DE102006040198B4 - Verfahren zur Herstellung von großen Körpern aus Verbundwerkstoffen - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Herstellung von großen Körpern, wie Flugzeug- oder Bootsrümpfe, Rotorblätter für Windkraftanlagen, aus Verbundwerkstoffen mit folgenden Schritten:
a. Einbringen eines Mediums aus einzelnen Partikeln in ein gasdichtes Behältnis
b. Verdichten der einzelnen Partikel zu einem Körper
c. Einbringen einer Kontur in den Körper mit einer CNC gesteuerten Fräsmaschine
d. Bedecken der Kontur und des Behältnisrandes mit einer Folie
e. Evakuieren des Behältnisses
f. Einbringen eines Verbundwerkstoffes auf die geformte Folie
g. Aushärtung des Verbundwerkstoffes und Entformung

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von großen Körpern aus Verbundwerkstoffen, zum Beispiel Flugzeugrümpfe aus faserverstärkten Kunststoffen, Rotorblätter einer Windkraftanlage. Dazu werden entsprechend große Formen benötigt.
• Heutzutage werden für kleinere Bauteile aus Metall gefertigte Presswerkzeuge verwendet. Bei diesem Verfahren ist das so genannte „Sheet Molding Compound" (SMC) bekannt, dessen Eigenschaften und Bezeichnungen in der DIN EN 14598 definiert sind. Es handelt sich um einen wachsartigen Matrixkomplex, welcher durch das Presswerkzeug seine Form erhält und durch gleichzeitiges Erhitzen ausgehärtet wird. Ein erweitertes, in der Luft- und Raumfahrttechnik verwendetes Verfahren verwendet Metallformen und Autoklaven zur Herstellung. Der Pressdruck wird hierbei durch den Autoklav erzeugt. Der hierbei eingesetzte Matrixkomplex wird als „preimpregnated fibres" (Prepeg) bezeichnet.
• Für das Gießen nicht allzu großer Bauteile ist auch das Vakuum-Formverfahren bekannt, das in dem Buch „Formstoffe und Formverfahren" von E. Flemming und W. Tilch„ Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig Stuttgart 1993 auf den Seiten 411 bis 423 beschrieben ist.
• Für größere Bauelemente, wie etwa Bootsrümpfe, lassen sich die eben genannten Verfahren aus Gründen der Wirtschaftlichkeit nicht anwenden. Entsprechende Formen werden daher aus Holz gefertigt. Bekannt ist hier die Spantenbauweise, welche in vielerlei Anwendungen, zumeist zur Erlangung gewölbter oder runder Oberflächen, zum Einsatz kommt. Hierzu werden die einzelnen Spanten zueinander ausgerichtet und mittels Stringer verbunden. Eine anschließende Beplankung und Bearbeitung der Oberfläche führt zur gewünschten Form.
• Ein weiteres bekanntes Verfahren, nur in speziellen Fällen angewandt, verwendet Halbzeuge beispielsweise Blöcke aus geschäumtem Kunststoff, aus welchen mittels automatisierter Bearbeitung die Form hergestellt wird.
• Allgemein ist zu sagen, dass die genannten Verfahren mit zunehmender Größe des herzustellenden Objektes, ihre Wirtschaftlichkeit verlieren. Neben dem hohen Materialbedarf, bei der verbreiteten Spantenbauweise auch der enorme Arbeitszeitaufwand, ist hierfür zusätzlich die eingeschränkte Wiederverwendbarkeit des Formmaterials verantwortlich. Weiterhin benötigen die genanten Verfahren oftmals eine zeitaufwendige Nachbearbeitung der Formoberfläche.
• Der Erfindung gemäß Patentanspruch 1 liegt die Aufgabe zugrunde, durch automatisierte Bearbeitbarkeit sowie Wiederverwendbarkeit des Formmaterials die wirtschaftliche Effizienz zu erhöhen. Um eine weitere Verbesserung der Wirtschaftlichkeit zu erreichen, soll der Nacharbeitungsprozess der Oberfläche, sowohl an der Form als auch am Werkstück selbst, auf ein Minimum reduziert werden. Eine gute Entformbarkeit muss gewährleistet sein.
• Die Aufgabe wird gelöst durch Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 oder 2. Ein Bestandteil der Erfindung beruht demnach auf dem Gedanken, durch Ausnutzung des atmosphärischen Luftdrucks, die Reibung zwischen den Partikeln des Mediums derart zu erhöhen, so dass eine darin eingearbeitete Form, stabilisiert und fixiert wird.
• Durch diese, dem derzeitigen Formbau unbekannte technische Lehre ergeben sich enorme Vorteile. So können im Verhältnis zu anderen Verfahren sehr preiswerte Formmaterialien Verwendung finden. Eine weitere Verbesserung der Wirtschaftlichkeit ergibt sich durch die uneingeschränkte, direkte Wiederverwendbarkeit des Formmaterials sowie der Darstellbarkeit der Form durch automatisierte Prozesse. Bei Verwendung entsprechender Folien für den elastischen Bereich der Vorrichtung wird am Werkstück ohne Nachbearbeitung eine einwandfreie Oberfläche erreicht, wodurch aufwendiges Nacharbeiten überflüssig wird. Auch große Werkstücke sind leicht entformbar, da die Stabilität der Form vorwiegend auf Vakuum beruht. Aufgrund dieser Vorteile erhält dieses Verfahren auch bei heute noch nicht realisierten Größen, etwa bei Faserverbundobjekten, seine Wirtschaftlichkeit.
• Eine vorteilhafte Ausbildung der Erfindung besteht darin, ein gasdichtes Becken mit fester Wandung, in dem sich das Medium befindet und von oben einbringen, abführen, bearbeiten und formen lässt, welches anschließend mit einer elastischen Folie, welche den elastischen Bereich der Wandung bildet, verschlossen wird, so dass Folie und Becken das Volumen mit dem Medium luftdicht separieren. Zweckmäßig ist eine Ausgestaltung, bei welcher das Medium vorwiegend aus Sand besteht, welchem Zusätze zu einer erhöhten Zugfestigkeit, vorzugsweise Wasser, beigemengt sind. Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, für den elastischen Bereich eine Folie, welche eine Bruchdehnung von mindestens 250% aufweist, einzusetzen. Bei manchen Anwendungen ist es von Vorteil, den elastischen Bereich durch einen, auf dem geformten Medium, vorzugsweise durch Aufsprühen, aufgebrachten und aushärtenden, flüssigen Kunststoff herzustellen. In einfacher Weise lassen sich, Strukturen, wie Ecken und Kanten, welche durch das nachfolgende Einbringen und Anlegen des elastischen Bereichs unter Vakuum gefährdet sind, nach dem Bearbeiten und Formen des Mediums, durch lokales Einbringen einer haftvermittelnden Substanz, zwischen die Partikel des Mediums, fixieren. Eine weiter vorteilhafte Ausbildung der Erfindung ist gekennzeichnet dadurch, dass zwei Formbecken mit eingebrachter und fixierter Halbform durch Aneinanderfügen eine komplette Hohlform bilden. (6) Die nachfolgende Ausführung erläutert eine beispielhafte Ausgestaltung der Erfindung im Zusammenhang mit den Zeichnungen.
• 1 prinzipieller Aufbau der Vorrichtung

a

Medium

b

Randung

c

Verschließbare Öffnung

d

Elastischer Bereich der Wandung

e

Vakuumpumpe

• 2 ein beispielhafter Aufbau der Anlage zum Verfahren im Schnitt
• Die wichtigsten Merkmale sind:

1

Das Medium (zum Beispiel feuchter Sand)

2

Behältnis bzw. Untergrund

3

Luftdichte Separierung

4

Elastische Folie zum Beispiel Naturkautschuk

5

Halterung für die Folie

6

Vakuumpumpe

• 3 denkbare Möglichkeit zur Formgebung mittels Fräsmaschine

7

Absaugvorrichtung

8

Bearbeitungswerkzeug (Fräskopf)

• 4 eine fertige Form welche nun durch den Luftdruck über der Folie stabilisiert und fixiert ist und verwendet werden kann
• 5 Verfahrensablauf
• 6 Beispiel einer Hohlform

9

Fixierte und geformte Halbform

• Der Bau eines Schiffsrumpfs aus Faserverstärktem Kunststoff mit dem Verfahren und der Vorrichtung der Erfindung:
• 1. Einbringen des angefeuchteten Quarzsandes in ein gasdichtes Becken mit anschließender Verdichtung, beispielsweise durch Vibration und Druck. Alternativ kann dies durch Überziehen einer Folie und Evakuieren geschehen.
• 2. Die Form wird mit einer CNC gesteuerten Portalfräseinheit, welche mit den Daten des Schiffsrumpfes gespeist wird, in den Sand hineingearbeitet. Der gelöste Sand wird gleichzeitig abgesaugt. Der Einsatz weiterer Methoden zur Formgebung ist denkbar. Möglich sind etwa direktes Absaugen, Verdichten sowie Verlagern/Bewegen. Zur Bearbeitung ist auch die Einbringung von Schallenergie/Vibration denkbar.
• 3. Nun wird mit einer Latexfolie das Becken verschlossen. Eine geeignete Vorrichtung erleichtert den luftdichten Verschluss und ermöglicht eine Vorspannung bzw. fixiert die Folie am Behältnis bei später auftretenden Zugspannungen.
• 4. Darauf folgend wird das Becken evakuiert. Somit presst der Luftdruck die dehnbare Folie an die Kontur der negativen Schiffsrumpfsform. In manchen Anwendungsfällen ist es sinnvoll, das Vakuum nicht maximal auszubilden um den nachfolgend unter 5. geschilderten Verfahrensschritt zu erleichtern.
• 5. Nun besteht die Möglichkeit die Form mittels mechanischer Krafteinwirkung auf den Sand, von Außen durch die Folie aufgebracht, nachzubearbeiten. Beispielsweise durch Rollen und der damit entstehenden Verlagerung und Glättung des Sandes. Es sei darauf hingewiesen, dass in speziellen Fällen auf Schritt 2 verzichtet und die Formgebung ausschließlich hiermit erreicht werden kann. Wie in Punkt 2 genannt kann auch hierzu auf Schallenergie/Vibration zurückgegriffen werden, um die Fließeigenschaften des Sandes zu verändern und die Bearbeitung zu erleichtern.
• 6. Nachdem die Form wunschgemäß ausgebildet ist, empfiehlt es sich zur Sicherung der Form, das Vakuum entsprechend zu erhöhen.
• 7. Durch die damit entstandene Festigkeit ist die Form nun verwendungsbereit. Nun wird das Fasergelege, nach etwaigem Aufbringen eines Trennmittels, eingebracht. Das Werkstück, in diesem Fall der Schiffrumpf, kann entweder durch Handlaminieren der einzelnen Schichten oder durch das ebenfalls bekannte Vakuuminjektionsverfahren in der Formvorrichtung hergestellt werden.
• 8. Nach Aushärtung wird das Vakuum aufgehoben, die Form verliert ihre Festigkeit und der fertige Rumpf wird leicht freigegeben.
• Für den Fachmann ist es ersichtlich, dass verschiedene Modifikationen und Änderungen der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne vom Gedanken oder vom Umfang der Erfindung abzuweichen.

Claims (6)

1. Verfahren zur Herstellung von großen Körpern, wie Flugzeug- oder Bootsrümpfe, Rotorblätter für Windkraftanlagen, aus Verbundwerkstoffen mit folgenden Schritten: a. Einbringen eines Mediums aus einzelnen Partikeln in ein gasdichtes Behältnis b. Verdichten der einzelnen Partikel zu einem Körper c. Einbringen einer Kontur in den Körper mit einer CNC gesteuerten Fräsmaschine d. Bedecken der Kontur und des Behältnisrandes mit einer Folie e. Evakuieren des Behältnisses f. Einbringen eines Verbundwerkstoffes auf die geformte Folie g. Aushärtung des Verbundwerkstoffes und Entformung
2. Verfahren zur Herstellung von großen Körpern, wie Flugzeug- oder Bootsrümpfe, Rotorblätter für Windkraftanlagen, aus Verbundwerkstoffen mit folgenden Schritten: a. Einbringen eines Mediums aus einzelnen Partikeln in ein gasdichtes Behältnis b. Verdichten der einzelnen Partikel zu einem Körper c. Einbringen einer Kontur in den Körper mit einer CNC gesteuerten Fräsmaschine d. Aufsprühen eines aushärtenden, flüssigen Kunststoffes e. Evakuieren des Behältnisses f. Einbringen eines Verbundwerkstoffes auf die geformte Kunststoffoberfläche g. Aushärtung des Verbundwerkstoffes und Entformung
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Medium vorwiegend aus Sand besteht, dem zugfestigkeitserhöhende Zusätze wie Wasser beigemengt sind.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Kontur in Schritt c mit einer CNC gesteuerten Fräsmaschine mit Absaugvorrichtung, in das Medium eingearbeitet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Verfahrensschritt c und d durch lokales Einbringen einer haftvermittelnden Substanz zwischen die Partikel des Mediums, Strukturen, wie Ecken und Kanten, fixiert werden.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Verfahrensschritt e und f die Kontur der Folie mit einer CNC geführten parabelförmige Rolle nachgearbeitet wird.