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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Formen eines gekrümmt flächigen Bauteils, eine Anordnung zum Formen eines gekrümmt flächigen Bauteils mit einer solchen Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Vorrichtung.
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Zur Herstellung großer gekrümmter flächiger Bauteile, beispielsweise Strukturkomponenten eines Luft oder Raumfahrzeugs wie einem Rumpfabschnitt, sind dementsprechend geformte Werkzeuge bzw. Vorrichtungen zur Herstellung notwendig.
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Obwohl auf beliebige Arten von gekrümmt flächigen Bauteilen und auf unterschiedlichste Werkstoffe, insbesondere auch auf Faserverbundwerkstoffe bzw. Laminier- und/oder Klebevorrichtungen, anwendbar, werden die vorliegende Erfindung sowie die ihr zugrunde liegende Problematik in Bezug auf eine Vorrichtung zum Relaxationsumformen von Blechen näher erläutert.
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Eine dem Anmelder intern bekannte Vorrichtung 100 zum Relaxationsumformen ist in 1 dargestellt. Diese weist ein Trägergestell 101 auf, auf welches eine entsprechend der gewünschten Bauteilkontur gekrümmte Formplatte 102 aufgebracht ist. Auf der Formplatte 102 kann zum Formen eines Bauteils ein Blech aufgebracht und an den Seiten oder ganzflächig mit einer nicht dargestellten Vakuumabdeckung versehen werden. Bei Anlegen eines Unterdrucks zwischen der Formplatte 102 und der Vakuumabdeckung wird das Bauteil entsprechend der durch die Formplatte 102 vorgegebenen Kontur geformt.
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Die Druckschrift
DE 100 47 491 A1 beschreibt ein Verfahren zum Umformen von komplexen Strukturen aus Aluminium-Legierungen durch elastisches Formen eines umzuformenden Bauteils in eine vorgegebene Kontur unter externer Krafteinwirkung und Erwärmen des elastisch geformten Bauteils.
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Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Vorrichtung zum Formen eines gekrümmt flächigen Bauteils bereitzustellen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, eine Anordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 13 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 15 gelöst.
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Demgemäß ist vorgesehen:
- – Eine Vorrichtung zum Formen eines gekrümmt flächigen Bauteils, insbesondere eines Rumpfbauteils für ein Luft- oder Raumfahrzeug, mit einer Vielzahl von in unterschiedlicher Ausrichtung ineinander steckbaren Blechen, welche zur Ausbildung einer mit Zwischenräumen versehenen dreidimensionalen Struktur ineinander gesteckt angeordnet sind; einem Formabschnitt, welcher an der dreidimensionalen Struktur angeordnet ist und eine Oberflächenkontur aufweist, die eine Oberflächenform des zu formenden flächigen Bauteils vorgibt; einer die dreidimensionale Struktur umfassenden Hülle, welche zur Herstellung eines Unterdrucks innerhalb der dreidimensionalen Struktur ausgebildet ist und in dem Bereich des Formabschnitts derart ausgenommen ist, dass ein auf den Formabschnitt aufgebrachtes Bauteil mittels eines angelegten Unterdrucks gemäß der Oberflächenkontur des Formabschnitts formbar ist.
- – Eine Anordnung zum Formen eines gekrümmt flächigen Bauteils, insbesondere eines Rumpfbauteils für ein Luft- oder Raumfahrzeug, mit: einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; und einer Trägereinrichtung zum Tragen der Vorrichtung.
- – Ein Verfahren zum Herstellen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit den folgenden Verfahrensschritten: Ineinanderstecken einer Vielzahl von in einander steckbaren Blechen in unterschiedlicher Ausrichtung zur Ausbildung einer mit Zwischenräumen versehenen dreidimensionalen Struktur; Vorsehen eines Formabschnitts an der dreidimensionalen Struktur, welcher eine Oberflächenkontur aufweist, die eine Oberflächenform eines zu formenden gekrümmt flächigen Bauteils vorgibt; und Umfassen der dreidimensionalen Struktur mit einer zur Herstellung eines Unterdrucks innerhalb der dreidimensionalen Struktur ausgebildeten Hülle, welche in dem Bereich des Formabschnitts derart ausgenommen ist, dass ein auf den Formabschnitt aufgebrachtes Bauteil mittels eines angelegten Unterdrucks gemäß der Oberflächenkontur des Formabschnitts formbar ist.
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Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, eine dreidimensionale Anordnung von ineinander gesteckten Blechen als Basis eines Formabschnitts und gleichzeitig als Unterdruckvolumen vorzusehen. Der Unterdruck erzeugt eine Kraft auf das Bauteil, welche sich über den Formabschnitt an der dreidimensionalen Struktur der ineinander gesteckten Bleche abstützt. Somit erfolgt bei Anlegen eines Unterdrucks gleichzeitig eine selbsttätige Ausrichtung bzw. geeignete Kompaktierung der ineinander gesteckten Bleche und ein Formen des Bauteils entsprechend der gewünschten Oberflächenkontur. Auf diese Weise ist trotz einer sehr einfachen Konstruktion und Herstellbarkeit der Vorrichtung, die insbesondere lediglich Steckverbindungen der Bleche vorsieht, eine hohe Maßhaltigkeit des zu formenden Bauteils erzielbar.
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Bisweilen werden Vorrichtungen zum Formen gekrümmt flächiger Bauteile als Einzelfertigung für das herzustellende Bauteil mit einer auf Maß gefertigten Formplatte ausgeführt, welche fest mit einem Trägergestell verschweißt ist. Zur Herstellung einer derartigen Formplatte wird zunächst ein Plattenrohling entsprechend der gewünschten Krümmung grob geformt. Gegebenenfalls können mehrere Segmente der Platte nach dem Umformen miteinander verschweißt werden. Anschließend wird die Platte mit dem Trägergestell verschweißt. Nach jedem Schweißvorgang ist ggfs. ein Schritt des Spannungsarmglühens vorgesehen. Es folgen mehrere Fräß- und Polierschritte der Formplatte, bis die gewünschte Maßhaltigkeit erreicht ist.
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Erfindungsgemäß wird nun die Herstellung einer Vorrichtung zum Formen eines gekrümmt flächigen Bauteils sehr stark vereinfacht und ist daher sehr viel aufwandsärmer und somit kostengünstiger realisierbar. Insbesondere ist die Prozesskette zur Herstellung deutlich kürzer, zumal auf Maßnahmen zur massiven Umformung, zur spanenden Bearbeitung sowie auf Schweißarbeiten und dementsprechend auch auf Spannungsarmglühen verzichtet werden kann. Insbesondere erfordert die Steckverbindung der Bleche keinerlei Schweißarbeit: Die Bleche sind vorzugsweise unverschweißt ineinander gesteckt.
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Darüber hinaus ermöglicht die erfindungsgemäße Vorrichtung vorteilhaft eine modulare Umrüstung für Formen mit unterschiedlichen Oberflächenkonturen. Insbesondere können eine Hülle bzw. ein Mantel der Vorrichtung sowie eine Trageinrichtung für die Vorrichtung mit unterschiedlichen Paketen ineinander steckbarer Bleche eingesetzt werden.
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Ferner können die ineinandergesteckten Bleche einer momentan nicht benötigten Form auf einfache Weise wieder zerlegt werden. Somit ist eine sehr platzsparende Einlagerung ermöglicht.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann zum Formen von Bauteilen unterschiedlichster Materialien eingesetzt werden. Beispielsweise können damit Metallbleche in eine gekrümmte Form umgeformt werden, insbesondere durch Relaxationsformen oder Tiefziehen mittels Unterdruck. Ferner können auf der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch Laminate unterschiedlichster Art geformt werden. Darüber hinaus kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch zur Herstellung faserverstärkter Kunststoffe eingesetzt werden. Weitere Anwendungen zum Formen eines Bauteils sind denkbar. Dementsprechend kann die Vorrichtung beispielsweise auch als Laminat-, Laminier- oder Leim-Klebevorrichtung ausgebildet sein.
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All diesen Anwendungen ist gemeinsam, dass zum Formen des herzustellenden Bauteils ein Unterdruck angelegt wird. Beispielsweise dient der Unterdruck beim Umformen zur Beaufschlagen mit einer Umformkraft. Beim Laminieren dient der Unterdruck beispielsweise zum Aufbringen oder Unterstützen einer zum Laminieren erforderlichen Presskraft. Zur Herstellung faserverstärkter Kunststoffe dient der Unterdruck beispielsweise zur Kompaktierung bzw. Vorkompaktierung von Fasern für einen Infiltrationsprozess zur Vermeidung von Lufteinschlüssen und/oder zur Erhöhung des Faservolumengehalts. Ferner kann der Unterdruck als auf das Bauteil wirkender Druck zum Aushärten eines Harzes dienen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist zum Kaltformen unter Vakuum und/oder für eine kombinierte Vakuum/Wärmebehandlung geeignet bzw. ausgebildet. Die Wärmebehandlung kann beispielsweise in einem Ofen oder Autoklaven erfolgen. Ferner ist es denkbar, eine in die Vorrichtung integrierte Heizeinrichtung zur Wärmebehandlung vorzusehen.
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Zum Formen eines Bauteils wird das in die Vorrichtung eingelegte Material oder Halbzeug zumindest abschnittsweise mit einer Vakuumabdeckung abgedeckt. Sofern das Bauteil selbst Vakuumdicht ist, genügt eine Abdeckung an den Seiten des Formabschnitts. Andernfalls kann das Bauteil auch vollständig abgedeckt werden, beispielsweise mit einer Vakuumfolie.
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Die Vakuumabdeckung und/oder das Bauteil bilden gemeinsam mit der Hülle ein Unterdruckvolumen, in welchem beispielsweise mittels einer Vakuumpumpe ein Unterdruck herstellbar ist. Insbesondere ist die Hülle daher in dem Bereich des Formabschnitts, in welchem das Bauteil und die Vakuumabdeckung vorgesehen sind, ausgenommen vorgesehen. Bei der Vakuumpumpe handelt es sich insbesondere um eine externe Vakuumpumpe. Eine Integration einer Vakuumpumpe in die Vorrichtung oder in die Anordnung ist jedoch ebenso denkbar.
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Für eine Regelung des Differenzdrucks zu einem umgebenden Druck können eine oder mehrere Prüfleitungen in die Vorrichtung integriert werden.
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Zudem ist das Medium zur Übertragung der Druckkräfte nicht auf Luft beschränkt. Beispielsweise kann es auch durch Wasser ersetzt werden.
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Mit der Trägereinrichtung der Anordnung ist eine Lagerung und der Transport der Vorrichtung auf einfache Weise, insbesondere mittels eines Krans, Gabelstaplers oder dergleichen, möglich. Insbesondere weist die Trägereinrichtung sogenannte Heißpunkte, d. h. zum Anheben bzw. Aufhängen geeignete Punkte, auf. Vorzugsweise sind derartige Heißpunkte in den sogenannten Besselpunkten, d. h. an den für eine möglichst geringe Verbiegung der Längsträger optimalen Positionen, vorgesehen.
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In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung.
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Gemäß einer Weiterbildung ist die Oberflächenkontur des Formabschnitts gekrümmt ausgebildet. Insbesondere handelt es sich um eine zweifache Krümmung. Auf diese Weise können gekrümmte, insbesondere mehrfach gekrümmte, Bauteile geformt werden, wie beispielsweise eine Rumpfheck-Sektion eines Flugzeugs.
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Gemäß einer Ausführungsform sind die ineinander gesteckt angeordneten Bleche jeweils im Wesentlichen normal zu dem Formabschnitt ausgerichtet. Insbesondere sind die ineinandergesteckt angeordneten Bleche zumindest teilweise normal zu der Oberflächenkontur des Formabschnitts ausgerichtet. Unter einer im Wesentlichen normalen Ausrichtung ist zu verstehen, dass die Bleche lokale oder geringfügige Abweichungen der normalen Ausrichtung aufweisen können. Geringfügige Abweichungen können beispielsweise im Bereich von < 10° vorgesehen sein. Lokale Abweichungen können, insbesondere im Bereich von Konturänderungen der Oberflächenkontur, auch größer sein. Durch die im wesentlichen normale Ausrichtung der Bleche zu dem vom Abschnitt wird ein durch den Unterdruck auf den Formabschnitt wirkender Druck im Wesentlichen senkrecht auf die Bleche bzw. auf die Kanten der Bleche übertragen. Vorteilhaft weisen die Bleche in dieser Belastungsrichtung eine hohe·Steifigkeit auf, sodass eine geringe Verwendung und eine hohe Maßhaltigkeit bereitgestellt werden. Darüber hinaus werden die ineinandergesteckten Bleche auf diese Weise auf Anschlag ineinander gedrückt, sodass sie sich nach Anlegen des Unterdrucks stets exakt in der zur Formgebung des Bauteils gewünschten Position befinden, wodurch ebenfalls eine hohe Maßhaltigkeit des zu formenden Bauteils erreicht wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Formabschnitt mit einem auf den Blechen aufliegenden Deckblech gebildet. Dieses Deckblech ist mittels Anlegen eines Unterdrucks auf die Bleche drückbar ausgebildet ist. Vorteilhaft braucht daher das Deckblech mit den ineinander steckbaren Blechen nicht oder zumindest nicht vollflächig verbunden sein. Stattdessen wird das Deckblech gemeinsam mit den ineinandersteckbar Blechen mittels des Unterdrucks auf selbsthelfende Weise in die zum Formen des Bauteils gewünschte Position gebracht. Das Deckblech und die ineinandersteckbar Bleche wirken somit in einer Weise mit dem angelegten Unterdruck zusammen, welche eine selbsttätige exakte Ausrichtung der ineinander gesteckten Blechen und des Deckblechs ermöglicht. Insbesondere liegt das Deckblech auf den Kanten der ineinander steckbaren Bleche auf und gleitet darauf gegebenenfalls zur exakten Ausrichtung ab. Die Blechstärke des Deckblechs ist vorzugsweise derart ausgelegt, dass die gewünschte Krümmung angepasst an die durch die ineinander steckbaren Bleche vorgegebene Kontur gegebenenfalls schwerkraftunterstützt mittels des zum Formen des Bauteils angelegten Unterdrucks erreichbar ist. Insbesondere handelt es sich je nach Werkstoff um eine vergleichsweise dünne Blechstärke des Deckblechs, insbesondere im Bereich weniger Millimeter, beispielsweise 0,5 mm bis 1,5 mm. Vorteilhaft ist somit ein konturgeben des Umformen oder Abfräßen des Deckblechs obsolet. Die gewünschte Krümmung des Deckblechs erfolgt stattdessen bei angelegtem Unterdruck selbstausrichtend. Somit ist die gewünschte Maßhaltigkeit des Formabschnitts vorteilhaft ohne Umformen und ohne Fräßarbeiten am Deckblech erreichbar.
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Gemäß einer Weiterbildung umfasst das Deckblech eine Mehrzahl von aneinander angrenzenden Abschnitten. Vorzugsweise handelt es sich dabei um streifenartigen Abschnitte. Insbesondere erstrecken sich die Streifen über die gesamte Breite der Vorrichtung. Übergänge oder Kanten der Abschnitte sind dabei zumindest teilweise im Bereich von Konturänderungen der Oberflächenkontur des Formabschnitts angeordnet. Vorteilhaft ist somit eine lokale Anpassung des Deckblechs an die gewünschte Oberflächenkontur ermöglicht wobei Kanten am Bauteil nur bei Konturänderung, d. h. an ohnehin vorhergesehen Kanten der Bauteiloberfläche und nicht in Flächen des Bauteils auftreten. Denkbar wäre auch, an sehr stark gekrümmten Abschnitten des Formabschnitts dünnere Blechstärken des Deckblechs einzusetzen als an leicht gekrümmten Abschnitten. Auf diese Weise kann höheren statischen Belastungen beim Formen des Bauteils an weniger gekrümmten Abschnitten und einer einfacheren Realisierung stärkerer Krümmungen Rechnung getragen werden.
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Gemäß einer Ausführungsform verlaufen die Kanten der Abschnitte zumindest teilweise wellenförmig. Wellenförmige Kanten benachbarter Abschnitte greifen dabei formschlüssig ineinander. Auf diese Weise richten sich die Bleche vorteilhaft selbsttätig zueinander aus.
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Bei einer Ausführungsform können Abschnitte zusätzlich miteinander verbunden sein. In diesem Fall können entsprechend Verbindungsmittel zum Verbinden der Abschnitte vorgesehen sein.
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Gemäß einer Ausführungsform weist das Deckblech eine Perforation auf. Alternativ oder zusätzlich ist an einem Übergang zwischen dem Deckblech und der Hülle ein Spalt vorgesehen. Insbesondere kann die Art- und Größe einer Perforation auf die Prozessbedingten örtlichen Druckerfordernisse ausgelegt vorgesehen sein. Alternativ oder zusätzlich können bei einer regelmäßigen Perforation lokal zusätzliche Bohrungen vorgesehen sein und/oder einzelne Abschnitte der Perforation durch Abkleben oder Abdecken von Bohrungen bzw. Öffnungen modifiziert werden. Die Perforation und/oder der Spalt dienen zur Übertragung des Unterdrucks aus der dreidimensionalen Struktur bzw. aus einem von der Hülle umschlossenen Unterdruckvolumen auf das Bauteil und/oder eine über das Bauteil gezogene Vakuumabdeckung. Eine das Bauteil vollständig überdeckende Vakuumfolie ist nur dann notwendig, wenn das Bauteil nicht selbst Vakuum dicht ausgebildet ist. Bei einem vakuumdichten Bauteil kann auch lediglich der Bereich eines Übergangs von der Hülle zu dem Bauteil bzw. der Bereich des Spalts mit der Vakuumabdeckung abgedichtet werden. Durch den übertragenen Unterdruck kann das Bauteil an den Formabschnitt angesaugt und auf diese Weise geformt werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform sind die ineinander gesteckt angeordneten Bleche als Rippen und Holme der dreidimensionalen Struktur ausgebildet. Insbesondere können die Rippen und Holme normal bzw. rechtwinklig zueinander ausgerichtet sein. Auch eine parallelogrammartige Ausrichtung ist möglich. Somit ist eine Art Kastenstruktur oder Eierschachtelstruktur geschaffen die vorteilhaft einen einfachen Aufbau aufweist und in Belastungsrichtung stabil ist.
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Gemäß einer Weiterbildung sind die Holme in Sektionen unterteilt ausgebildet sind. Insbesondere ist im Bereich eines Übergangs zwischen den Sektionen ein Überlapp der Holme vorgesehenen. Auf diese Weise ist ein formstabiler und steifer Übergang zwischen den Sektionen geschaffen.
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Gemäß einer alternativen oder zusätzlichen Weiterbildung sind die Rippen auf ein gemeinsames Längsversteifungselement aufgefädelt vorgesehen. Insbesondere handelt es sich bei dem Längsversteifungselement um ein Längsversteifungsrohr. Das Längsversteifungselement ist in Längsrichtung zusätzlich zu den Holmen vorgesehen. Die Rippen weisen dementsprechende Ausnehmungen zur Durchführung des Längsversteifungselements auf. Im Fall eines runden Rohres zur Längsversteifung handelt es sich dementsprechend zumindest teilweise um runde Ausnehmungen. Zusätzlich können die Ausnehmungen teilweise langlochartig ausgebildet sein. Beispielsweise kann so eine Fest-Los-Lagerung der Rippen an den Längsversteifungselementen realisiert werden. Andere Formen des Rohres und der Ausnehmungen sind denkbar. Beispielsweise könnte auch ein Vierkantrohr als Längsversteifungselement vorgesehen sein, wobei entsprechend geformte rechteckige Ausnehmungen in den Rippen vorgesehen sind.
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Das Längsversteifungselement bzw. Längsversteifungsrohr dient unter anderem als Auflager bei der Herstellung. Mittels des Längsversteifungselements ist daher vorteilhaft eine vereinfachte und verbesserte Handhabung der Vorrichtung bei deren Herstellung bzw. deren Aufbau ermöglicht. Dies ist vor allem bei Vorrichtungen zum Formen sehr großer Bauteile, beispielsweise eines Rumpfabschnitts eines Flugzeugs, welche in einem vormontierten Zustand nur schwer zu handhaben sind, besonders vorteilhaft.
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Insbesondere wird der Abstand zwischen den auf dem Längsversteifungselement aufgefädelten Rippen durch die Holme definiert, welche in die Rippen eingesteckt sind. Auf diese Weise wird die dreidimensionale Struktur der ineinander gesteckten Bleche unabhängig von den übrigen Komponenten der Vorrichtung handhabbar. Dies kann beispielsweise beim modularen Austausch der ineinandergesteckten Bleche sehr vorteilhaft sein.
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Darüber hinaus bietet das Längsversteifungselement bei der Montage oder bei einem Umbau die Möglichkeit einer sehr einfachen und effizienten Ausrichtbarkeit der Vorrichtung relativ zu einer Trägereinrichtung, auf welcher die Vorrichtung gelagert werden soll. Beispielsweise kann im Falle eines Längsversteifungsrohrs ein Dorn in das Längsversteifungsrohr eingreifen und so die Vorrichtung auf einfache Weise relativ zu einer Trägereinrichtung ausrichten. Somit kann die Vorrichtung insbesondere an vorbestimmten Lagerpunkten, beispielsweise an Kreuzungspunkten der Rippen und Holme, ohne zusätzlichen Justageaufwand auf die Trägereinrichtung aufgesetzt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die ineinander steckbaren Bleche geschlitzt ausgebildet und mit ihren Schlitzen derart ineinander gesteckt angeordnet sind, dass sie bei Anlegen eines Unterdrucks in eine für die Formgebung des Bauteils vorgesehene Position, insbesondere innerhalb der Schlitze auf Anschlag miteinander, gedrückt werden. Beispielsweise sind die Bleche am Ansatz der Schlitze mit einem auf Maß angesetzten Langlochversehen. Der Schlitz sowie die gesamte Kontur der Bleche kann anschließend durch Trennen, beispielsweise mittels eines Laserstrahls, ausgeschnitten werden. Die ineinandergesteckten Bleche werden daher bei Anlegen des Unterdrucks bis in das auf Maß eingebrachte Langloch ineinander eingeschoben, sodass sie sich an den Langlöchern auf Anschlag treffen. Alternativ zu separat auf Maß eingebrachten Langlöchern kann auch eine direkt mittels des Trennprozesses zum Ausschneiden des Blechs erzeugte Anschlagkante vorgesehen sein. Insbesondere kann die Form des Langlochs somit auch bei dem Trennprozess mit ausgeschnitten werden. Toleranzen hängen somit lediglich von der Genauigkeit beim Herstellen der Schlitze und/oder beim Ausschneiden der einzelnen Bleche, beispielsweise auf einer Laserstrahl-Trennanlage, ab. Somit ist eine einfach herzustellende schwimmende Lagerung der ineinander steckbaren Bleche bereitgestellt, welche dennoch eine maßhaltige Formbasis für ein zu formendes Bauteil bereitstellt.
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Gemäß einer Ausführungsform weisen die ineinander steckbaren Bleche eine Blechstärke kleiner als 3 mm, insbesondere kleiner oder gleich 2 mm, vorzugsweise kleiner oder gleich 1 mm auf. Auf diese Weise wird vorteilhaft ein durch die Blechstärke bedingter Konturfehler der Oberfläche des Formabschnitts minimiert, welcher bei dickeren Blechen durch eine je nach Krümmung der gewünschten Oberflächenkontur sich verändernde Kantenauflage des Deckblechs auftreten kann.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung weist der Formabschnitt eine Heizeinrichtung auf, die zum Erhitzen des Bauteils ausgebildet ist. Vorteilhaft kann eine derartige Heizeinrichtung bei anliegendem Vakuum das Bauteil sehr effizient beheizen, da das Vakuum die Heizeinrichtung an den vom Bauteil abgewandten Abschnitten vom Rest der Vorrichtung und von der Umgebung isoliert. Somit kann die Heizenergie ohne zusätzliche Maßnahmen vorwiegend in das Bauteil gebracht werden. Bei der Heizeinrichtung kann es sich beispielsweise um eine elektrische Heizmatte handeln. Die Heizeinrichtung kann beispielsweise oberhalb und/oder unterhalb des Deckblechs an dem Formabschnitt angeordnet sein.
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Gemäß einer Ausführungsform ist Hülle als Beplankung der ineinander steckbaren Bleche ausgebildet. Die Beplankung ist zur Herstellung einer Vakuumdichtheit beispielsweise verschweißt. Die Hülle ist somit als ein formstabiler Mantel ausgebildet, welcher für ein austauschbares Blechpaket, beispielsweise für andere Formen einer Oberflächenkontur des Formabschnitts, wiederverwendbar ist. Auf diese Weise können Herstellungskosten eingespart werden. Insbesondere ist die Beplankung aus einem gleichen Werkstoff wie die ineinander steckbaren Bleche gebildet. Somit weist die Beplankung vorteilhaft einen gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie die ineinandersteckbar Bleche auf, sodass die Vorrichtung auch für Anwendungen im Ofen und/oder Autoklav geeignet bzw. ausgebildet ist. Da Hülle bei Anlegen eines Vakuums stets mit den ineinandergesteckten Blechen ausgefüllt ist, wird sie davon gestützt und braucht daher selbst keine hohe mechanische Belastbarkeit aufweisen. Beispielsweise kann es sich daher bei der Beplankung, wie auch bei den ineinander steckbaren Blechen, um dünne Bleche handeln.
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Gemäß einer Ausführungsform einer Anordnung zum Herstellen eines gekrümmt flächigen Bauteils weist die Trägereinrichtung eine Vielzahl von Pendelauflageelementen auf, auf welchen die Vorrichtung im Bereich von Kreuzungspunkten der ineinander gesteckten Bleche auflegbar ist. Beispielsweise können die Pendelauflageelemente ein Kugelkopflager aufweisen. Somit ist eine gewisse Beweglichkeit und somit eine schwimmende Lagerung der Vorrichtung auf der Trägereinrichtung ermöglicht. Die ineinandergesteckten Bleche können sich auf diese Weise zur Ausrichtung bei Anlegen eines Unterdrucks noch bewegen.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die Trägereinrichtung ferner eine Lasche auf, welche mit dem Längsversteifungselement der Vorrichtung verbindbar ausgebildet und angeordnet ist. Beispielsweise kann es sich im Falle eines Längsversteifungsrohrs um eine mit einem zum Eingriff in das Längsversteifungsrohr ausgebildeten Dorn versehene oder versehbare Lasche handeln.
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Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Insbesondere sind sämtliche Merkmale der Vorrichtung auf eine Anordnung mit dieser Vorrichtung oder auf ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Vorrichtung übertragbar. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale der Erfindung. Insbesondere wird dabei der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren der Zeichnung näher erläutert. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander gezeigt.
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Von den Figuren zeigen:
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1 ein Beispiel einer Vorrichtung zum Formen eines gekrümmten Bauteils;
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2 eine schematische Querschnittsansicht einer Vorrichtung zum Formen eines gekrümmten Bauteils;
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3 eine schematische Querschnittsansicht einer Vorrichtung zum Formen eines gekrümmten Bauteils gemäß einer weiteren Ausführungsform;
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4 eine perspektivische Detailansicht von ineinandergesteckten Blechen;
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5 eine perspektivische Ansicht einer Anordnung zum Formen eines gekrümmten Bauteils;
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6 eine schematische Seitenansicht und Draufsicht der Anordnung gemäß 5;
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7 eine Detailansicht der Anordnung gemäß 5; und
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8 eine Vorderansicht der Anordnung gemäß 5.
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In den Figuren bezeichnen dieselben Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.
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1 zeigt ein Beispiel einer bekannten Vorrichtung 100 zum Formen eines gekrümmten Bauteils.
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Die bekannte Vorrichtung 100 weist ein Trägergestell 101 auf, auf welches eine entsprechend der gewünschten Bauteilkontur gekrümmte Formplatte 102 aufgebracht ist. Das Trägergestell 101 ist als ein verschweißtes offenes Fachwerk ausgebildet. Die Formplatte 102 ist massiv ausgebildet und aus einem Plattenrohling mit einer Stärke von 20 mm hergestellt. Zur Herstellung wird der massive Plattenrohling entsprechend der gewünschten Krümmung umgeformt und mit dem Trägergestell 101, welches auf die umgeformte Platte abgestimmt ist, verschweißt.. Zum Herstellen der Maßhaltigkeit der gewünschten Oberflächenkontur wird der Plattenrohling anschließend in mehreren Fräß- und Polierschritten zu der Formplatte 102 geformt.
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2 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer Vorrichtung 1 zum Formen eines gekrümmten Bauteils 6.
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Die Vorrichtung 1 ist zum Formen eines gekrümmt flächigen Rumpfbauteils für ein Flugzeug ausgebildet. Sie weist eine Vielzahl von in unterschiedlicher Ausrichtung ineinander steckbaren Blechen 2 auf, welche ineinander gesteckt angeordnet sind. Die ineinandergesteckten Bleche 2 bilden eine mit Zwischenräumen 3 versehene dreidimensionale Struktur 4 aus, welche die Basis der Vorrichtung 1 bildet.
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An der Oberseite der dreidimensionalen Struktur 4 ist ein mit einem Deckblech 8 gebildeter Formabschnitt 5 vorgesehen. Dieser weist eine gekrümmte Oberflächenkontur auf, welche die Oberflächenform des zu formenden Bauteils 6 vorgibt.
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Die dreidimensionale Struktur ist von einer Hülle 7 umfasst. Die Hülle 7 dient zur Bereitstellung eines Unterdruckvolumens innerhalb der dreidimensionalen Struktur 4 und ist zum Herstellen eines Unterdrucks ausgelegt. Zum Anlegen eines Unterdrucks ist eine hier nicht dargestellte externe Vakuumpumpe vorgesehen, welche fluidisch mit dem durch die Hülle gebildeten Unterdruckvolumen verbunden ist.
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Im Bereich des Formabschnitts 5 weist die Hülle 7 eine Ausnehmung auf, in welcher ein Bauteil 6 angeordnet ist. Beispielsweise kann es sich dabei um ein umzuformendes Blechhalbzeug oder Vorprodukt aus Metall handeln.
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An einem Übergang zwischen der Hülle 7 und dem Formabschnitt 5 sind Spalte 10 vorgesehen. Diese dienen der Übertragung eines Unterdrucks auf das Bauteil 6. Die Spalte sind zu einer Umgebung nach außen hin mit einer Vakuumabdeckung 17 versehen, welche sich bis über das Bauteil 6 erstreckt und so den Formabschnitt und damit das Unterdruckvolumen der Hülle gegenüber der Umgebung luftdicht abschließt. Da das Bauteil hier als Blech ausgebildet ist, weist es selbst eine Vakuumdichtheit auf und ist daher nicht zusätzlich abgedeckt. Falls ein Bauteil 6 nicht vakuumdicht ausgebildet ist, kann die Vakuumabdeckung 17 selbstverständlich auch als den Formabschnitt 5 vollständig überdeckende Vakuumfolie ausgebildet sein.
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Bei Anlegen eines Unterdrucks mittels der nicht dargestellten Vakuumpumpe wird das Volumen der Zwischenräume 3 in der dreidimensionalen Anordnung 4 und somit das von der Hülle 7 umschlossene Unterdruckvolumen evakuiert. Der Unterdruck wird über die Spalte 10 auf das Deckblech 8 und das Bauteil 6 übertragen. Somit wird das Bauteil 6 mittels des angelegten Unterdrucks in die Form des Formabschnitts 5 gezogen und gegen das Deckblech 8 gedrückt, wobei das Deckblech 8 wiederum gegen die ineinandergesteckten Bleche 2 der dreidimensionalen Struktur 4 gedrückt wird. Auf diese Weise wird eine Reaktionskraft des Unterdrucks über die dreidimensionale Struktur abgestützt und das Bauteil durch den Unterdruck gemäß der Oberflächenkontur des Formabschnitts 5 geformt.
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3 zeigt eine schematische Querschnittsansicht gemäß einer weiteren Ausführungsform einer Vorrichtung 1 zum Formen eines gekrümmten Bauteils 6. Die Vorrichtung 1 unterscheidet sich zur Ausführungsform gemäß 2 durch die Anordnung der Bleche 2.
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Die Bleche 2 sind hier als Rippen 11 und Holme 12 ausgebildet. Die Holme 12 sind hier im Querschnitt gezeigt verlaufen in Längsrichtung der Vorrichtung 1. Die Rippen 11 verlaufen in Querrichtung der Vorrichtung 1. Dementsprechend ist hier eine komplette Seitenansicht einer Rippe 11 dargestellt.
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Die Rippen sind zusätzlich auf Längsversteifungselemente 14 aufgefädelt bzw. aufgeschoben, welche hier beispielhaft in Form von vier Längsversteifungsrohren ausgebildet sind. Die Längsversteifungsrohre dienen unter anderem der einfacheren Handhabung bei der Herstellung der Vorrichtung sowie der einfacheren Ausrichtung der Vorrichtung 1 an einer Trägereinrichtung 21.
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Da die Rippen 11 in Querrichtung verlaufen, sind sie normal, d. h. senkrecht zu dem Formabschnitt 5 bzw. dem Deckblech 8 ausgerichtet. Die Holme sind hier derart angeordnet bzw. derart in die Rippen eingesteckt vorgesehen, dass sie in Längsrichtung der Vorrichtung 1 jeweils senkrecht bzw. normal zu dem Formabschnitt 5 bzw. dem Deckblech 8 verlaufen. Somit sind die ineinander gesteckten Bleche 2 normal zum Formabschnitt 5 ausgerichtet. Auf diese Weise kann eine durch den Unterdruck erzeugte Druckkraft und auch eine strukturelle Last der Vorrichtung in der Ebene der Bleche 2 bzw. Rippen 11 und Holme 12 aufgenommen werden, was zu einer verbesserten Steifigkeit der Vorrichtung beiträgt und die ineinandergesteckten Bleche 2 bei anlegen des Unterdrucks in selbsthelfender Weise auf Anschlag ineinander drückt.
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4 zeigt eine perspektivische Detailansicht von ineinandergesteckten Blechen 2.
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Die ineinandergesteckten Bleche 2 sind als Rippen 11 und Holme 12 ausgebildet und in der Art einer Eierschachtelstruktur ineinander gesteckt angeordnet. Die Rippen 11 weisen dazu an einer oberen Kante eingebrachte Schlitze 15 auf, in welche die Holme 12 eingesteckt sind. Am Ansatz der Schlitze 15 ist ein maßhaltiges Langloch 19 vorgesehen. Auf diese Weise ist eine planare Kontaktfläche zwischen Holm und Rippe gewährleistet. Die Holme 12 weisen an den Kreuzungspunkten einen jeweils an einer unteren Kante vorgesehenen Schlitz 18 auf, welcher ebenfalls an seinem Ansatz mit einem maßhaltigen Langloch 19 versehen ist. Bei Anlegen eines Unterdrucks in der Vorrichtung werden die Holme 12 und die Rippen 11 ineinander gedrückt, sodass die Ansätze der Schlitze 15, 18 im Bereich der Langlöcher 19 auf Anschlag aneinander liegen.
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Dargestellt sind ferner sich durch alle Rippen 11 fortsetzende Ausnehmungen 17 welche zur Durchführung der hier ausgeblendeten Längsversteifungselemente 14 dienen.
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Die Holme 12 sind in Sektionen unterteilt ausgebildet. Dargestellt ist hier der Übergang zwischen zwei Sektionen, wobei ein Holm 12' einer ersten Sektion mit einem Holm 12'' einer zweiten Sektion überlappt.
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Bei den Rippen 11 und Holmen 12 handelt es sich jeweils beispielsweise um dünne Stahlbleche mit einer Dicke bzw. Blechstärke von beispielhaft 1 mm. Durch die geringe Dicke der Bleche kann ein Deckblech nahezu ohne Konturfehler auf den oberen Kanten der Bleche aufliegen. Somit ist eine hohe Maßhaltigkeit auch bei sich ändernden Konturen gewährleistet.
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5 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Anordnung 20 zum Formen eines gekrümmten Bauteils.
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Die Anordnung weist eine Vorrichtung 1 zum Formen des gekrümmten Bauteils sowie eine Trägereinrichtung 21 zum Tragen der Vorrichtung 1 auf.
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Über die Länge der Vorrichtung ändert sich die Oberflächenkontur des Formabschnitts 5. Das Deckblech 8 weist daher eine Mehrzahl von aneinander angrenzenden streifenartigen Abschnitten 8', 8'', 8''' auf, deren Kanten 9 jeweils im Bereich von Konturänderungen der Oberflächenkontur des Formabschnitts 5 angeordnet sind.
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Unterhalb und/oder oberhalb des Deckblechs 8 kann optional eine hier nur schematisch eingezeichnete Heizeinrichtung 16 in Form einer elektrischen Heizmatte zum Erhitzen des Bauteils vorgesehen sein.
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6 zeigt eine schematische Seitenansicht und Draufsicht der Anordnung 20 gemäß 5.
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Eingezeichnet ist hier die Aufteilung der Holme 12 in Sektionen 13, 13', 13''. Insgesamt sind beispielhaft 5 Sektionen vorgesehen. Die Sektionen können aneinander gefügt werden, indem die Holme 12, wie in 4 dargestellt, in einem Übergangsbereich überlappen.
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7 zeigt eine Detailansicht der Anordnung 20 gemäß 5;
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Detailliert dargestellt sind hier die Übergänge bzw. die Kanten 9 der streifenförmigen Abschnitte 8', 8'', 8''' des Deckblechs. Die Kanten 9 verlaufen jeweils wellenförmig, wobei die wellenförmigen Kanten 9 benachbarter Abschnitte 8', 8'', 8''', 8''' formschlüssig ineinander greifen. Somit können die Kanten 9 in unterschiedlichen Richtungen Kräfte aufeinander übertragen. Auf diese Weise richten sich die Abschnitte 8', 8'', 8''' des Deckblech 8 bei Anlegen eines Unterdrucks selbsttätig aneinander aus.
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8 zeigt eine Vorderansicht der Anordnung gemäß 5.
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Die Vorrichtung 1 weist an der hier dargestellten Vorderseite eine durch die Hülle 7 gebildete Vorderwand auf. Die Hülle 7 ist als Beplankung der ineinander steckbaren Bleche 2 bzw. der Rippen 11 und Holme 12 ausgebildet. Sie ist mit einem gleichen Werkstoff, hier Stahlblech, gebildet und vakuumdicht ausgeführt. Die Beplankung ist dazu aus entsprechend geformten Mantelblechen zusammengeschweißt.
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Ferner weist die Trägereinrichtung 21 in der dargestellten Vorderansicht gut erkennbare Längsträger 25 und Querträger 26 auf. Es handelt sich hier beispielhaft um zwei parallele Längsträger, die sich insbesondere über die gesamte Länge der Anordnung erstrecken. Die Längsträger sind über eine Vielzahl von Querträgern 26 verbunden, welche über die Länge der Anordnung verteilt angeordnet sind.
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Entlang der Längsträger 25 ist ferner eine Vielzahl von in einer Reihe angeordneten Pendelauflageelementen 22 vorgesehen. Vorzugsweise handelt es sich um höhenverstellbare Pendelauflageelemente 22, die beispielsweise als Schrauben mit Kugelkopfauflage ausgebildet und in den Längsträger 25 eingeschraubt vorgesehen sind.
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Auf den Pendelauflageelementen 22 ist die Vorrichtung 1 jeweils im Bereich von Kreuzungspunkten 23 der ineinander gesteckten Bleche 2, insbesondere der Rippen 11 und Holme 12, gelagert. Mittels der Pendelauflageelemente 22 ist sichergestellt, dass sich die Bleche der Vorrichtung 1 bei Anlegen des Unterdrucks noch aneinander ausrichten können. Es handelt sich somit um eine schwimmende Lagerung der Vorrichtung 1.
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An den längsseitigen Enden der Längsträger weist die Trägereinrichtung 21 jeweils eine Lasche 24 auf. Die Laschen 24 sind derart angeordnet und ausgebildet, dass sie mit den Längsversteifungselementen 14 der Vorrichtung 1 verbindbar sind. Es kann sich bei der Verbindung beispielsweise um einen in die als Längsversteifungsrohr ausgebildeten Längsversteifungselemente 14 eingeführten Dorn oder um eine geeignete Verschraubung handeln.
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Ferner weist die Trägereinrichtung 21 mit den Längsträger 25 verbundene Heißpunkte 21 auf, an welchen die gesamte Anordnung beispielsweise mittels eines Krans oder Gabelstaplers gehoben oder aufgehängt werden kann. Die Heißpunkte 21 sind in den sogenannten Besselpunkten der Längsträger 25 angeordnet, d. h. an den für eine möglichst geringe Verbiegung der Längsträger optimalen Positionen.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorliegend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.
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Beispielsweise kann alternativ oder zusätzlich zu einem Spalt auch eine in dem Deckblech vorgesehene Perforation vorgesehen sein, durch welche der Unterdruck auf das Bauteil übertragen werden kann.
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Denkbar wäre ferner, anstatt einer Beplankung eine flexible Hülle, beispielsweise in Form einer Folie, vorzusehen, welche die dreidimensionale Struktur der ineinander gesteckten Bleche umspannt.
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Ferner kann anstatt eines Blechs auch ein Laminat oder ein Faserverbundbauteil mittels der Vorrichtung bzw. Anordnung geformt werden. Die Vorrichtung oder Anordnung ist daher für vielfältige Anwendungen einsetzbar beispielsweise als eine Laminier-Klebevorrichtung oder als eine Tapelegeform oder als eine Relax-Form.
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Ferner kann die gesamte Anordnung zum Formen des Bauteils in einen Ofen oder in einem Autoklaven eingeführt werden. Insbesondere kann die Trägereinrichtung ausgelegt sein, um auf einem Schienensystem eines Ofens oder Autoklaven verschiebbar zu sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- ineinander steckbare Bleche
- 3
- Zwischenraum
- 4
- dreidimensionale Struktur
- 5
- Formabschnitt
- 6
- Bauteil
- 7
- Hülle
- 8
- Deckblech
- 8', 8'', 8'''
- Abschnitte
- 9
- Kante
- 10
- Spalt
- 11
- Rippe
- 12
- Holm
- 13, 13', 13''
- Sektionen
- 14
- Längsversteifungselement
- 15
- Schlitz
- 16
- Heizeinrichtung
- 17
- Ausnehmung
- 18
- Schlitz
- 19
- Langloch
- 20
- Anordnung
- 21
- Trägereinrichtung
- 22
- Pendelauflageelement
- 23
- Kreuzungspunkt
- 24
- Lasche
- 25
- Längsträger
- 26
- Querträger
- 100
- bekannte Vorrichtung
- 101
- Trägergestell
- 102
- Formplatte
