WO2023247714A1 - Verfahren zur herstellung eines faserverbundbauteils und faserverbund-hohl- bauteils sowie windkraftanlage hierzu - Google Patents

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WO2023247714A1
WO2023247714A1 PCT/EP2023/067011 EP2023067011W WO2023247714A1 WO 2023247714 A1 WO2023247714 A1 WO 2023247714A1 EP 2023067011 W EP2023067011 W EP 2023067011W WO 2023247714 A1 WO2023247714 A1 WO 2023247714A1
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segments
metal
metal hybrid
fiber composite
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PCT/EP2023/067011
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Lutz Beyland
Constantin Bäns
Arne Hindersmann
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Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.
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    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
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    • B29C70/885—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts characterised primarily by possessing specific properties, e.g. electrically conductive or locally reinforced partly or totally electrically conductive, e.g. for EMI shielding with incorporated metallic wires, nets, films or plates
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    • B29D99/0028—Producing blades or the like, e.g. blades for turbines, propellers, or wings hollow blades

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a fiber composite component, wherein the fiber composite component has a base section, at one end of which there is a connecting section which is curved in cross section and which has connecting elements for fastening the fiber composite component to a higher-level structure.
  • the invention also relates to a method for producing a fiber composite hollow component.
  • the invention also relates to a wind turbine with a plurality of rotor blades.
  • fiber composite components Due to the high weight-specific strength, fiber composite components have the property of having a particularly high strength and rigidity at a relatively low weight in the direction specified by the fiber arrangement of the fiber material. Therefore, such fiber composite components are particularly suitable for lightweight construction in order to save energy resources.
  • the use of fiber composite components is therefore becoming increasingly popular not only in aerospace, but also in the automotive industry and in renewable energy technologies, such as wind turbines.
  • the rotor blades of wind turbines are made from fiber composite materials.
  • Fiber composite components are made from a fiber composite material that has a fiber material and a matrix material.
  • the fiber material is or is embedded in the matrix material, so that an integral unit with the fiber material is formed by hardening of the matrix material.
  • Carbon fibers or glass fibers in particular are used as fiber material, while matrix materials in particular use thermoplastic and thermoset matrix plastics Find application.
  • Fiber composite materials can contain other materials in addition to the fiber material and the matrix material.
  • a fiber composite material in the sense of the present invention also includes, in particular, fiber composite hybrid materials which, for example, have additional metal layers or metal foils (for example GLARE).
  • fiber composite components have the disadvantage that their strength and rigidity only work optimally in the fiber direction and connection arrangements with forces orthogonal to the fiber direction can quickly lead to failure of the connection arrangement.
  • fiber-reinforced plastic composites have a lower embedding strength than components made of isotropic materials.
  • the connection area would have to be thickened with additional layers of fiber material, which entails higher manufacturing costs and also contradicts the idea of lightweight construction.
  • connection area consists of several layers of a fiber material, with one or more layers of a reinforcing material, such as titanium, being provided in between.
  • a reinforcing material such as titanium
  • a secure connection technology is required to connect the rotor blades at their blade roots to the hub of the wind turbine (blade connection) or to connect two blade segments together.
  • a T-bolt screw connection is often used, which consists of a longitudinal bolt and a cross bolt that are screwed together.
  • the cross bolt transfers the load via a hole bearing to a corresponding hole in the laminate (hardened matrix material with embedded fiber material) of the rotor blade in connection. coverage area.
  • GRP glass fiber reinforced plastic
  • a closed mold has significantly higher tooling costs, while the use of many thin metal sheets also entails the use of thinner fiber layers, which would make resin flow more difficult and only small infusion routes would be possible.
  • Another disadvantage is that the holes necessary for the connection can only be drilled into large, curved components in the relevant areas, which are made of the fiber-metal hybrid material, with great effort, which makes the manufacturing process more complicated. It is therefore the object of the present invention to provide an improved method for producing a fiber composite component that is curved in the connection area and has a particularly high reveal strength.
  • a method for producing a fiber composite component wherein the fiber composite component has a base section, at one end of which there is a connecting section which is curved in cross section and which has connecting elements for fastening the fiber composite component to a higher-level structure.
  • the process has the following steps:
  • a plurality of elongated fiber-metal hybrid segments are initially provided, which are formed from alternately stacked fiber material layers comprising a fiber material and metal layers comprising a metal material.
  • Each of these segments consists of alternating layers of fiber material and metal material and has a particularly high hole bearing strength.
  • These segments are now used to form the connecting section of the fiber composite component to be produced.
  • the individual segments are introduced into a mold at the position at which the connecting section of the fiber composite component to be produced is located.
  • a fiber material of a fiber composite Material which has a fiber material and a matrix material embedding the fiber material, is introduced into the mold in order to produce a fiber preform from the fiber material and the segments in the connecting section.
  • a matrix material infused into the fiber material is then hardened in order to produce the fiber composite component.
  • the segments are embedded in a fiber material on both sides, ie both on the outside of the component and on the inside of the component.
  • the individual segments are not curved, particularly in width, and in a preferred embodiment are already hardened, i.e. H. a matrix material infused into the fiber material of the fiber material layers of the segments has hardened.
  • the segments form the curvature in the connecting section, with the end faces of the segments forming the cross-sectional plane in the connecting section.
  • the elongated side surfaces each face the adjacent segments, with the lower surface facing the outside of the fiber composite component, while the upper surface faces the inside of the fiber composite component.
  • Adjacent segments can border one another directly via their elongated side surfaces or can be filled with a corresponding filling material in between, for example with matrix material of the fiber composite material or with wedges (for example made of a plastic material such as PET, PU or also in the form of foam wedges made of such plastic materials).
  • wedges for example made of a plastic material such as PET, PU or also in the form of foam wedges made of such plastic materials.
  • the individual segments can be made non-curved, particularly in terms of their width, so that the problem of the high bending stiffness of the metal layer of the fiber-metal hybrid material does not have to be taken into account.
  • metal layers with a thickness of at least 0.5 mm can be used.
  • the fiber material of the fiber composite material for producing the fiber composite component can be dry fiber material or a pre-impregnated fiber material.
  • a dry fiber material the required matrix material of the fiber composite material is incorporated into the fiber material at a later point in time which forms the fiber preform. Infusing can be done, for example, using a vacuum infusion process.
  • pre-impregnated fiber materials so-called prepregs in which the fiber material is already soaked with matrix material.
  • the same fiber composite material is used for the fiber-metal hybrid segments that is also used for the production of the entire fiber composite component with the segments. However, it is also conceivable that only a different matrix material is used for the segments. It is also conceivable that a different fiber material is used for the segments. It is conceivable that the segments are made from layers of fiberglass material, while the remaining component is made from carbon fibers.
  • a steel material is particularly suitable for the metal layer.
  • the combination of GRP and steel is particularly advantageous for wind energy applications because it has a good cost-benefit ratio.
  • titanium can also be used with higher costs and improved properties.
  • CFRP and steel or CFRP and titanium is also worth highlighting.
  • the elongated fiber-metal hybrid segments are provided by alternatingly arranging the fiber material layers and the metal layers one above the other for each individual one and curing a matrix material infused into the fiber material.
  • the required elongated fiber-sharing hybrid segments are produced, for example by alternatingly introducing the individual fiber material layers and metal layers into a mold and then curing the matrix material of the fiber material layers. Both pre-impregnated fiber materials and dry fiber materials with a subsequent infusion process can be used.
  • the elongated fiber-metal hybrid segments are provided by first producing at least one flat, non-curved fiber-metal hybrid plate, in which the fiber material layers and the metal layers are alternately arranged one above the other and one in the Fiber material infused matrix material is hardened, and after the fiber-metal hybrid plate has been produced, it is divided into several individual elongated fiber-metal hybrid segments.
  • a flat, non-curved fiber-metal hybrid plate is first produced from a fiber-metal hybrid material, which is then divided into several individual elongated fiber-metal hybrid segments (segments for short).
  • the cutting is preferably done using water jet cutting.
  • Cutting metal layers using milling or sawing has the disadvantage that the matrix material (for example epoxy resin) contained in the fiber composite material threatens to degrade due to the heat generated when cutting the metal layer.
  • dry or pre-impregnated fiber materials of a fiber composite material can also be used. If dry fiber materials are used, the stack of fiber layers and metal layer must then be infused with a matrix material, in which case the fiber layers in particular are soaked. Here too, it is conceivable that pre-impregnated fiber materials are used as fiber layers.
  • the same fiber composite material is used for the fiber-metal hybrid plate that is also used for the production of the entire fiber composite component with the segments.
  • the hybrid plate it is also conceivable that only a different matrix material is used for the hybrid plate.
  • a different fiber material is used for the hybrid plate.
  • the segments are made from layers of fiberglass material, while the remaining component is made from carbon fibers.
  • the connecting elements are either introduced or arranged in the individual segments or are introduced or arranged before the at least one fiber-metal hybrid plate is divided.
  • a connecting element can be, for example, an opening in the respective segment.
  • the opening is used to attach the component to a higher-level structure using bolts.
  • the openings can either be made in the already divided segments or before the hybrid plate is divided.
  • the introduction of such openings into the segments or into the hybrid plate can be done, for example, using water jet cutting.
  • At least one fiber material layer is introduced into the mold in the connecting section, with the fiber-metal hybrid segments then being placed on this at least one fiber material layer.
  • the segments are now arranged on this outer layer formed from the fiber material layers so that they become an integral part of the fiber composite component to be produced. Openings that already exist in the segments can be left out at the appropriate locations in the fiber material layers of the outer layer.
  • At least one fiber material layer is introduced into the mold in the connecting section, with this at least one fiber material layer being placed on the fiber-metal hybrid segments.
  • the fiber-metal hybrid segments are divided in such a way that at least some of the fiber-metal hybrid segments have a trapezoidal cross section.
  • the segments from the hybrid plate are cut at a certain angle, i.e. H.
  • the hybrid plate is divided, for example by means of water jet cutting, in such a way that the separating element (saw blade or water jet) is present transversely to the cutting direction at an angle other than 90°. This angle depends on the specified curvature in the connecting section and the number of segments.
  • At least one opening is introduced into at least some of the fiber-metal hybrid segments as connecting elements. This can be done, for example, using water jet cutting.
  • the openings in the segments are initially cut to undersize and are only cut or milled to the final size after the fiber composite component has been produced or after the matrix material has been infused into the fiber material of the fiber composite component.
  • This has the advantage that through the subsequent cutting or milling of the fiber composite component, possible component distortions, which arise, for example, despite a position fixation during production, can be compensated for again by the high manufacturing precision of the cutting or milling.
  • the openings are first pre-cut, for example using water jet cutting, and then milled to the final size before they are integrated into the fiber composite component. This has the advantage that the holes are already made with high precision in the segments and therefore the positioning accuracy during infusion is also higher. In addition, milling the small, flat segments is easier than milling the large, curved fiber composite component.
  • a sleeve is inserted into at least one opening of the fiber-metal hybrid segments. This sleeve serves to improve the hole bearing strength when a corresponding bolt is used to connect it to the structure.
  • a molding tool which has a plurality of positioning bolts which protrude from the molding tool surface arranged in the molding tool surface, wherein when the fiber-metal hybrid segments are introduced into the molding tool, these positioning bolts are inserted into the openings of the fiber-metal hybrid segments.
  • Metal hybrid segments engage to fix the position of the fiber-metal hybrid segments on the mold.
  • These positioning bolts in the mold surface serve to fix the individual segments at their respective predetermined positions within the mold in order to achieve high manufacturing accuracy. These positioning bolts protrude from the mold surface and engage in the opening made in the respective segment when the segment is introduced into the mold.
  • the fiber composite component to be produced is a half-shell of a rotor blade, in particular for wind turbines, or a rotor blade, in particular for wind turbines.
  • a socket is attached to the end of the segments that faces the base section of the fiber composite component in order to improve the connection to the other fiber materials of the fiber composite component, in particular the connection to the inner layer.
  • This Serving can either be added later for each individual segment or during the production of the hybrid panel.
  • a flange is provided in the area of the openings of the segments.
  • Flanged bolt connections support the laminate in the thickness direction, suppressing failure-initiating delamination so that higher loads can be transferred.
  • this requires flat flange surfaces that are perpendicular to the bore axis.
  • circular recesses are provided in the base and cover layers so that the segments, which can be manufactured with high precision as a flat component, form the flange surfaces.
  • flanges are arranged there, which are removed again after the infusion.
  • the fiber composite shells can be, for example, two fiber composite half shells or four fiber composite quarter shells, which are then assembled into a fiber composite hollow component.
  • a wind turbine with a plurality of rotor blades produced according to the method described above.
  • the rotor blades can be manufactured either as a whole or as two or more half shells that are then joined together.
  • the invention is explained in more detail by way of example using the attached figures. Show it:
  • Figure 1 shows a schematic representation of the production of the segments
  • Figure 2 shows a schematic cross-sectional representation of a segment
  • Figure 4 shows a schematic representation of the introduction of the segments into the mold
  • Figure 5 cross-sectional representation of a segment with connection arrangement
  • Figure 6 schematic representation of trapezoidal segments.
  • Figure 1 shows a schematic representation of the production of the fiber-metal hybrid segments, or segments for short.
  • a fiber-metal hybrid plate 10 is produced from a fiber-metal hybrid material, as can be seen on the left side of Figure 1.
  • the hybrid material consists of alternating fiber layers and metal layers, whereby there does not necessarily have to be a metal layer after every fiber layer or a fiber layer after every metal layer. Rather, it is conceivable that several fiber layers or metal layers are arranged one after the other and only then is the material changed.
  • the fiber-metal hybrid plate 10 is manufactured according to the invention in such a way that a main area 11 is adjoined by a shaft area 12 with a shaft, so that in this shaft area 12 the flat, non-curved plate 10 is beveled towards its underside .
  • this hybrid plate 10 is divided into a plurality of fiber-metal hybrid segments 20 using water jet cutting (or another method, such as sawing or laser cutting). Before cutting or after cutting, openings 21 are created in the segments 20 in the main area 11, which does not have a shaft, which serve to fasten the fiber composite component to be produced with a higher-level structure during later intended operation. The openings 21 can also be introduced using water jet cutting.
  • Figure 2 shows a detailed cross-sectional view of a segment 20.
  • the segment 20 is divided according to the areas of the previously produced hybrid plate 10, namely a main area 11, which contains a transition area 11a and a shaft area 12.
  • the main area 11 contains the fiber layers 30 and the metal layers 32, which are arranged alternately in layers. In the main area 11 there is also the opening 21, which has a particularly high hole bearing strength due to the metal layers 32.
  • the metal layers 32 can have different lengths in order to spatially distribute stress increases within the component. These stress increases occur at the material transition point, i.e. at those points where the metal layer ends and is continued by a fiber material layer. It is advisable to spatially separate the material transition points in order to avoid overlapping and thus aggravation of the individual stress increases.
  • the hybrid plate When producing such a segment from a hybrid plate, the hybrid plate is formed in such a way that individual fiber layers 30 are replaced by a metal layer 32, so that the fiber material 30 adjoins the end points of the metal layers 32.
  • Figure 3 shows how the segments 20 with their openings 21 are arranged in the connecting section of the fiber composite component to be produced, the remaining fiber materials of the entire fiber composite component not being shown in the illustration in Figure 3 for illustrative purposes.
  • the segments are arranged in such a way that they follow the curvature of the component to be produced in the connecting section, so that the entire connecting section is ultimately made of a fiber-metal hybrid material, so that the openings 21 required in the connecting section have a high hole bearing strength.
  • Figure 4 shows how the segments are now introduced into a mold 40.
  • An exploded view is shown on the left side, which shows the mold 40 separately from the preform 50 with the segments, while the inserted socket is shown on the right side.
  • In the surface 41 of the mold 40 there are positioning bolts 42 which engage in the openings when the individual segments are inserted and thus fix the respective segment in the intended position.
  • the preform 50 produced in this way using the mold 40 has an outer layer 51, which is formed from a fiber material of a fiber composite material, and an inner layer 52, which is also formed from a fiber material of a fiber composite material.
  • the fiber material of the outer layer 51 is first introduced into the mold, after which the individual segments are then inserted into the mold. The segments and parts of the outer layer 51 are then again covered by the inner layer 52 made of fiber material.
  • FIG. 5 shows a detailed example of a position fixation in the tool.
  • a sleeve 60 with a flange 61 is first inserted into the opening 21.
  • the sleeve 60 is conically shaped on the inner wall and tapers downwards, so that a metal bolt 62 can be inserted, which is also conically shaped and corresponds to the inner wall of the sleeve 60.
  • the metal bolt 62 has an opening into which a screw 63 or a bolt can then be inserted for fastening. Both the sleeve and the bolt are used exclusively to position the segments during production and are then removed again.
  • circular recesses are provided in the base and cover layers so that the segments, which can be manufactured with high precision as a flat component, form the flange surfaces. So that the flange surfaces do not become full of resin during the infusion of the fiber composite component, flanges 61 are arranged there, which are removed again after the infusion.
  • Figure 6 shows an exemplary embodiment in which the segments have a trapezoidal shape in cross section. Shown in Figure 6 are the end faces 22 of three segments 20, which have a trapezoidal shape. Here, the segments were divided at an angle so that when adjacent elongated side surfaces 23 adjoin one another, the adjacent segments have a curved surface.
  • the lower edge 24 of the end face 22 of a segment, which faces the outer layer, has a longer edge length than the upper edge 25, which faces the inner layer.

Abstract

Die vorliegende Erfindung umfasst ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils, wobei das Faserverbundbauteil einen Basisabschnitt hat, an dessen einem Ende sich ein im Querschnitt gekrümmter Verbindungsabschnitt anschließt, der Verbindungselemente zur Befestigung des Faserverbundbauteils an einer übergeordneten Struktur aufweist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: - Bereitstellen einer Mehrzahl von länglichen Faser-Metall-Hybridsegmenten (20), die aus alternierend übereinander angeordneten Fasermateriallagen (30) aufweisend ein Fasermaterial und Metalllagen (32) aufweisend einen Metallwerkstoff gebildet sind, - Einbringen der einzelnen länglichen Faser-Metall-Hybridsegmente (20) in ein Formwerkzeug (40) in den Verbindungsabschnitt des herzustellenden Faserverbundbauteils derart, dass die Stirnseiten (22) der Faser-Metall- Hybridsegmente (20) eine Querschnittsebene des herzustellenden Faserverbundbauteils bilden, - Einbringen von Fasermaterial in das Formwerkzeug (40), und - Aushärten des in das Fasermaterial infundierten Matrixmaterials.

Description

Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils und Faserverbund-Hohlbauteils sowie Windkraftanlage hierzu
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils, wobei das Faserverbundbauteil einen Basisabschnitt hat, an dessen einem Ende sich ein im Querschnitt gekrümmter Verbindungsabschnitt anschließt, der Verbindungselemente zur Befestigung des Faserverbundbauteils an einer übergeordneten Struktur aufweist. Die Erfindung betrifft ebenso ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbund-Hohlbauteils.
Außerdem betrifft die Erfindung eine Windkraftanlage mit einer Mehrzahl von Rotorblättern.
Aufgrund der hohen gewichtsspezifischen Festigkeit weisen Faserverbundbauteile die Eigenschaft auf, in die durch die Faseranordnung des Fasermaterials vorgegebene Richtung eine besonders hohe Festigkeit und Steifigkeit bei einem relativ niedrigen Gewicht aufzuweisen. Daher eignen sich derartige Faserverbundbauteile insbesondere für den Leichtbau, um so Energieressourcen zu sparen. Die Verwendung von Faserverbundbauteilen findet daher nicht nur in der Luft- und Raumfahrt immer mehr Zuspruch, sondern auch in der Automobilindustrie und bei Technologien im Bereich der erneuerbaren Energie, wie beispielsweise Windkraftanlagen. Dort werden bspw. die Rotorblätter von Windkraftanlagen aus Faserverbundwerkstoffen gefertigt.
Faserverbundbauteile werden aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt, der ein Fasermaterial und ein Matrixmaterial aufweist. Das Fasermaterial wird oder ist dabei in das Matrixmaterial eingebettet, so dass durch Aushärten des Matrixmaterials eine integrale Einheit mit dem Fasermaterial gebildet wird. Als Fasermaterial kommen hierbei insbesondere Kohlenstofffasern oder Glasfasern zum Einsatz, während bei Mat- rixmaterialien insbesondere thermoplastische und duroplastische Matrixkunststoffe Anwendung finden. Faserverbundwerkstoffe können neben dem Fasermaterial und dem Matrixmaterial noch andere Materialien enthalten. Unter einem Faserverbundwerkstoff im Sinne der vorliegenden Erfindung werden insbesondere auch Faserverbund-Hybridwerkstoffe verstanden, die beispielsweise zusätzliche Metallschichten bzw. Metallfolien aufweisen (beispielsweise GLARE).
Grundsätzlich haben Faserverbundbauteile den Nachteil, dass Ihre Festigkeit und Steifigkeit nur in Faserrichtung optimal wirkt und Verbindungsanordnungen mit Kräften orthogonal zur Faserrichtung schnell zu einem Versagen der Verbindungsanordnung führen können. An Bolzenverbindungen liegen in der Regel dreidimensionale Spannungszustände vor, so dass Faserverbundbauteile hier auch orthogonal zur Faserrichtung sowie in Dickenrichtung stark belastet werden. Dadurch haben Faserkunststoff- verbunde eine geringe Lochleibungsfestigkeit als Bauteile aus isotropen Werkstoffen. Um in den Verbindungbereichen eine optimale Festigkeit zu erhalten, müsste der Verbindungsbereich durch zusätzliche Lagen von Fasermaterial aufgedickt werden, was höhere Fertigungskosten mit sich bringt und darüber hinaus dem Leichtbaugedanken entgegensteht.
Aus der EP 1 082 217 B1 ist ein Verbundmaterial bekannt, das einen verstärkten Verbindungsbereich aufweist. Der Verbindungsbereich besteht dabei aus mehreren Schichten eines Fasermaterials, wobei dazwischen ein oder mehrere Schichten aus einem Verstärkungsmaterial, wie bspw. Titan, vorgesehen sind. Hierdurch kann die Lochleibungsfestigkeit beim Einbringen von Öffnungen als Verbindungselemente in den Verbindungsbereich erhöht werden. Eine ähnliche Materialstruktur mit sich abwechselnden Schichten aus Fasermaterial und Meta II Werkstoff en findet sich bspw. in der DE 102010 035 324 A1.
Gerade bei Windkraftanlagen wird eine sichere Verbindungstechnik benötigt, um die Rotorblätter an ihren Blattwurzeln mit der Nabe der Windkraftanlage zu verbinden (Blattanschluss) oder um zwei Blattsegmente miteinander zu verbinden. Dabei wird in der Praxis häufig eine T-Bolzen-Verschraubung eingesetzt, die aus einem Längsbol- zen und einen Querbolzen besteht, die miteinander verschraubt sind. Der Querbolzen leitet die Last über Lochleibung an eine entsprechende Bohrung im Laminat (ausgehärtetes Matrixmaterial mit eingebettetem Fasermaterial) des Rotorblattes im Verbin- dungsbereich ein. Die Lochleibungsfestigkeit konventioneller Laminat aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) ist allerdings gering, sodass große Wandstärken im Verbindungsbereich der Blattwurzel benötigt werden, um die hohen Lasten sicher übertragen zu können.
Es besteht nun die Möglichkeit, ähnlich der Anregungen aus der EP 1 082 217 B1 und der DE 10 2010 035 324 A1 , zur Erhöhung der T ragfähigkeit der Blattwurzel den lokalen Einsatz von Faser-Metall-Hybridwerkstoffen im Verbindungsbereich der Blattwurzel eines Rotorblattes vorzusehen, um durch den Metallgehalt eine deutlich höhere Lochleibungsfestigkeit als konventionelle Laminat zu erhalten.
Nachteil hierbei ist jedoch, dass sich derartige Faser-Metall-Hybridwerkstoffe mit dicken Metallblechen nur schwer prozesssicher in eine gekrümmte Form bringen lassen. Soll im Verbindungsbereich eine Faserlage durch eine Metalllage aus einem Metallwerkstoff ersetzt werden, so werden entsprechende Lagendicken von mindestens 0,5 mm benötigt. Derartige Metalllagen (Metallbleche) haben jedoch eine relativ hohe Biegesteifigkeit, welche die Ablage in eine gekrümmte Form erschwert. Der Druck, welche die Lagen im Vakuuminfusionsverfahren komprimiert, reicht gegebenenfalls nicht mehr aus, um die gekrümmte Form einzustellen. Außerdem findet bei der Infusion selbst ein Druckausgleich statt, wobei eine Rückfeder der Metallbleche zu erwarten ist. Zwar könnte dem Problem der hohen Biegesteifigkeit der Metalllagen bei Faser- Metall-Hybridwerkstoffen dadurch begegnet werden, dass eine geschlossene Form verwendet wird oder dass viele dünne Metallbleche verwendet werden, was jedoch zu deutlich höheren Fertigungskosten führen würde. Ein geschlossenes Formwerkzeug hat deutlich höhere Werkzeugkosten, während die Verwendung vieler dünner Metallbleche auch die Verwendung dünnerer Faserlagen nach sich zieht, durch die der Harzfluss erschwert würde und nur kleine Infusionsstrecken möglich wären.
Eine weiterer Nachteil besteht darin, dass sich in große, gekrümmte Bauteile in den betreffenden Bereichen, die aus dem Faser-Metall-Hybridwerkstoff gebildet sind, nur unter großem Aufwand die für den Anschluss notwendigen Bohrungen einbringbar sind, wodurch der Fertigungsprozess komplizierter wird. Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines im Verbindungsbereich gekrümmten Faserverbundbauteils anzugeben, welches eine besonders hohe Leibungsfestigkeit hat.
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Anspruch 1 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung finden sich in den entsprechenden Unteransprüchen.
Gemäß Anspruch 1 wird eine Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils vorgeschlagen, wobei das Faserverbundbauteil einen Basisabschnitt hat, an dessen einem Ende sich ein im Querschnitt gekrümmter Verbindungsabschnitt anschließt, der Verbindungselemente zur Befestigung des Faserverbundbauteils an einer übergeordneten Struktur aufweist. Das Verfahren weist dabei die folgenden Schritte auf:
- Bereitstellen einer Mehrzahl von länglichen Faser-Metall-Hybridsegmenten, die aus alternierend übereinander angeordneten Fasermateriallagen aufweisend ein Fasermaterial und Metalllagen aufweisend einen Metallwerkstoff gebildet sind,
- Einbringen der einzelnen länglichen Faser-Metall-Hybridsegmente in ein Formwerkzeug in den Verbindungsabschnitt des herzustellenden Faserverbundbauteils derart, dass die Stirnseiten der Faser-Metall-Hybridsegmente eine Querschnittsebene des herzustellenden Faserverbundbauteils bilden,
- Einbringen von Fasermaterial in das Formwerkzeug, und
- Aushärten des in das Fasermaterial infundierten Matrixmaterials.
Demnach wird vorgeschlagen, dass zunächst eine Mehrzahl von länglichen Faser-Me- tall-Hybridsegmenten bereitgestellt werden, die aus alternierend übereinander angeordneten Fasermateriallagen aufweisend ein Fasermaterial und Metalllagen aufweisend einen Metallwerkstoff gebildet sind. Jedes dieser Segmente besteht dabei aus sich abwechselnden Lagen aus Fasermaterial und Metallwerkstoff und weist dabei eine besonders hohe Lochleibungsfestigkeit auf. Diese Segmente werden nun genutzt, um hieraus den Verbindungsabschnitt des herzustellenden Faserverbundbauteils zu bilden. Hierzu werden die einzelnen Segmente in ein Formwerkzeug eingebracht, und zwar an der Position, an der sich der Verbindungsabschnitt des herzustellenden Faserverbundbauteils befindet. Weiterhin wird ein Fasermaterial eines Faserverbund- Werkstoffes, der ein Fasermaterial und ein das Fasermatenal einbettendes Matrixmaterial aufweist, in das Formwerkzeug eingebracht, um so eine Faserpreform aus dem Fasermaterial und den Segmenten im Verbindungsabschnitt herzustellen. Anschließend wird ein in das Fasermatenal infundierte Matrixmaterial ausgehärtet, um so das Faserverbundbauteil herzustellen. Besonders bevorzugtes dabei, dass die Segmente beidseitig, d. h. sowohl an der Bauteilaußenseite als auch an der Bauteilinnenseite, in ein Fasermaterial eingebettet werden.
Die einzelnen Segmente sind dabei insbesondere in der Breite nicht-gekrümmt und sind in einer bevorzugten Ausführungsform bereits ausgehärtet, d. h. ein in das Fasermaterial der Fasermateriallagen der Segmente infundiertes Matrixmaterial ist ausgehärtet.
Die Segmente bilden dabei die Krümmung im Verbindungsabschnitt, wobei die Stirnseiten der Segmente die Querschnittsebene im Verbindungsabschnitt bilden. Die länglichen Seitenflächen sind jeweils den benachbarten Segmenten zugewandt, wobei die untere Fläche der Außenseite des Faserverbundbauteils zugewandt ist, während die obere Fläche der Innenseite des Faserverbundbauteils zugewandt ist.
Benachbarte Segmente können dabei über ihre länglichen Seitenflächen direkt aneinander Grenzen oder können mit einem entsprechenden Füllmaterial dazwischen gefüllt sein, beispielsweise mit Matrixmaterial des Faserverbundwerkstoffes oder mit Keilen (bspw. aus einem Kunststoffmaterial wie PET, PU oder auch in Form von Schaumkeilen aus solchen Kunststoffmaterialien).
Durch die Segmentierung können die einzelnen Segmente insbesondere in ihrer Breite nicht-gekrümmt hergestellt werden, so dass hierbei die Problematik der hohen Biegesteifigkeit der Metalllage des Faser-Metall-hybrid Werkstoffes nicht berücksichtigt werden muss. Es können so bspw. Metalllagen mit einer Dicke von mindestens 0,5 mm verwendet werden.
Das Fasermaterial des Faserverbundwerkstoffes zur Herstellung des Faserverbundbauteils kann dabei in trockenes Fasermaterial oder eine vorimprägniertes Fasermaterial sein. Bei einem trockenen Fasermaterial wird das benötigte Matrixmaterial des Faserverbundwerkstoffes zu einem späteren Zeitpunkt in das Fasermaterial, welches die Faserpreform bildet, infundiert. Das Infundieren kann beispielsweise mithilfe eines Vakuum infusionsverfahrens erfolgen. Denkbar ist aber auch die Verwendung von vorimprägnierten Fasermaterialien (sogenannte Prepregs) bei denen das Fasermaterial bereits mit Matrixmaterial getränkt ist.
Dabei ist es denkbar, dass für die Faser-Metall-Hybridsegmente derselbe Faserverbundwerkstoff verwendet wird, der auch für die Herstellung des gesamten Faserverbundbauteils mit den Segmenten verwendet wird. Denkbar ist aber auch, dass lediglich ein hiervon verschiedenes Matrixmaterial für die Segmente genutzt wird. Auch ist es denkbar, dass ein hiervon verschiedenes Fasermaterial für die Segmente genutzt wird. So ist es denkbar, dass die Segmente aus Glasfasermateriallagen hergestellt werden, während das übrige Bauteil aus Kohlenstofffasern hergestellt wird.
Für die Metalllage eignet sich dabei insbesondere ein Stahlwerkstoff. Dabei ist für Windenergieanwendungen insbesondere die Kombination von GFK und Stahl vorteilhaft, da hier ein gutes Kosten-Nutzen-Verhältnis besteht. Alternativ kann mit einem höheren Kostenaufwand und verbesserten Eigenschaften auch Titan verwendet werden. Auch die Kombination von CFK und Stahl bzw. CFK und Titan ist hervorzuheben.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die länglichen Faser-Metall-Hyb- ridsegmente bereitgestellt werden, indem bei jedem einzelnen alternierend die Fasermateriallagen und die Metalllagen übereinander angeordnet werden und ein in das Fasermaterial infundiertes Matrixmaterial ausgehärtet wird.
Das bedeutet, dass vor der Herstellung des Faserverbundbauteils die benötigten länglichen Faser-mitteilen-Hybridsegmente hergestellt werden, indem beispielsweise die einzelnen Fasermateriallagen und Metalllagen alternierend in ein Formwerkzeug eingebracht und dann das Matrixmaterial der Fasermateriallagen ausgehärtet wird. Dabei können sowohl vorimprägnierten Fasermaterialien als auch trockenen Fasermaterialien mit einem anschließenden Infusionsprozess verwendet werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die länglichen Faser-Metall-Hyb- ridsegmente bereitgestellt werden, indem zunächst wenigstens eine flächige, nichtgekrümmte Faser-Metall-Hybridplatte hergestellt wird, bei der alternierend die Fasermateriallagen und die Metalllagen übereinander angeordnet werden und ein in das Fasermaterial infundiertes Matrixmaterial ausgehärtet wird, wobei nach dem Herstellen der Faser-Metall-Hybridplatte diese in die mehreren einzelnen länglichen Faser- Metall-Hybridsegmente zerteilt wird.
Demnach wird vorgeschlagen, dass zunächst eine flächige, nicht-gekrümmte Faser- Metall-Hybridplatte aus einem Faser-Metall-Hybridwerkstoff hergestellt wird, die anschließend in mehrere einzelne längliche Faser-Metall-Hybridsegmente (kurz Segmente) zerteilt wird.
Das Zerteilen erfolgt dabei vorzugsweise mithilfe des Wasserstrahlschneidens. Das Schneiden von Metalllagen mittels Fräsen oder Sägen hat dabei den Nachteil, dass das im Faserverbundwirkstoff enthaltene Matrixmaterial (beispielsweise Epoxidharz) durch die Wärmeentwicklung beim Schneiden der Metalllage zu degradieren droht.
Bei der Herstellung der Faser-Metall-Hybridplatte können ebenfalls trockene oder vorimprägnierten Fasermaterialien eines Faserverbundwerkstoffes verwendet werden. Werden trockene Fasermaterialien verwendet, so muss anschließend der Lagenstapel aus Faserlagen und Metalllage mit einem Matrixmaterial infundiert werden, wobei hierbei insbesondere die Faserlagen getränkt werden. Auch hier ist es denkbar, dass vorimprägnierte Fasermaterialien als Faserlagen verwendet werden.
Dabei ist es denkbar, dass für die Faser-Metall-Hybridplatte derselbe Faserverbundwerkstoff verwendet wird, der auch für die Herstellung des gesamten Faserverbundbauteils mit den Segmenten verwendet wird. Denkbar ist aber auch, dass lediglich ein hiervon verschiedenes Matrixmaterial für die Hybridplatte genutzt wird. Auch ist es denkbar, dass ein hiervon verschiedenes Fasermaterial für die Hybridplatte genutzt wird. So ist es denkbar, dass die Segmente aus Glasfasermateriallagen hergestellt werden, während das übrige Bauteil aus Kohlenstofffasern hergestellt wird.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Verbindungselemente entweder in die einzelnen Segmente eingebracht oder angeordnet werden oder vor dem Zerteilen der wenigstens einen Faser-Metall-Hybridplatte eingebracht oder angeordnet werden. Bei einem solchen Verbindungselement kann es sich beispielsweise um eine Öffnung in dem jeweiligen Segment handeln. Die Öffnung dient dabei dazu, dass Bauteil mithilfe von Bolzen an einer übergeordneten Struktur anzubringen. Die Öffnungen können dabei entweder in die bereits zerteilten Segmente eingebracht werden oder vor dem Zerteilen der Hybridplatte. Das Einbringen von derartigen Öffnungen in die Segmente bzw. in die Hybridplatte kann beispielsweise mithilfe des Wasserstrahlschneidens erfolgen.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass vor dem Einbringen der Faser- Metall-Hybridsegmente in das Formwerkzeug mindestens eine Fasermateriallage in das Formwerkzeug in den Verbindungsabschnitt eingebracht wird, wobei auf diese mindestens eine Fasermateriallage dann die Faser-Metall-Hybridsegmente aufgelegt werden.
Diese, vorzugsweise mehreren Fasermateriallagen, die aus dem Faserverbundwerkstoff für das Bauteil stammen, bilden somit die Außenschicht des Faserverbundbauteils. Auf diese, aus den Fasermateriallagen gebildete Außenschicht werden nun die Segmente angeordnet, damit diese integraler Bestandteil des herzustellenden Faserverbundbauteils werden. Bereits in den Segmenten vorhandene Öffnungen können dabei in den Fasermateriallagen der Außenschicht an den entsprechenden Stellen ausgespart werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass nach dem Einbringen der Faser- Metall-Hybridsegmente in das Formwerkzeug mindestens eine Fasermateriallage in das Formwerkzeug in den Verbindungsabschnitt eingebracht wird, wobei diese mindestens eine Fasermateriallage auf die Faser-Metall-Hybridsegmente aufgelegt wird.
Diese, vorzugsweise mehreren Fasermateriallagen, die aus dem Faserverbundwerkstoff für das Bauteil stammen, bilden somit die Innenschicht des Faserverbundbauteils. In Kombination mit der vorherigen Ausführungsform werden die Segmente somit zwischen den Fasermateriallagen der Außenschicht und den Fasermateriallagen der Innenschicht eingebettet und können so integraler Bestandteil des Faserverbundbauteils werden. Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Faser-Metall-Hybridsegmente derart zerteilt werden, zumindest ein Teil der Faser-Metall-Hybridsegmente einen trapezförmigen Querschnitt aufweisen.
Bei einer rund oder oval gekrümmten Querschnittsform ist dies besonders vorteilhaft, da benachbarte Segmente mit ihren Seitenflächen passgenau anliegen. Hierfür ist die untere Kante der Stirnseite der Segmente, die der Außenseite zugewandt ist, länger als die Oberkante der Stirnseite der Segmente, die der Innenseite zugewandt ist, sodass die benachbarten Segmente der vorgegebenen Krümmung im Verbindungsabschnittfolgen. Benachbarte Segmente, die über ihre jeweiligen Seitenflächen einander anliegen, grenzen demnach unter einem Winkel aneinander an, sodass die Krümmung im Verbindungsabschnitt durch die Segmente angenähert werden kann.
Um einen solchen trapezförmigen Querschnitt zu erreichen, werden die Segmente aus der Hybridplatte unter einem gewissen Winkel zerteilt, d. h. das Zerteilen der Hybridplatte, beispielsweise mittels Wasserstrahlschneidens, erfolgt so, dass das Trennelement (Sägeblatt oder Wasserstrahl) quer zur Schneidrichtung unter einem Winkel verschieden von 90° vorliegt. Dieser Winkel ist dabei abhängig von der vorgegebenen Krümmung im Verbindungsabschnitt und der Anzahl der Segmente.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass als Verbindungselemente jeweils mindestens eine Öffnung in zumindest einen Teil der Faser-Metall-Hybridsegmente eingebracht wird. Dies kann beispielsweise mithilfe des Wasserstrahlschneidens erfolgen.
Dabei ist es denkbar, dass die Öffnungen in den Segmenten zunächst auf Untermaß geschnitten werden und erst nach der Herstellung des Faserverbundbauteils oder nach der Infusion des Matrixmaterials in das Fasermaterial des Faserverbundbauteils auf Endmaß geschnitten oder gefräst werden. Dies hat den Vorteil, dass durch das nachträgliche Schneiden oder Fräsen des Faserverbundbauteils mögliche Bauteilverzüge, die sich bspw. auch trotz einer Positionsfixierung bei der Herstellung ergeben, durch die hohe Fertigungsgenauigkeit des Schneiden oder Fräsens wieder ausgeglichen werden können. Alternativ ist es auch denkbar, dass die Öffnungen zunächst vorgeschnitten werden, beispielsweise mittels Wasserstrahlschneidens, und dann auf Endmaß gefräst werden, bevor sie in das Faserverbundbauteil integriert werden. Das hat den Vorteil, dass die Bohrungen schon hochgenau in den Segmenten eingebracht sind und somit auch die Positionsgenauigkeit bei der Infusion höher ist. Außerdem ist das Fräsen der kleinen, ebenen Segmente einfacher als das Fräsen des Großen, gekrümmten Faserverbundbauteils.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass in jeweils mindestens eine Öffnung der Faser-Metall-Hybridsegmente eine Hülse eingesetzt wird. Diese Hülse dient dabei zur Verbesserung der Lochleibungsfestigkeit, wenn ein entsprechender Bolzen zur Verbindung an die Struktur eingesetzt ist.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein Formwerkzeug bereitgestellt wird, das in der Formwerkzeugoberfläche eine Mehrzahl von Positionierbolzen, die von der Formwerkzeugoberfläche abstehen, angeordnet sind, wobei beim Einbringen der Faser-Metall-Hybridsegmente in das Formwerkzeug diese Positionierbolzen in die Öffnungen der Faser-Metall-Hybridsegmente zur Positionsfixierung der Faser-Metall- Hybridsegmente am Formwerkzeug eingreifen.
Diese Positionierbolzen in der Formwerkzeugoberfläche dienen dazu, die einzelnen Segmente an ihrer jeweiligen vorgegebenen Position innerhalb des Formwerkzeuges zu fixieren, um eine hohe Fertigungsgenauigkeit zu erzielen. Diese Positionierbolzen stehen dabei von der Formwerkzeugoberfläche ab und greifen in die in das jeweilige Segment eingebracht Öffnung ein, wenn das Segment in das Formwerkzeug eingebracht wird.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das herzustellende Faserverbundbauteil eine Halbschale eines Rotorblattes, insbesondere für Windkraftanlagen, oder ein Rotorblatt, insbesondere für Windkraftanlagen, ist.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass in dasjenige Ende der Segmente, das dem Basisabschnitt des Faserverbundbauteils zugewandt ist, eine Schäftung angebracht wird, umso die Anbindung an die übrigen Fasermaterialien des Faserverbundbauteils, insbesondere die Anbindung an die Innenschicht, zu verbessern. Diese Schäftung kann dabei entweder nachträglich für jedes Segment einzelnen oder bereits bei der Herstellung der Hybridplatte eingebracht werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist im Bereich der Öffnungen der Segmente ein Flansch vorgesehen. Bolzenverbindungen mit Flansch stützen das Laminat in Dickenrichtung und unterdrücken so eine versagensinitiierende Delamination, so dass höhere Lasten übertragen werden können. Dafür sind aber ebene Flanschflächen notwendig, die senkrecht zur Bohrungsachse liegen. Um ein nachträgliches Fräsen der Flanschflächen zu vermeiden, sind hier in den Basis- und Decklagen kreisförmige Aussparungen vorgesehen, so dass die Segmente, welche als ebenes Bauteil hochgenau hergestellt werden können, die Flanschflächen bilden. Damit die Flanschflächen bei der Infusion des Faserverbundbauteils nicht mit Harz volllaufen, werden dort Flansche angeordnet, die nach der Infusion wieder entfernt werden.
Ebenfalls vom Erfindungsgedanken umfasst ist ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbund-Hohlbauteils mit den Schritten:
- Herstellen mehrerer einzelner Faserverbundschalen jeweils gemäß dem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüchen,
- Fügen der beiden Faserverbund-Halbschalen zu dem Faserverbund-Hohlbauteil.
Bei den Faserverbundschalen kann es sich beispielsweise um zwei FaserverbundHalbschalen oder vier Faserverbund-Viertelschalen handeln, die dann zu einem Faserverbund-Hohlbauteil zusammengesetzt werden.
Ebenfalls vom Erfindungsgedanken umfasst ist eine Windkraftanlage mit einer Mehrzahl von Rotorblättern hergestellt nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren. Die Rotorblätter können dabei entweder als Ganzes hergestellt werden oder durch zwei oder mehr Halbschalen, die dann aneinandergefügt werden. Die Erfindung wird anhand der beigefügten Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 schematische Darstellung der Herstellung der Segmente;
Figur 2 schematische Querschnittsdarstellung eines Segmentes;
Figur 3 Darstellung der Segmente, angeordnet im Verbindungsabschnitt;
Figur 4 schematische Darstellung des Einbringens der Segmente in das Formwerkzeug;
Figur 5 Querschnittsdarstellung eines Segmentes mit Verbindungsanordnung; Figur 6 schematische Darstellung von trapezförmigen Segmenten.
Figur 1 zeigt in einer schematischen Darstellung die Herstellung der Faser-Metall-Hyb- ridsegmente, kurz Segmente. Es wird zunächst eine Faser-Metall-Hybridplatte 10 aus einem Faser-Metall-Hybridwerkstoff hergestellt, wie auf der linken Seite der Figur 1 zu erkennen ist. Der Hybridwerkstoff besteht dabei aus sich abwechselnden Faserlagen und Metalllagen, wobei nicht zwingend nach jeder Faserlage eine Metalllage bzw. nicht nach jeder Metalllage eine Faserlage folgen muss. Vielmehr ist es denkbar, dass mehrere Faserlagen oder Metalllagen nacheinander angeordnet werden und erst dann ein Wechsel des Werkstoffes erfolgt.
Wie zu erkennen ist, wird die Faser-Metall-Hybridplatte 10 erfindungsgemäß so hergestellt, dass sich an einen Hauptbereich 11 ein Schäftungsbereich 12 mit einer Schäftung anschließt, sodass in diesem Schäftungsbereich 12 die flächige, nicht-gekrümmte Platte 10 in Richtung ihrer Unterseite abgeschrägt ist.
Nach der Herstellung der Faser-Metall-Hybridplatte 10 wird diese Hybridplatte 10 mithilfe des Wasserstrahlschneidens (oder einem anderen Verfahren, wie bspw. Sägen oder Laserschneiden) in eine Mehrzahl von Faser-Metall-Hybridsegmenten 20 zerteilt. Vor dem Zerteilen oder nach dem Zerteilen werden in die Segmente 20 im Hauptbereich 11 , der keine Schäftung aufweist, Öffnungen 21 erstellt, die im späteren bestimmungsgemäßen Betrieb zur Befestigung des herzustellenden Faserverbundbauteils mit einer übergeordneten Struktur dienen. Auch das Einbringen der Öffnungen 21 kann dabei mithilfe des Wasserstrahlschneidens erfolgen. Figur 2 zeigt eine detaillierte Querschnittsdarstellung eines Segmentes 20. Das Segment 20 ist dabei gemäß den Bereichen der zuvor hergestellten Hybridplatte 10 in unterteilt, nämlich einen Hauptbereich 11 , der einen Übergangsbereich 11a beinhaltet und einen Schäftungsbereich 12. der Hauptbereich 11 beinhaltet dabei die Faserlagen 30 und die Metalllagen 32, die lagenweise alternierend angeordnet sind. Im Hauptbereich 11 befindet sich des Weiteren die Öffnung 21 , die aufgrund der Metalllagen 32 eine besonders hohe Lochleibungsfestigkeit hat.
Im Übergangsbereich 11a ist zu erkennen, dass die Metalllagen 32 unterschiedliche Längen aufweisen können, umso Spannungsüberhöhungen innerhalb des Bauteils räumlich zu verteilen. Diese Spannungsüberhöhungen treten an Materialübergangspunkt auf, d.h. an jenen Punkten, an denen die Metalllage endet und durch eine Fasermateriallage fortgesetzt wird. Es empfielt sich, die Materialübergangspunkte räumlich zu trennen, um keine Überlagerung und damit Verschlimmerung der einzelnen Spannngsüberhöhungen zu erhalten.
Bei der Herstellung eines solchen Segmentes aus einer Hybridplatte wird die Hybridplatte dabei so gebildet, dass einzelne Faserlagen 30 durch eine Metalllage 32 ersetzt werden, sodass an den Endpunkten der Metalllagen 32 das Fasermaterial 30 angrenzt.
Figur 3 zeigt, wie die Segmente 20 mit ihren Öffnungen 21 im Verbindungsabschnitt des herzustellenden Faserverbundbauteils angeordnet sind, wobei in der Darstellung der Figur 3 die übrigen Fasermaterialien des gesamten Faserverbundbauteils aus Anschauungszwecken nicht gezeigt sind. Die Segmente werden dabei so angeordnet, dass sie der Krümmung des herzustellenden Bauteils im Verbindungsabschnitt folgen, sodass der gesamte Verbindungsabschnitt letztlich aus einem Faser-Metall-Hybrid- werkstoff hergestellt ist, sodass die im Verbindungsabschnitt notwendigen Öffnungen 21 eine hohe Lochleibungsfestigkeit aufweisen.
Figur 4 zeigt, wie nun die Segmente in einem Formwerkzeug 40 eingebracht werden. Auf der linken Seite ist dabei eine Explosionszeichnung gezeigt, die das Formwerkzeug 40 separat von der Preform 50 mit den Segmenten zeigt, während auf der rechten Seite die eingebrachte Fassung gezeigt ist. In der Oberfläche 41 des Formwerkzeuges 40 befinden sich dabei Positionierbolzen 42, die beim Einlegen der einzelnen Segmente in deren Öffnungen eingreifen und so das jeweilige Segment an der dafür vorgesehenen Position fixieren.
Die dem Formwerkzeug 40 so hergestellte Preform 50 weist dabei eine Außenschicht 51 auf, die aus einem Fasermaterial eines Faserverbundwerkstoffes gebildet wird, sowie eine Innenschicht 52, die ebenfalls aus einem Fasermaterial eines Faserverbundwerkstoffes gebildet wird. Dabei wird zunächst das Fasermaterial der Außenschicht 51 in dem Formwerkzeug eingebracht, wobei darauf dann die einzelnen Segmente in das Formwerkzeug eingesetzt werden. Anschließend werden die Segmente sowie Teile der Außenschicht 51 wiederum von Innenschicht 52 aus Fasermaterial abgedeckt.
Figur 5 zeigt ein detailliertes Beispiel einer Positionsfixierung im Werkzeug. Dabei wird in die Öffnung 21 zunächst eine Hülse 60 mit einem Flansch 61 eingesetzt ist. Die Hülse 60 ist an der Innenwandung konisch geformt und verjüngt sich nach unten, sodass ein Metallbolzen 62 eingesetzt werden kann, der ebenfalls konisch geformt ist und mit der Innenwandung der Hülse 60 korrespondiert. Der Metallbolzen 62 weist eine Öffnung auf, in die dann eine Schraube 63 oder ein Bolzen zur Befestigung eingesetzt werden kann. Sowohl Hülse als auch Bolzen dienen ausschließlich der Positionierung der Segmente während der Fertigung und werden anschließend wieder entfernt.
Um ein nachträgliches Fräsen der Flanschflächen zu vermeiden, sind hier in den Basis- und Decklagen kreisförmige Aussparungen vorgesehen, so dass die Segmente, welche als ebenes Bauteil hochgenau hergestellt werden können, die Flanschflächen bilden. Damit die Flanschflächen bei der Infusion des Faserverbundbauteils nicht mit Harz volllaufen, werden dort Flansche 61 angeordnet, die nach der Infusion wieder entfernt werden.
Figur 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Segmente im Querschnitt eine trapezförmige Form aufweisen. Gezeigt sind in Figur 6 die Stirnseiten 22 dreier Segmente 20, die eine trapezförmige Form haben. Hierbei wurden die Segmente unter einem Winkel zerteilt, sodass, wenn benachbarte längliche Seitenflächen 23 aneinander angrenzenden, die benachbarten Segmente eine gekrümmte Oberfläche haben. Die untere Kante 24 der Stirnseite 22 eines Segmentes, die der Außenschicht zugewandt ist, hat dabei eine längere Kantenlänge als die obere Kante 25, die der Innenschicht zugewandt ist.
Bezugszeichenliste
10 Faser-Metall-Hybridplatte
11 Hauptbereich der Hybridplatte
11 a Übergangsbereich der Hybridplatte
12 Schäftungsbereich
20 Faser-Metall-Hybridsegment
21 Öffnung im Segment
22 Stirnseite der Segmente
23 Seitenfläche der Segmente
24 untere Kante der Stirnseite
25 obere Kante der Stirnseite
30 Fasermateriallage
32 Metalllage
40 Formwerkzeug
41 Oberfläche des Formwerkzeuges
42 Positionierbolzen
50 Preform
51 Außenschicht
52 Innenschicht
60 Hülse
61 Flansch
62 Metallbolzen
63 Schraube

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils, wobei das Faserverbundbauteil einen Basisabschnitt hat, an dessen einem Ende sich ein im Querschnitt gekrümmter Verbindungsabschnitt anschließt, der Verbindungselemente zur Befestigung des Faserverbundbauteils an einer übergeordneten Struktur aufweist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
- Bereitstellen einer Mehrzahl von länglichen Faser-Metall-Hybridsegmenten (20), die aus alternierend übereinander angeordneten Fasermateriallagen (30) aufweisend ein Fasermaterial und Metalllagen (32) aufweisend einen Metallwerkstoff gebildet sind,
- Einbringen der einzelnen länglichen Faser-Metall-Hybridsegmente (20) in ein Formwerkzeug (40) in den Verbindungsabschnitt des herzustellenden Faserverbundbauteils derart, dass die Stirnseiten (22) der Faser-Metall- Hybridsegmente (20) eine Querschnittsebene des herzustellenden Faserverbundbauteils bilden,
- Einbringen von Fasermaterial in das Formwerkzeug (40), und
- Aushärten des in das Fasermaterial infundierten Matrixmaterials.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die länglichen Faser-Metall-Hybridsegmente (20) bereitgestellt werden, indem bei jedem einzelnen alternierend die Fasermateriallagen (30) und die Metalllagen (32) übereinander angeordnet werden und ein in das Fasermaterial infundiertes Matrixmaterial ausgehärtet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die länglichen Faser-Metall-Hybridsegmente (20) bereitgestellt werden, indem zunächst wenigstens eine flächige, nicht-gekrümmte Faser-Metall-Hybridplatte (10) hergestellt wird, bei der alternierend die Fasermateriallagen (30) und die Metalllagen (32) übereinander angeordnet werden und ein in das Fasermaterial infundiertes Matrixmaterial ausgehärtet wird, wobei nach dem Herstellen der Faser-Metall-Hybridplatte diese in die mehreren einzelnen länglichen Faser- Metall-Hybridsegmente (20) zerteilt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Einbringen der Faser-Metall-Hybridsegmente (20) in das Formwerkzeug (40) mindestens eine Fasermateriallage (30) in das Formwerkzeug (40) in den Verbindungsabschnitt eingebracht wird, wobei auf diese mindestens eine Fasermateriallage (30) dann die Faser-Metall- Hybridsegmente (20) aufgelegt werden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Einbringen der Faser-Metall-Hybridsegmente (20) in das Formwerkzeug (40) mindestens eine Fasermateriallage (30) in das Formwerkzeug (40) in den Verbindungsabschnitt eingebracht wird, wobei diese mindestens eine Fasermateriallage (30) auf die Faser-Metall-Hybridsegmente (20) aufgelegt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Faser-Metall-Hybridsegmente (20) derart bereitgestellt werden, dass zumindest ein Teil der Faser-Metall- Hybridsegmente (20) einen trapezförmigen Querschnitt aufweisen.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Verbindungselemente jeweils mindestens eine Öffnung (21 ) in zumindest einen Teil der Faser-Metall-Hybridsegmente (20) eingebracht wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in jeweils mindestens eine Öffnung (21 ) der Faser-Metall-Hybridsegmente (20) eine Hülse (60) eingesetzt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein
Formwerkzeug (40) bereitgestellt wird, das in der Formwerkzeugoberfläche (41 ) eine Mehrzahl von Positionierbolzen (42), die von der Formwerkzeugoberfläche (41 ) abstehen, angeordnet sind, wobei beim Einbringen der Faser-Metall- Hybridsegmente (20) in das Formwerkzeug (40) diese Positionierbolzen (42) in die Öffnungen (21 ) der Faser-Metall-Hybridsegmente (20) zur Positionsfixierung der Faser-Metall-Hybridsegmente (20) im Formwerkzeug (40) eingreifen. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das herzustellende Faserverbundbauteil eine Faserverbund-Halbschale oder ein Faserverbund-Hohlbauteil ist. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das herzustellende Faserverbundbauteil eine Halbschale eines Rotorblattes, insbesondere für Windkraftanlagen, oder ein Rotorblatt, insbesondere für Windkraftanlagen, ist. Verfahren zur Herstellung eines Faserverbund-Hohlbauteils mit den Schritten:
- Herstellen mehrerer einzelner Faserverbundschalen jeweils gemäß dem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüchen,
- Fügen der Faserverbundschalen zu dem Faserverbund-Hohlbauteil. Windkraftanlage mit einer Mehrzahl von Rotorblättern hergestellt nach dem Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 1 1 .
PCT/EP2023/067011 2022-06-22 2023-06-22 Verfahren zur herstellung eines faserverbundbauteils und faserverbund-hohl- bauteils sowie windkraftanlage hierzu WO2023247714A1 (de)

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