung aufzubauen, mittels derer die Trennmembran an der Außenform fixierbar ist.
Gegenüber einem Umformverfahren mittels einer aus dem Stand der Technik bekannten Presse kann beim erfindungsgemäßen Verfahren eine magnetische Wechselwirkung zwischen Trennmembran und Außenform aufgebaut werden, so dass auf einfache und wenig fehleranfällige Weise die Trennmembran in die Außenform gehalten werden kann. Grundidee der Erfindung ist, das Halten und Einbringen der Trennmembran in die Außenform zu erleichtern bzw. bei nicht gekrümmten Außenformen zu ermöglichen, indem die Trennmembran und die Außenform derart ausgestaltet sind, dass die Außenform und die Trennmembran magnetisch wechselwirken können. Mittels der magnetischen Wechselwirkung lässt sich die Trennmembran an der Außenform fixieren und derart an dieser halten. Das Fixieren der Trennmembran an der Außenform mittels magnetischer Wechselwirkung ist insbesondere vorteilhaft, wenn eine Presse verwendet wird, bei der die Außenform oberhalb der Innenform angeordnet ist und die Trennmembran somit über Kopf an der Außenform fixiert werden soll. Das vorgeschlagene Verfahren ermöglicht somit in besonders einfacher Weise die mit der Matrix imprägnierte Faser unter Druck und Temperatur zu einem Bauteil umzuformen, um beispielsweise ein Flugzeug-, Schiffs- und/oder Fahrzeugbauteil zu erhalten. Ausgehend von dieser Grundidee, eine magnetische Wechselwirkung zwischen der Trennmembran und der Außenform aufzubauen, lässt sich auf einfache Weise und mit einer geringen Fehleranfälligkeit die Trennmembran in die Außenform einbringen und an dieser fixieren.
Bei dem vorliegenden Umformverfahren wirkt der Pressdruck, aufgrund des Thermoöls, an jeder Stelle der Trennmembran in Richtung der Normalen der Trennmembran und damit ebenso in Richtung der Normalen des zu erhaltenen Bauteils bzw. der mit der thermoplastischen Kunststoffmatrix getränkten Faser. Somit wird nicht nur ein Pressdruck mit ausschließlicher Y ertikalkomponente erzeugt, wie sonst bei aus dem Stand der Technik bekannten Pressen, beispielsweise einer C-Rahmenpresse mit ortsfester Innenform und sich ausschließlich in vertikaler Richtung verfahrbaren Außenform. Gegenüber einer bekannten Presse wird der zum Umformen notwendige Press- bzw. Konsolidierungsdruck jedoch nicht oder nur zum Teil durch die Presse sondern stattdessen vollständig oder zum Wesentlichen durch das Thermoöl bewirkt. Um die Kavität für das Ther- moöl zu erzeugen, wird die Trennmembran in die Außenform eingebracht. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Trennmembran auf die mit der Matrix imprägnierten Faser derart eingebracht wird, dass sich zwischen der Außenform und der Trennmembran die Kavität bildet. Die Trennmembran dient der Trennung von Thermoöl und der mit der Matrix getränkten Faser einerseits sowie andererseits zur Ausbildung der Kavität zum Aufnehmen des Thermoöls. Bevorzugt weist die Trennmembran eine hohe Wärmeleitung und Druckübertragung auf.
Das Erzeugen der magnetischen Wechselwirkung zwischen der Außenform und der Trennmembran kann grundsätzlich auf unterschiedlicher Weise umgesetzt werden. Eine bevorzugte Möglichkeit besteht in der Verwendung von Dauermagneten bzw. von magnetisiertem insbesondere hartmagnetischem Material. Der Dauermagnet bzw. das magnetisierte hartmagnetische Material erzeugt ein Magnetfeld, was dazu fuhrt, dass magnetisierbares Material, sprich ferroelektrisches und/oder ferrielektrisches Material von dem Dauermagneten bzw. von dem magnetisierten hartmagnetischen Material angezogen wird.
Insofern kann vorgesehen sein, dass die Trennmembran derart ausgeführt ist, dass sie ein Magnetfeld erzeugt und dass die Außenform derart ausgeführt ist, dass sie magnetisierbar ist. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Außenform derart ausgeführt ist, dass sie ein Magnetfeld erzeugt, und dass die Trennmembran derart ausgeführt ist, dass sie magnetisierbar ist. Weiter alternativ kann vorgesehen sein, dass die Trennmembran und die Außenform derart ausgeführt sind, dass beide ein Magnetfeld erzeugen. Beim Erzeugen zweier Magnetfelder ist allerdings darauf zu achten, dass die Ausrichtung der die Magnetfelder erzeugenden magnetischen Dipole derart gewählt wird, dass die Trennmembran von der Außenform angezogen wird. Eine weitere Möglichkeit, die magnetische Wechselwirkung zwischen der Außenform und der Trennmembran zu erzeugen, liegt in der Verwendung von Elektromagneten. In den oben beschriebenen Möglichkeiten kann der Dauermagnet bzw. das magnetisierte hartmagnetische Material durch einen oder mehrere Elektromagneten ersetzt werden oder durch Elektromagneten ergänzt werden. Elektromagnete haben im Vergleich zu Dauermagneten den Vorteil, dass die Stärke des erzeugten Magnetfeldes, und somit die Stärke der magnetischen Wechselwirkung zwischen der Trennmembran und der Außenform, variierbar ist. Der Elektromagnet kann ausgeschaltet werden, so dass das Magnetfeld erlischt und die Trennmembran von der Außenform abnehmbar ist und/oder aus dieser herausfallt.
In Zusammenhang mit der Verwendung von Elektromagneten und gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung umfasst das Verfahren den Schritt Fixieren der Trennmembran an der Außenform mittels Beaufschlagen eines an und/oder in der Außenform vorgesehen Elektromagneten mit einem elektrischen Strom. Durch Beaufschlagen des Elektromagneten mit Strom wird das Magnetfeld erzeugt, wodurch die Trennmembran von der Außenform angezogen wird und an der Außenform fixiert wird. Grundsätzlich kann an und/oder in der Außenform nur ein Elektromagnet vorgesehen sein. Bevorzugt sind mehrere beabstandete Elektromagneten an und/oder in der Außenform vorgesehen. Durch die Verwendung mehrerer Elektromagnete lässt sich die Trennmembran exakter an der Außenform platzieren und verlässlicher an dieser fixieren. Bevorzugt sind die Elektromagneten in regelmäßigen Abständen in der Außenform vorgesehen. Grundsätzlich kann der Elektromagnet in die Außenform integriert sein und somit von allen Seiten von der Außenform umschlossen sein. Alternativ kann der Elektromagnet an der dem Formraum abgewandten Oberfläche der Außenform angebracht sein. Dies hat den Vorteil, dass der Elektromagnet leicht zugänglich ist und einfach gewartet werden kann. Bevorzugt ist allerdings vorgesehen, dass der Elektromagnet derart von der Außenform eingekapselt ist, dass er bündig mit der dem Formraum zugwandten Oberfläche der Außenform abschließt. Somit kann das vom Elektromagneten erzeugte Magnetfeld kaum vom Material der Außenform abgeschwächt werden. Weiter bevorzugt ist vorgesehen, dass der Elektromagnet abdichtend in der Außenform eingebracht ist, so dass beim Beaufschlagen der Kavität mit dem Thermoöl mit dem Druck größer Umgebungs- druck das Thermoöl mit dem vorgesehenen Druck nur auf die Trennmembran einwirkt.
Mit anderen Worten lässt sich durch das abdichtende Einbringen des Elektromagneten in der Außenform ein möglicher Druckverlust des Thermoöls verhindern. Grundsätzlich ist es möglich, dass statt des Elektromagneten ein Dauermagnet bzw. das magnetisierte Material verwendet wird. Die oben beschriebenen Vorteile und technischen Effekte der Anordnung des Elektromagneten in der Außenform sowie die Abdichtung gelten auch für den Dauermagneten bzw. das magnetisierte Material.
Wie bereits erwähnt sind die Trennmembran und die Außenform derart ausgeführt, eine magnetische Wechselwirkung aufzubauen, mittels derer die Trennmembran an der Außenform fixierbar ist. Hinsichtlich des Aufhebens der Fixierung der Trennmembran an der Außenform umfasst das Verfahren gemäß einer bevorzugten Weiterbildung den Schritt Lösen der Trennmembran von der Außenform. Somit kann die Trennmembran von der Außenform gelöst werden, um zum Beispiel Wartungs- oder Reinigungsarbeiten an der Trennmembran auszuführen und/oder diese auszutauschen.
Hinsichtlich des Lösens ist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung vorgesehen, dass das Lösen der Trennmembran von der Außenform ein Verändern eines elektrischen Stroms in einem Elektromagneten und/oder ein Verändern des Druckes des Thermoöls in der Kavität umfasst. Für den Fall, dass die magnetische Wechselwirkung zwischen der Trennmembran und der Außenform durch Verwenden des Elektromagneten erzeugt wird, kann das Lösen der Trennmembran dadurch erreicht werden, dass der Strom im Elektromagneten verändert wird. Bevorzugt umfasst das Lösen der Trennmembran ein Verringern des Stroms im Elektromagneten, insbesondere ein Abschalten des Stroms im Elektromagneten. Somit wird vom Elektromagneten nur noch ein sehr schwaches Magnetfeld oder sogar gar kein Magnetfeld mehr erzeugt. Die Trennmembran kann in einfacher Weise von der Außenform abgenommen werden, da sie nicht mehr oder nur noch schwach von der Außenform angezogen wird.
Ebenso kann die Trennmembran von der Außenform durch Verändern des Druckes des Thermoöls in der Kavität gelöst werden. Bevorzugt wird dazu der Druck des Thermoöls in der Kavität erhöht, bis dass der Druck die durch die magnetische Wechselwirkung erzeugte Kraft übersteigt. Die Trennmembran löst sich von der Außenform, sobald die Summe der Kräfte, die auf die Trennmembran in Richtung Formraum wirken, größer ist als die Summe der Kräfte, die auf die Trennmembran in Richtung Außenform wirken.
Die Kraft des Magnetfeldes auf die Trennmembran wirkt bevorzugt in Richtung Außenform. Die Kraft, die durch den Druck des Thermoöls in der Kavität auf die Trennmembran erzeugt wird, wirkt bevorzugt in Richtung Formraum. Im Falle, dass eine Presse verwendet wird, bei der die Außenform über der Innenform ist, wirkt die Gravitationskraft auf die Trennmembran ebenfalls in Richtung Formraum. Bei einer solchen Presse löst sich die Trennmembran von der Außenform sobald die Summe der Gravitationskraft und der Kraft, die durch den Druck des Thermoöls auf die Trennmembran erzeugt wird, größer ist als die Kraft, die das Magnetfeld des Elektromagneten und/oder Dauermagneten auf die Trennmembran erzeugt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung umfasst das Verfahren den Schritt Schließen oder Öffnen des zwischen der Innenform und der Außenform gebildeten Formraums. Insbesondere ist vorgesehen, dass das Einbringen der mit einer Matrix imprägnierten Faser auf die Innenform des zwischen der Innenform und der Außenform gebildeten Formraums sowie das Einbringen der Trennmembran in die Außenform nach dem Öffnen des Formraums durchgeführt wird. Hingegen ist bevorzugt vorgesehen, dass das Beaufschlagen der Kavität mit dem Thermoöl nach dem Schließen des Formraums durchgeführt wird. Nach dem Schließen des Formraums liegen die Innenform, die mit der Matrix imprägnierten Faser, die Trennmembran, sowie die Außenform derart aneinander an, dass durch das Beaufschlagen der Kavität mit dem Thermoöl mit der Temperatur größer dem Schmelzpunkt der Matrix und mit dem Druck größer Umgebungsdruck das Bauteil geformt werden kann.
Hinsichtlich des zu formenden Bauteils ist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung vorgesehen, dass das Verfahren mit einer die Innenform und die Außenform aufweisenden Presse durchgefuhrt wird, wobei die Innenform und/oder die Außenform ausgebildet ist, ein Flugzeugbauteil, ein Schiffsbauteil oder ein Fahrzeugbauteil auszuformen. Innenform und Außenform können grundsätzlich eine beliebige Form aufweisen, insbesondere eine Negativform des zu erhaltenen Bauteils, als Ebene, als Zylinder und/oder im Querschnitt als Halbkreis oder halbkreisartig, wobei im Folgenden oftmals angenommen wird, dass Innenform und Außenform zum Herstellen eines Bauteils eines Flugzeugs, eines Schiffes oder eines Fahrzeuges ausgebildet sind. Der Begriff Mantelfläche impliziert insofern nicht zwingend eine zylinderartige Innenform und/oder Außenform und umfasst insofern auch eine Stirnfläche bei einer ebenen oder gewölbten Innenform und/oder Außenform.
Nach einer bevorzugten Weiterbildung umfasst das Verfahren den Schritt, nach dem Einbringen der Trennmembran, Verspannen der Innenform und der Außenform gegeneinander, bis dass der Formraum ausgebildet ist. Außenform und Innenform sind bevorzugt ausgeführt, dass der Formraum nach dem Verspannen druckdicht ist. Die Presse weist bevorzugt ein Pressengestell auf, insbesondere ein C-Gestell, welches einen oberen horizontalen C-Schenkel, einen unteren horizontalen C-Schenkel und eine vertikale C-Basis aufweist, die den oberen C-Schenkel und den unteren C-Schenkel miteinander verbindet.
Die Innenform ist bevorzugt ortsfest an dem unteren horizontalen C-Schenkel als Unterwerkzeug und die Außenform über einen Presszylinder an dem oberen C-Schenkel als Oberwerkzeug derart abgestützt, dass durch Betätigen des Presszylinders die Innenform und die Außenform gegeneinander verspannt werden können, bis dass der Formraum ausgebildet ist. Das C-Gestell ist bevorzugt in Rahmenbauweise ausgeführt, wobei in Längsrichtung hintereinander mehrere C-förmig ausgebildete und miteinander verbundene Pressenrahmen vorgesehen sein können. Die einzelnen Pressenrahmen sind bevorzugt mit Spannelementen miteinander verbunden. Neben einer zuvor beschriebenen Oberkolbenpresse, bei der der Presszylinder an dem oberen C-Schenkel abgestützt ist, kann die Presse ebenso in Unterkolben-Bauweise ausgefuhrt sein, so dass die Innenform durch die Presszylinder gegen die an dem oberen C-Schenkel vorgesehene Außenform verspannbar ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Innenform und die Außenform zylinderartig und/oder gewölbt ausgebildet sind. Bevorzugt ist die Innenform konvex als Innenunterform und die Außenform konkav als Außenoberform ausgestaltet. Im Falle einer Presse kann die Innenform das Unterwerkzeug und die Außenform das Oberwerkzeug darstellen. Noch weiter bevorzugt schließen bei geschlossenem Formraum die aufeinander aufliegende Innenform und Außenform an ihren Rändern druckdicht und/oder abdichtend ab und/oder liegen an ihren Rändern berührend aufeinander auf. In diesem Zusammenhang weist das Verfahren bevorzugt den weiteren Schritt auf: Aufsetzen der Außenform auf die Innenform derart, dass Außenform und Innenform an ihren Rändern abdichtend zum Ausbilden des Formraums aufeinander aufliegen und/oder Fixieren und/oder Verspannen der aufeinander aufliegenden Außenform und Innenform gegeneinander, insbesondere mittels der Presse.
Nach einer bevorzugten Weiterbildung umfasst das Verfahren den weiteren Schritt Beaufschlagen der Kavität mit dem Thermoöl mit der Temperatur > 250 °C, > 300 °C oder > 400 °C, derart, dass das Thermoöl mit dem Druck > 20 bar, > 30 bar oder > 40 bar auf die Trennmembran einwirkt, und/oder, nach einer vorgegebenen Zeitspanne, Kühlen des Thermoöls auf eine Temperatur < 150 °C, < 200 °C oder < 250 °C. Bevorzugt erfolgt das Beaufschlagen der Kavität mit dem Thermoöl mit der Temperatur von 350 °C bis 410 °C und das Kühlen des Thermoöls auf 30 °C.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung sieht das Verfahren insbesondere vor, dass während eines Umformens der mit der Matrix imprägnierten Faser in der Kavität keine drucklose Phase vorliegt. Dies bedeutet in andern Worten, dass der Druck des Thermoöls, nachdem die Kavität mit dem Thermoöls beaufschlagt wurde, bis zum Ende des Herstellungsprozesses aufrechterhalten bleibt.
Während das Verfahren grundsätzlich mit beliebigen mit der Matrix imprägnierten Faser durchgefuhrt werden kann, sind die Fasern bevorzugt als Glasfasern, Aramidfasem und/oder Karbonfasem bzw. Kohlefasem ausgeführt. Ganz besonders bevorzugt ist die mit der Matrix getränkte Faser als Faser-Matrix-Halbzeug, als F aserverbundwerkstoff und/oder als Organoblech ausgeführt, wobei diese Begriffe im Rahmen der Erfindung teils synonym verwendet werden. Die mit der Matrix imprägnierte Faser ist bevorzugt als eine mit einer thermoplastischem Kunststoffmatrix getränkte Faser und/oder als glasfaserverstärktes Aluminium, auch GLARE, als Hybridwerkstoff ausgeführt. Glasfaserverstärktes Aluminium weist in der Regel viele, jeweils nur wenige Zehntel Millimeter dicke Schichten auf, welche abwechselnd aus Aluminium und einem Glasfaserlaminat, beispielsweise glasfaserverstärkter Kunststoff, ausgeführt sind.
Die Faser kann ein sogenanntes Prepregmaterial umfassen und/oder als Tape ausgebildet sein. Bevorzugt wird die Faser als Endlosmaterial bereitgestellt. Bei der Matrix kann es sich um eine Epoxidharz- oder Thermoplastmatrix wie auch Mischungen derselben handeln. Beispielsweise kann die Matrix Polyphenylensulfide, Polyaryletherketone, oder Polyetheretherketone als Thermoplaste umfassen. Bevorzugt ist die Temperatur wenigs tens 10 °C, 20 °C, 50 °C, 100 °C oder 200 °C größer dem Schmelzpunkt der Matrix. Der Druck ist bevorzugt wenigstens 10 bar, 20 bar, 30 bar oder 40 bar größer dem Umgebungsdruck. Weiter bevorzugt wird die Faser vor dem Einbringen oder Ablegen in die Innenform mit der Matrix imprägniert und/oder getränkt. Im Rahmen der Erfindung, beispielsweise in der F igurenbeschreibung, werden die Begriffe mit der thermoplastischen Kunststoffmatrix getränkte Faser und mit der Matrix imprägnierte Faser synonym verwendet. Das Prepregmaterial hat bevorzugt eine Dicke von 180 pm, wobei darin enthaltene Kohlefasem bevorzugt eine Dicke zwischen 6 und 9 pm aufweisen.
Weiter bevorzugt kann die mit der Matrix imprägnierte Faser als Fasergelege oder Gewebe ausgestaltet sein, bei dem V erstärkungsfasem in einer Kunststoffinatrix eingebettet sind. Ebenso kann ein Fadengelege als Faser vorgesehen sein, insbesondere als monoaxiales oder unidirektionales Fadengelege, welches durch Fixieren einer Schar von parallelen Fäden erhalten werden kann, als biaxiales Fadengelege, bei welchem zwei Scharen von parallelen Fäden in Richtung von zwei Achsen fixiert werden sind, oder als multiaxiales Fadengelege, bei dem mehrere Scharen aus parallelen Fäden in Richtung verschiedener Achsen fixiert werden. Gegenüber Geweben zeichnen sich Gelegen durch eine höhere Festigkeit bedingt durch Wegfall der bei Geweben unvermeidbaren Ondulation aus. Ferner kann bei Geweben eine Mehrzahl von Bindungsarten wie Leinenbindung oder Köperbindung beinhaltet sein.
Die vordefinierte Zeitspanne kann 1 Minute, 10 Minuten, 1 Stunde oder 5 Stunden umfassen. Beim Kühlen des Thermoöls zum Aushärten des Bauteils hat das Thermoöl bevorzugt eine Temperatur von < 150 °C oder < 100 °C. Ganz besonders bevorzugt wird zum Erhitzen bzw. Aufschmelzen des Organoblechs, also beim Beaufschlagen der Kavität mit dem Thermoöl mit der Temperatur größer dem Schmelzpunkt der Matrix und beim darauffolgenden Kühlen des Organoblechs das gleiche Thermoöl verwendet. Mit anderen Worten wird das in der Kavität befindliche Thermoöl bevorzugt während eines Pumpvorgangs gekühlt und wiederum der Kavität zugeführt, während das Thermoöl weiterhin mit dem Druck > 20 bar auf die Trennmembran einwirkt. Druck- und/oder Tempe- raturkurve steigen während des Erhitzern und/oder Abkühlens bevorzugt parallel an und ab.
Nach einer bevorzugten Weiterbildung umfasst das Verfahren den Schritt Vorheizen der Außenform und/oder der Innenform auf eine Grundtemperatur, insbesondere vor dem Einbringen der mit der Matrix imprägnierten Faser. Dazu können in der Außenform und/oder der Innenform Heiz- und/oder Kühlkanäle zum Temperieren der jeweiligen Form vor und/oder während des Aushärtens vorgesehen sein. Die Heizkanäle und/oder Kühlkanäle verlaufen bevorzugt in axialer Richtung in regelmäßigen Abständen und/oder verteilt über die gesamte Mantelfläche der jeweiligen Form. Zum Beaufschlagen der Kavität mit dem Thermoöl sind bevorzugt Zufuhrkanäle für das Thermoöl vorgesehen, welche sich in radialer Richtung durch die Außenform hindurch erstrecken.
Nach einer noch weiter bevorzugten Ausgestaltung umfasst das Verfahren den Schritt Beaufschlagen der Mantelfläche der Innenform mit einem Unterdrück. Bevorzugt ist die Innenform in regelmäßigen Abständen entlang der Mantelfläche mit einer Mehrzahl Unterdruckkanäle versehen, die sich in radialer Richtung durch die Unterform hindurch erstrecken können und/oder mit einer Vakuumpumpe verbunden sind, durch die der Unterdrück erzeugbar ist. In analoger Weise kann eine Heiz- und/oder Kühleinrichtung vorgesehen sein, um die Außenform und/oder die Innenform mittels der Heiz- und/oder Kühlkanäle auf die Grundtemperatur vorzuheizen bzw. zu kühlen.
Nach einer noch weiter bevorzugten Ausgestaltung umfasst das Verfahren den Schritt Einbringen eines Stringers, eines Spants und/oder einer Aufdickung in eine Aussparung der Innenform, insbesondere vor dem Einbringen der mit der Matrix imprägnierten Faser. Stringer, Spanten bzw. Aufdickungen können lokale Verstärkungen, beispielsweise für Fenster-, Türen- und/oder Klappenöffnungen bei einem Flugzeug, und/oder Strukturaussteifungen darstellen, die durch den vorgeschlagenen V erfahrensschritt beim Herstellen des Formteils mit eingebracht werden können. Beim Aufschmelzen des Organoblechs durch Beaufschlagen der Kavität mit dem Thermoöl mit der Temperatur größer dem Schmelzpunkt der Matrix werden V erbindungskontaktflächen der Stringer, Spanten bzw. Aufdickungen aufgeschmolzen und derart mit dem Organoblech verbunden. Die Aussparung ist bevorzugt derart beispielsweise durch einen Fräsvorgang ausgestaltet, dass bei in die Aussparung eingelegtem Stringer, Spant bzw. Aufdickung dieser bündig mit der Mantelfläche der Innenform abschließt. Der Stringer, der Spant bzw. die Aufdickung wird bevorzugt als vorgefertigtes und konsolidiertes Bauteil in die Aussparung eingesetzt.
Nach einer bevorzugten Weiterbildung umfasst das Verfahren den Schritt Kühlen der Innenform auf eine Temperatur < 150 °C, < 200 °C oder < 250 °C oder nach dem vorhergehenden Schritt Kühlen der Innenform auf eine Temperatur < 150 °C, < 200 °C oder < 250 °C im Bereich des Stringers, des Spants und/oder der Aufdickung. Bevorzugt sind dazu im Bereich des Stringers, des Spants und/oder der Aufdickung eine Mehrzahl sich axial durch die Innenform erstreckende Zufuhrkanäle vorgesehen, die sich um die Aussparung herum anordnen. Derart lässt sich sicherstellen, dass der in der Aussparung vorgesehene Stringer, Spant und/oder die Aufdickung durch das erhitzte Thermoöl bedingt zwar an der jeweiligen V erbindungskontaktfläche aufschmilzt der verbleibende Teil des Stringers, des Spants bzw. der Aufdickung jedoch unterhalb einer Aufweichungstemperatur verbleibt.
Nach einer bevorzugten Weiterbildung umfasst das Verfahren den Schritt Einbringen einer Trennfolie zwischen der mit der Matrix imprägnierten Faser und der Trennmemb ran. Bevorzugt wird die Trennfolie vor dem Einbringen der Trennmembran und nach dem Einbringen der mit der Matrix imprägnierten Faser eingebracht. Die Trennfolie wirkt als Antihaftschicht und ermöglicht, nach dem Kühlen der mit der Matrix imprägnierten Faser, ein einfaches Lösen der Trennmembran von der mit der Matrix imprägnierten Faser.
Um nach dem Kühlen die ausgehärtete mit der Matrix imprägnierte Faser ebenso einfach von der Innenform lösen zu können, umfasst das Verfahren nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung den Schritt Aufbringen insbesondere Sprühen eines Trennmittels auf die Innenform und/oder die Außenform vor dem Einbringen der mit der Matrix imprägnierte Faser.
Bezüglich weiterer Vorteile und technischer Merkmale des Verfahrens zum Herstellen des Bauteils aus dem F aserverbundwerkstoff wird auf die Vorrichtung zum Herstellen des Bauteils aus dem Faserverbundwerkstoff, die Figuren und die weitere Beschreibung verwiesen.
Die Aufgabe der Erfindung wird weiterhin durch eine Vorrichtung zum Herstellen eines Bauteils aus einem F aserverbundwerkstoff, mit einer Innenform, auf der eine mit einer Matrix imprägnierten Faser aufgebracht ist, einer Trennmembran, die auf der mit der Matrix imprägnierten Faser aufgebracht ist, einer Außenform, die auf der Innenform mit der darauf aufgebrachten mit der Matrix imprägnierten Faser und der Trennmembran derart abdichtend aufliegt, dass entlang der Mantelfläche der Außenform eine Kavität gebildet ist, und einer Thermoöltemperier- und Druckeinrichtung, welche ausbildet ist, die Kavität mit einem Thermoöl mit einer Temperatur größer dem Schmelzpunkt der Matrix und mit einem Druck größer Umgebungsdruck derart zu beaufschlagen, dass das Thermoöl mit dem Druck auf die Trennmembran einwirkt, wobei die Trennmembran und die Außenform ausgeführt sind, eine magnetische Wechselwirkung aufzubauen, mittels derer die Trennmembran an der Außenform fixierbar ist.
Bevorzugt wird mit der hier beschriebenen Vorrichtung das Verfahren zum Herstellen des Bauteils aus dem Faserverbundwerkstoff durchgefuhrt. Insbesondere ist bei der Vorrichtung vorgesehen, dass die Trennmembran derart in die Außenform eingebracht wird, dass sich zwischen der Außenform und der Trennmembran die sich entlang der Mantelfläche der Außenform erstreckende Kavität bildet. Bevorzugt ist die Trennmembran an der Außenform fixiert, insbesondere mittels der magnetischen Wechselwirkung. Durch die vorgeschlagene Vorrichtung lassen sich Bauteile für Flugzeuge, Schiffe und Fahrzeuge in sogenannter „Baguette“-Bauweise herstellen, indem zum einen eine Oberschale und zum anderen eine Unterschale des Bauteils nacheinander in der Vorrichtung hergestellt werden. Die insbesondere mit einer thermoplastischen Kunststoffmatrix getränkte Faser wird, eingebettet zwischen der Innenform und der Außenform, durch das Thermoöl einerseits erhitzt und andererseits mit Druck beaufschlagt, so dass nach dem darauf folgenden Abkühlen das Bauteil erhalten wird. Die Vorrichtung kann als Presse ausgestaltet sein, um ein präzises Bewegen, das heißt Öffnen und Schließen, der Innenform und Außenform zu erreichen. Die Innenform und die Außenform sind bevorzugt ausgestaltet, dass bei geschlossener Presse die Formen an ihren Rändern berührend aufeinander aufliegen und derart den durch die Formen gebildeten Formraum abdichtend abschließen. Ebenso können Innenform und Außenform mit Spannseilen umwickelt oder anderweitig fixiert werden, um den Formraum auszubilden. Ein wesentlicher Punkt der Erfindung liegt darin, dass die Trennmembran und die Außenform ausgeführt sind, die magnetische Wechselwirkung aufzubauen, mittels derer die Trennmembran an der Außenform fixierbar ist. Hierrüber wird das Einbringen der Trennmembran in die Außenform erleichtert bzw. bei nicht gekrümmten Außenformen ermöglicht.
Zwecks Ausbildung der magnetischen Wechselwirkung zwischen Trennmembran und Außenform ist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung vorgesehen, dass die Außenform einen Elektromagneten und/oder ein magnetisiertes hartmagnetisches Material umfasst und die Trennmembran ein magnetisierbares Material umfasst und/oder die Außenform ein magnetisierbares Material und die Trennmembran ein magnetisiertes hartmagnetisches Material umfasst.
Das Ausbilden der magnetischen Wechselwirkung zwischen der Trennmembran und der Außenform kann auf unterschiedliche Arten umgesetzt werden. So kann beispielsweise die Trennmembran ferroelektrisches oder ferrielektrisches Material mit einer großflächigen Hysteresekurve umfassen, also hartmagnetisches Material, das mittels eines Magnetfeldes derart magnetisiert worden ist, dass auch nach Rückgang des Magnetfeldes die Trennmembran eine makroskopische Magnetisierung aufweist. Die Trennmembran kann also magnetisiertes hartmagnetisches Material umfassen oder daraus ausgeführt sein und umfasst in diesem Fall einen Dauermagneten oder bildet diesen Dauermagneten. Als Gegenstück dazu kann die Außenform magnetisierbares Material umfassen, also ebenfalls ferroelektrisches oder ferrielektrisches Material. Das Material der Außenform kann dabei aber auch weichmagnetische Eigenschaften aufweisen, was bedeutet, dass es sich durch ein Magnetfeld leicht magnetisieren lässt, diese Magnetisierung aber auch wieder nach Rückgang des Magnetfeldes leicht verliert.
Alternativ ist es möglich, die oben beschriebene Variante umzukehren. Demnach kann die Außenform magnetisiertes hartmagnetisches Material umfassen, also als Dauermagneten auszugestalten sein oder wenigstens einen Dauermagneten umfassen, und die Trennmembran magnetisierbares Material umfassen oder aus diesem ausgestaltet sein. Die Trennmembran kann somit ferroelektrisches oder ferrielektrisches Material umfassen, das auch weichmagnetische Eigenschaften aufweisen kann.
Weiterhin ist es auch möglich, dass die Außenform wie auch die Trennmembran magnetisiertes hartmagnetisches Material umfassen oder aus diesem ausgefiihrt sind und somit die Außenform und die Trennmembran ein Dauermagnet sind bzw. einen Dauermagneten umfassen. Bei dieser Variante ist allerdings darauf zu achten, dass die Pole der Dauermagnete derart zueinander ausgerichtet sind, dass die Trennmembran von der Außenform angezogen wird.
Zur Erzeugung des Magnetfeldes kann nicht nur ein Dauermagnet bzw. magnetisiertes hartmagnetisches Material verwendet werden. Alternativ oder zusätzlich kann das Magnetfeld auch mittels eines Elektromagneten erzeugt werden. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die Außenform wenigstens einen Elektromagneten umfasst und die Trennmembran ein magnetisierbares Material umfasst.
Das magnetisierte hartmagnetische Material kann eine Alnico-Legierung, eine Neodym- Eisen-Bor-Legierung, oder eine Samarium-Cobalt-Legierung umfassen. Bevorzugt wird dabei ein magnetisiertes hartmagnetisches Materialien verwendet, welches auch unter Einsatz der Erhöhten Temperaturen des Thermoöls seine Magnetisierung nicht verliert.
Das magnetisierbare Material kann ein Metall oder ein keramischer Werkstoff, wie bei spielsweise ein Ferrit sein. Bevorzugt wird das magnetisierbare Material derart ausgewählt, dass es eine hohe T emperaturstabilität aufweist. Im Hinblick auf das Ausfuhren der Trennmembran aus einem magnetisierbaren Material ist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung vorgesehen, dass die Trennmembran aus einem magnetisierbaren Stahl ausgefiihrt ist. Bevorzugt ist die Trennmembran aus einem martensitischen Stahl ausgeführt. Besonders bevorzugt aus martensitischem Edelstahl. Der martensitische Stahl kann ein Kohlenstoffmartensit oder ein Nickelmartensit sein. Der Kohlenstoffmartensit umfasst als Hauptlegierungsbestandteil bevorzugt Chrom und Kohlestoff, der Nickelmartensit umfasst als Hauptlegierungsbestandteil bevorzugt Nickel. Weiter bevorzugt umfasst die Trennmembran einen martensitischen hochlegierten Stahl. Besonders bevorzugt umfasst die Trennmembran einen Stahl der Sorte CrNiCuTi 15 7. Bevorzugt betragen die Masseanteil im Stahl für Kohlenstoff 0,08%, für Silizium 1,5%, für Mangan 1,0%, für Chrom 14%, für Nickel 7% für Kupfer 0,7%, für Titan 0,3% und für Molybdän 0.8%. Weiter bevorzugt kann als Trennmembran ein Teil eines magnetisierbaren Endlosstahlbandes verwendet werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Thermo- öltemperier- und Druckeinrichtung ausbildet ist, die Kavität derart mit dem Thermoöl zu beaufschlagen, dass sich die aufgrund der magnetischen Wechselwirkung an der Außenform fixierte Trennmembran von der Außenform löst. Dies bedeutet, dass die Kraft, die durch den Druck des Thermoöls auf die Trennmembran erzeugt wird, größer ist als die Kraft, die aufgrund der magnetische Wechselwirkung zwischen der Trennmembran und der Außenform auf die Trennmembran wirkt. Die Trennmembran kann somit auf einfache Weise von der Außenform gelöst werden.
Nach einer bevorzugten Weiterbildung umfasst die mit der Matrix imprägnierte Faser eine vorkonsolidierte Halbzeugschale und/oder vorkonsolidierte Einzellagen. Die insbesondere mit der thermoplastischen Kunststoffmatrix getränkte Faser kann zudem ein Fasergewebe und/oder ein Fasergelege umfassen, die in die thermoplastische Kunststoffmatrix eingebettet sind. Bei Geweben und Gelegen können Fasern rechtwinkelig zueinander verlaufen, um mechanische Eigenschaften wie Steifigkeit, Festigkeit und/oder W ärmeausdehnung gegenüber als aus dem Stand der Technik bekannten Materialien wie Metallblechen besser zu definieren.
Zur Ausgestaltung der Innenform und/oder der Außenform existieren grundsätzlich verschiedene Möglichkeiten. Nach einer besonders bevorzugten Weiterbildung sind die Innenform und/oder die Außenform aus Invar ausgestaltet. Invar ist eine Eisen-Nickel- Legierung mit einem sehr geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten, so dass sich eine so gestaltete Innenform und/oder Außenform durch eine äußerst geringe Ausdehnung aufgrund der durch das Thermoöl hervorgerufenen Temperaturänderung auszeichnet. Somit ändern sich die Abmessungen der Außenform bzw. der Innenform beim Aufheizen bzw. Abkühlen kaum. Weiterhin ist Invar magnetisierbar. Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Innenform und/oder die Außenform eben, oder weist eine Krümmung mit einem Krümmungsradius > 4 m, bevorzugt > 8 m, besonders bevorzugt > 15 m auf. Die Innenform und/oder Außenform kann also eben sein oder eine sehr geringe Krümmung, sprich einen sehr großen Krümmungsradius aufweisen. Die magnetische Wechselwirkung zwischen der Trennmembran und der Außenform stellt ein einfaches und fehlerfreies Einbringen der Trennmembran in die Außenform sicher.
Weiter bevorzugt ist die die Innenform und/oder die Außenform zylinderförmig und weist eine Zylinderhöhe bzw. eine Längserstreckung von > 10 m und < 50 m, insbesondere > 10 m und < 15 m, und/oder einen Zylinderdurchmesser bzw. eine Quererstreckung von > 3 m und < 10 m, insbesondere 6 m, auf. Bei vorgenannter Dimensionierung der Innenform und/oder der Außenform lassen sich mittels des vorgeschlagenen Verfahrens bzw. der vorgeschlagenen Vorrichtung große Bauteile für Flugzeuge, Schiffe und Fahrzeuge ausbilden, die bei einer Materialdicke von 2 mm einen Durchmesser von beispielsweise 6 m und eine Länge, als Zylinderhöhe, von 15 m aufweisen.
In diesem Zusammenhang ist nach einer bevorzugten Weiterbildung vorgesehen, dass die Innenform und/oder die Außenform ausgebildet ist, ein Bauteil eines Flugzeugs, Schiffs oder Fahrzeugs auszuformen. Die Innenform und/oder die Außenform sind dazu bevorzugt als Negativform ausgebildet.
Weiter bevorzugt ist die Thermoöltemperier- und Druckeinrichtung ausbildet, die Kavität mit dem Thermoöl mit der Temperatur > 250 °C, > 300 °C oder > 400 °C derart zu beaufschlagen, dass das Thermoöl mit dem Druck > 20 bar, > 30 bar oder > 40 bar auf die Trennmembran einwirkt, und/oder, nach einer vorgegebenen Zeitspanne, das Thermoöl auf eine Temperatur < 150 °C, < 200 °C oder < 250 °C zu kühlen.
Nach einer bevorzugten Weiterbildung wird die Kavität derart mit dem Thermoöl beaufschlagt, dass das Thermoöl auf die gesamte Trennmembran mit dem Druck größer Umgebungsdruck, > 20 bar, > 30 bar oder > 40 bar einwirkt, und/oder beim Kühlen des Thermoöls der Druck auf die Trennmembran weiterhin größer Umgebungsdruck, > 20 bar, > 30 bar oder > 40 bar ist. In diesem Zusammenhang ist weiter bevorzugt, dass die Kavität zwischen der Außenform und der Trennmembran entlang der Mantelfläche eine Dicke von > 1 mm und < 10 mm, insbesondere > 2 mm und < 5 mm, aufweist und/oder die Kavität an jeder Stelle der Trennmembran eine gleich große Dicke aufweist. Derart lässt sich erreichen, dass an jeder Stelle auf die mit der Matrix imprägnierte Faser ein gleich großer oder annähernd gleich großer Druck ausgeübt wird, der im Wesentlichen in Richtung der jeweiligen Normalen der Trennmembran, der mit der Matrix imprägnierte Faser und/oder der Mantelfläche der Innenform wirkt.
Da sowohl beim Beaufschlagen des Thermoöls mit der Temperatur größer dem Schmelzpunkt, > 250 °C, > 300 °C oder > 400 °C sowie beim darauf folgenden Kühlen des Thermoöls auf < 150 °C, < 200 °C oder < 250 °C der Druck größer Umgebungsdruck, > 20 bar, > 30 bar oder > 40 bar beträgt, existiert während des Umformens bevorzugt keine drucklose Phase. Die insbesondere mit der thermoplastischen Kunststoffmatrix getränkte Faser weist bevorzugt eine vergleichbare Dicke wie die Kavität auf, so dass das Thermoöl aufgrund seiner wesentlich höheren thermischen Kapazität ausreicht, um den Schmelzvorgang zum Umformen der insbesondere mit der thermoplastischen Kunststoffmatrix getränkten Faser herbeizuführen. Die Thermoöltemperier- und Druckeinrichtung weist bevorzugt eine Heizeinrichtung, eine Kühleinrichtung und/oder eine Pumpe auf, um das Thermoöl auf die vorgenannten Temperaturen zu erhitzen bzw. zu kühlen, das in die Kavität eingeführte, erhitzte Thermoöl abzupumpen, abzukühlen und wiederum in die Kavität gekühlt einzuführen, und/oder um den vorgenannten Druck aufzubauen.
Bezüglich weiterer Vorteile und technischer Merkmale der Vorrichtung zum Herstellen des Bauteils aus dem Faserverbundwerkstoff wird auf das Verfahrens zum Herstellen des Bauteils aus dem F aserverbundwerkstoff, auf die Figuren und die weitere Beschreibung verwiesen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
In den Zeichnungen zeigen
Fig. 1 eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens zum Herstellen eines
Bauteils aus einem F aserverbundwerkstoff gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer schematischen Perspektivansicht, und
Fig. 2 einen Ausschnitt der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung mit Innenform und Außenform in einer schematischen Schnittansicht.
Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbespiele
Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung in Form einer C-Rahmenpresse zum Ausfuhren eines Verfahrens zum Herstellen eines Bauteils eines Flugzeugs aus Organoblech als Faserverbundwerkstoff. Die C-Rahmenpresse weist ein als C-Gestell 2 ausgestaltetes Pressengestell mit einem oberen horizontalen C-Schenkel 3, einem unteren horizontalen C- Schenkel 4 sowie einer vertikalen C-Basis 5 auf, die den oberen C-Schenkel 3 und den unteren C-Schenkel 4 miteinander verbindet. Die Presse ist in Rahmenbauweise ausge- fuhrt und weist eine Mehrzahl in Längsrichtung der Presse hintereinander angeordneten und jeweils C-förmig ausgebildeten und miteinander verbundenen Pressenrahmen 6 auf.
Auf den unteren C-Schenkel 4 aufgestützt ist eine zylinderartige Innenform 7 vorgesehen. Die Innenform 7 ist konvex ausgeführt und im Querschnitt halbkreisartig mit einem Zylinderdurchmesser von 6 m ausgestaltet. In Längsrichtung erstreckt sich die Innenform 7 zwischen ihren Enden mit einer Zylinderhöhe von 15 m. Oberhalb der Innenform 7 ist eine zu der Innenform 7 kongruente also ebenso zylinderartige und entsprechend konkav ausgefuhrte Außenform 8 vorgesehen. Mehrere Presszylinder 9, sind an den oberen C- Schenkeln 3 abgestützt und wirken auf die Außenform 8 ein. Derart lässt sich die Außenform 8 durch die Presszylinder 9 im Sinne eines Laufholms in vertikale Richtung bewe- gen, um den Formraum zwischen der Innenform 7 und der Außenform 8 zu öffnen bzw. zu schließen. Im offenen Zustand, wie in Figur 1 abgebildet, lässt sich das Bauteil 1 aus der so ausgestalteten Vorrichtung herauszunehmen, angedeutet durch Pfeil 10.
Unter Verweis auf den in Fig. 2 dargestellten Ausschnitt von aufeinander aufliegender Innenform 7 und Außenform 8 als schematische Schnittansicht wird zunächst in der in Fig. 1 gezeigten Situation, in der die Außenform 8 beabstandet zu der Innenform 7 ist, ein Trennmittel 11, angedeutet in Fig. 2, auf die Innenform 7 aufgesprüht. Daraufhin wird eine mit einer thermoplastischen Kunststoffmatrix getränkte Faser, insbesondere eine Glasfaser, Aramidfaser und/oder Kohlefaser, als vorkonsolidierte Halbzeugschale oder in vorkonsolidierten Einzellagen als sogenanntes Organoblech auf die Innenform 7 aufgebracht, so dass das Organoblech 7 die gesamte Mantelfläche 12 der zylinderartigen Innenform 7 bis zu den Rändern der Innenform 7 bedeckt. In einem optionalen Schritt wird eine Trennfolie 13 als Antihaftschicht auf die mit der thermoplastischen Kunststoffmatrix getränkten Faser 1 aufgebracht.
Ebenfalls in geöffnetem Zustand wird eine magnetisierbare Trennmembran 14a in die Außenform 8 eingebracht. Da es sich im hier gezeigten Ausführungsbeispiel um eine Presse handelt, bei der die Außenform 8 oberhalb der Innenform 7 als Außenoberform ausgeführt ist, wird die Trennmembran 14a kopfüber in die Außenform 8 eingebracht.
Die Außenform weist drei zueinander regelmäßig beabstandete Elektromagneten 24 auf, die in die Außenform 8 derart eingebracht sind, dass sie bünding mit der dem Fromraum zugewandten Oberfläche der Außenform 8 abschließen. Durch Beaufschlagen der Elektromagneten 24 mit einem Strom wird ein Magnetfeld erzeugt, so dass die Trennmembran 14a an die Außenform angezogen wird. Die Trennmembran besteht aus martensitischem Stahl, der sich mittels des Magnetfeldes leicht magnetisieren lässt, konkret um hochlegierten Stahl der Sorte CrNiCuTi 15 7. Mittels der magnetischen Wechselwirkung zwischen dem von den Elektromagneten 24 erzeugtem Magnetfeld und der magnetisierbaren Trennmembran 14a wird die Trennmembran 14a an der Außenform 8 fixiert.
Daraufhin wird der Formraum zwischen der Innenform 7 und der Außenform 8 geschlossen. Zwischen der Außenform 8 und der Trennmembran 14a ist eine sich entlang der Mantelfläche 14 der Außenform 8 erstreckende Kavität 15 gebildet. Die Kavität erstreckt sich derart über die gesamte Mantelfläche 14 der Außenform 8 und weist eine annähernd gleichbleibende Dicke zwischen 2 und 5 mm auf. Innenform 7 und Außenform 8 sind aus Invar Eisen-Nickel-Legierung ausgefuhrt und ausgestaltet, dass, wenn die Außenform 8 wie in Fig. 2 gezeigt auf der Innenform 7 unter Ausbildung der Kavität 15 aufliegt, Innenform 7 und Außenform 8 an den Rändern ihrer jeweiligen Mantelflächen 12, 14 abdichtend abgeschlossen sind bzw. berührend aufeinander aufliegen.
Die Vorrichtung weist eine Thermoöltemperier- und Druckeinrichtung 16 auf, welche zum einen ausgebildet ist, die Kavität 15 mit einem Thermoöl 17 mit einer Temperatur >400 °C zu beaufschlagen, so dass aufgrund des Thermoöls 17 ein Druck von etwa 40 bar auf die Trennmembran ausgeübt wird. Da sich das Thermoöl 17 innerhalb der Kavität 15 entlang der gesamten Mantelfläche 14 der Außenform 8 frei verteilen kann, wirkt an jeder Stelle der Trennmembran 14a der Druck von 40 bar in Richtung der Normalen der Mantelfläche 12 der Innenform 7 bzw. zur Erstreckungsrichtung der mit der thermoplastischen Kunststoffmatrix getränkten Faser 1.
Das Thermoöl 17 dient also als Druck- und Heizmedium, um allseitig über die Trennmembran 14a einen gleich bleibenden Konsolidierungsdruck auf die mit der thermoplastischen Kunststoffmatrix getränkten Faser auszuüben sowie um eine gezielte, gleichmäßige Erwärmung der mit der thermoplastischen Kunststoffmatrix getränkten Faser 1. Durch das Thermoöl mit seiner gegenüber mit der thermoplastischen Kunststoffmatrix getränkten Faser 1 wesentlich höheren thermischen Kapazität wird derart der Schmelzvorgang des mit der thermoplastischen Kunststoffmatrix getränkten Faser herbeigeführt. Nach einer vorgegeben Zeitspanne wird das Thermoöl 17 durch die Thermoöltemperier- und Druckeinrichtung 16 auf eine Temperatur < 200 °C bei gleich bleibendem Druck abgekühlt, um das Bauteil 1 zu erhalten.
Zum Einbringen des Thermoöls 17 in die Kavität 15 sind in der Außenform 8 verschiedene Zufuhrkanäle 18 vorgesehen, die sich radial durch die Außenform 8 hindurch erstrecken. Zum Heizen bzw. Kühlen sind in der Innenform 7 sowie in der Außenform 8 sich axial erstreckende Heiz- und/oder Kühlkanäle 19 vorgesehen, wodurch eine Vorheizung, Kühlung und/oder T emperaturführung der entsprechenden Form möglich ist. Durch einen in der Innenform 7 vorgesehenen, sich radial durch die Innenform 7 erstre- ckenden Vakumierkanal 20 lässt sich die Mantelfläche 12 der Innenform 7 mit Unterdrück beaufschlagen.
In der Innenform 7 sind Aussparungen 21 vorgesehen, in die, wie aus Fig. 2 zu erkennen ist, ein Stringer 22, links, sowie eine Aufdeckung 23, rechts, eingebracht sind. Angrenzend an die jeweiligen Aussparungen 21 sind mehrere Kühlkanäle 19 angeordnet, die die jeweilige Aussparung 19 umgrenzen. Während V erbindungskontaktflächen des Stringers 22 bzw. der Aufdeckung 23 durch das Thermoöl 17 aufschmelzen und sich mit der mit der thermoplastischen Kunststoffmatrix getränkten Faser 1 verbinden können, dienen die um die Aussparung 21 herum angeordneten Kühlkanäle 19 zur Kühlung des Stringers 22 bzw. der Aufdeckung 23, damit diese unter einer Aufweichungstemperatur verbleiben.
Nach Aushärten des Formteils 1 lässt sich, wie in Fig. 1 gezeigt, die Außenform 8 anheben und das Formteil 1 aus dem durch Innenform 7 und Außenform 8 gebildeten Formraum entnehmen. Innenform 7 und Außenform 8 können ausgestaltet sein, eine Flug- zeugrumpfhälfte auszuformen, wie in Fig. 1 gezeigt, wobei es jedoch ebenso möglich ist, jegliche anderen Teile, beispielsweise ein Bauteile für Schiffe oder Fahrzeuge mittels des vorgeschlagenen Verfahrens sowie der Vorrichtung in besonders einfacher Weise auszuformen.
Die über die magnetische Wechselwirkung an der Außenform 8 fixierte Trennmembran 14a lässt sich von der Außenform 8 lösen, in dem der Strom in den Elektromagneten 24 verringert oder ausgeschaltet wird, so dass sich das von den Elektromagneten 24 erzeugte Magnetfeld abschwächt oder gar nicht mehr vorhanden ist. Alternativ oder zusätzlich kann der Druck des Thermoöls 17 erhöht werden. Dadurch wird die Trennmembran 14a von der Außenform 8 und von den Elektromagneten 24 weggedrückt. Der Abstand zwischen der Trennmembran 14a und dem magnetfelderzeugenden Elektromagneten 24 vergrößert sich, so dass sich die Magnetfeldstärke, die nun auf die Trennmembran 14a wirkt, verringert und sich die Trennmembran 14a löst oder abgelöst werden kann.
Die beschriebenen Ausführungsbeispiele sind lediglich Beispiele, die im Rahmen der Ansprüche auf vielfältige Weise modifiziert und/oder ergänzt werden können. Jedes Merkmal, das für ein bestimmtes Ausführungsbeispiel beschrieben wurde, kann eigen- ständig oder in Kombination mit anderen Merkmalen in einem beliebigen anderen Ausführungsbeispiel genutzt werden. Jedes Merkmal, dass für ein Ausführungsbeispiel einer bestimmten Kategorie beschrieben wurde, kann auch in entsprechender Weise in einem Ausführungsbeispiel einer anderen Kategorie eingesetzt werden.
Bezugszeichenliste
Bauteil, mit einer Matrix imprägnierte Faser 1
C-Gestell 2 Oberem C-Schenkel 3
Unteren C-Schenkel 4
C-Basis 5
Pressenrahmen 6
Innenform 7 Außenform 8
Presszylinder 9
Pfeil 10
Trennmittel 11
Mantelfläche (der Innenform) 12 Trennfolie 13
Mantelfläche (der Außenform) 14
Trennmembran 14a
Kavität 15
Thermoöltemperier- und Druckeinrichtung 16 Thermoöl 17
Zufuhrkanal 18
Heiz- und/oder Kühlkanal 19
Vakumierkanal 20
Aussparung 21 Stringer 22
Aufdickung 23
Elektromagnet 24

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Herstellen eines Bauteils (1) aus einem F aserverbundwerkstoff, mit den Schritten:
Einbringen einer mit einer Matrix imprägnierten Faser (1) auf eine Innenform (7) eines zwischen der Innenform (7) und einer Außenform (8) gebildeten Formraums,
Einbringen einer Trennmembran (14a) in die Außenform (8) derart, dass sich zwischen der Außenform (8) und der Trennmembran (14a) eine sich entlang der Mantelfläche (14) der Außenform (8) erstreckende Kavität (15) bildet, und
Beaufschlagen der Kavität (15) mit einem Thermoöl (17) mit einer Temperatur größer dem Schmelzpunkt der Matrix und mit einem Druck größer Umgebungsdrack derart, dass das Thermoöl (17) mit dem Druck auf die Trennmembran (14a) einwirkt, wobei die Trennmembran (14a) und die Außenform (8) ausgeführt sind, eine magnetische Wechselwirkung aufzubauen, mittels derer die Trennmembran (14a) an der Außenform (8) fixierbar ist.
2. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, mit dem Schritt
Fixieren der Trennmembran (14a) an der Außenform (8) mittels Beaufschlagen eines in der Außenform (8) vorgesehen Elektromagneten (24) mit einem elektrischen Strom.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit dem Schritt
Lösen der Trennmembran (14a) von der Außenform (8).
4. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Lösen der Trennmembran (14a) von der Außenform (8) ein Verändern eines elektrischen Stroms in einem Elektromagneten (24) und/oder ein Verändern des Druckes des Thermoöls (17) in der Kavität (15) umfasst.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit dem Schritt
Schließen oder Öffnen des zwischen der Innenform (7) und der Außenform (8) gebildeten Formraums.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer die Innenform (7) und die Außenform (8) aufweisenden Presse, wobei die Innenform (7) und/oder die Außenform (8) ausgebildet ist, ein Flugzeugbauteil, ein Schiffsbauteil oder ein Fahrzeugbauteil auszuformen.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Innenform (7) und die Außenform (8) zylinderartig und/oder gewölbt ausgebildet sind.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei während eines Umformens der mit der Matrix imprägnierten Faser (1) in der Kavität (15) keine drucklose Phase vorliegt.
9. Vorrichtung zum Herstellen eines Bauteils (1) aus einem Faserverbundwerkstoff, mit einer Innenform (7), auf der eine mit einer Matrix imprägnierten Faser (1) aufgebracht ist, einer Trennmembran (14a), die auf der mit der Matrix imprägnierten Faser (1) aufgebracht ist, einer Außenform (8), die auf der Innenform (7) mit der darauf aufgebrachten mit der Matrix imprägnierten Faser (1) und der Trennmembran (14a) derart abdichtend aufliegt, dass entlang der Mantelfläche (14) der Außenform (8) eine Kavität (15) gebildet ist, und einer Thermoöltemperier- und Druckeinrichtung (16), welche ausbildet ist, die Kavität (15) mit einem Thermoöl (17) mit einer Temperatur größer dem Schmelzpunkt der Matrix und mit einem Druck größer Umgebungsdruck derart zu beaufschlagen, dass das Thermoöl (17) mit dem Druck auf die Trennmembran (14a) einwirkt, wobei die Trennmembran (14a) und die Außenform (8) ausgeführt sind, eine magnetische Wechselwirkung aufzubauen, mittels derer die Trennmembran (14a) an der Außenform (8) fixierbar ist.
10. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Vorrichtungsanspruch, wobei die Außenform (8) einen Elektromagneten (24) und/oder ein magnetisiertes hartmagnetisches Material umfasst und die Trennmembran (14a) ein magnetisierbares Material umfasst und/oder die Außenform (8) ein magnetisierbares Material und die Trennmembran (14a) ein magnetisiertes hartmagnetisches Material umfasst.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, wobei die Trennmembran (14a) aus einem magnetisierbaren Stahl ausgefuhrt ist.
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden V orrichtungsansprüche, wobei die Thermoöltemperier- und Druckeinrichtung (16) ausbildet ist, die Kavität (15) derart mit dem Thermoöl (17) zu beaufschlagen, dass sich die aufgrund der magnetischen Wech- selwirkung an der Außenform (8) fixierte Trennmembran (14a) von der Außenform (8) löst.
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden V orrichtungsansprüche, wobei die mit der Matrix imprägnierten Faser (1) eine vorkonsolidierte Halbzeugschale und/oder vor- konsolidierte Einzellagen umfasst.
14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden V orrichtungsansprüche, wobei die Innenform (7) und/oder die Außenform (8) aus Invar ausgestaltet ist.
15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden V orrichtungsansprüche, wobei die Innenform (7) und/oder die Außenform (8) eben ist oder eine Krümmung mit einem Krümmungsradius > 4 m, bevorzugt > 8 m, besonders bevorzugt > 15 m aufweist.
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