DE10251580A1 - Verfahren zum Herstellen eines Bauelementes aus faserverstärktem Kunststoff - Google Patents

Verfahren zum Herstellen eines Bauelementes aus faserverstärktem Kunststoff

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Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Bauelementes aus faserverstärktem Kunststoff, insbesondere eines Fensterrahmens für Flugzeugfenster, unter Verwendung von textilen Halbzeugen (Vorprodukten), die für die Herstellung von textilen Vorformlingen (Preforms) konfektioniert, geformt, kompaktiert und fixiert werden. DOLLAR A Um bei einer optimalen Ausnutzung der Eigenschaften von faserverstärkten Kunststoffen eine wirtschaftliche Fertigung zu erzielen, werden textile Halbzeuge jeweils auf einem zugeordneten Träger angeordnet und mit einem Binder fixiert. Es werden Träger mit jeweils einer Negativ- bzw. Positivform zu der Kontur bzw. Geometrie des späteren zugehörigen Vorformlings verwendet. Nach Entfernung der Träger werden die untereinander sowie auf die Gesamtgeometrie des Bauelementes abgestimmten Vorformlinge in einem Kompaktierungsschritt zu einem hochkompaktierten und endkonturennahen Bauelement zusammengesetzt, das anschließend mittels eines Matrixsystems mit einem Klebeharz getränkt und unter erhöhter Temperatur und gegebenenfalls erhöhtem Druck ausgehärtet wird.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Bauelementes aus faserverstärktem Kunststoff, insbesondere eines Fensterrahmens für Flugzeugfenster, unter Verwendung von textilen Halbzeugen (Vorprodukten), die für die Herstellung von textilen Vorformlingen (Preforms) konfektioniert und geformt werden, sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
  • Im Flugzeugbau werden heutige Fensterrahmen überwiegend als geschmiedete Aluminiumteile gefertigt. Aus Gewichtseinsparungsgründen besteht jedoch der Wunsch, zukünftige Fensterrahmen aus faserverstärkten Kunststoffen zu fertigen.
  • Zur Herstellung von Bauelementen aus faserverstärkten Kunststoffen werden bisher textile Vorprodukte, sogenannte Halbzeuge wie z. B. Gewebe und Geflechte am Ende des Herstellprozesses in oder auf einen Zwischenträger aufgebracht. Bei Geweben kann es sich dabei z. B. um zylindrische Körper handeln, um die diese umlaufend bahnförmig aufgewickelt werden. Die Geometrie dieser Träger dient nicht nur zur Vor- oder Umformen der Halbzeuge, sondern auch als Hilfsmittel zum Transport und zur Lagerung. Im Laufe des weiteren Herstellungsprozesses werden die Halbzeuge vom Zwischenträgerkörper wieder entnommen, konfektioniert und anschließend durch Umorientierung und Umformung (Drapieren) des Fasergebildes in die gewünschte Form (sog. Vorformling/Preform) gebracht.
  • Die Fixierung von Vorformlingen kann mit Hilfe eines Binders geschehen. Bei den verwendeten Bindersystemen handelt es sich hauptsächlich um thermoplastische Substanzen, die z. B. pulverförmig auf das Halbzeug aufgebracht und unter Temperatureinfluss aktiviert werden. Neben einer Festlegung der Faserorientierung können die Bindersysteme dazu verwendet werden, die Vorformlinge in einem kompaktierten Zustand zu fixieren.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem, bei einer optimalen Ausnutzung der Eigenschaften von faserverstärkten Kunststoffen eine wirtschaftliche Fertigung erzielt wird.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass textile Halbzeuge jeweils auf einem zugeordneten Träger angeordnet und mit einem Binder fixiert werden, dass Träger mit jeweils einer Negativ- bzw. Positivform zu der Kontur bzw. Geometrie des späteren zugehörigen Vorformlings verwendet werden, und dass nach Entfernung der Träger die untereinander sowie auf die Gesamtgeometrie des Bauelementes abgestimmten Vorformlinge in einem Kompaktierungsschritt zu einem hochkompaktierten und endkonturennahen Bauelement zusammengesetzt werden, das anschließend mittels eines Matrixsystems mit einem Klebeharz getränkt und unter erhöhter Temperatur und gegebenenfalls erhöhtem Druck ausgehärtet wird.
  • Erfindungsgemäße Ausgestaltungen des Verfahrens sind aus den Unteransprüchen 2 bis 8 ersichtlich.
  • Zwei erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sind jeweils in den Ansprüchen 9 und 16 beschrieben.
  • Erfindungsgemäße Weiterbildungen der Vorrichtungen sind jeweils den Unteransprüchen 10 bis 15 sowie 17 bis 20 zu entnehmen.
  • Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Halbzeuge auf einen Träger, der eine dem späteren Bauelement oder Vorformling angepasste Kontur bzw. Geometrie aufweist, aufgebracht und mit Hilfe eines Binders fixiert werden. Die verwendeten Halbzeuge müssen dabei vorteilhafterweise nicht erst auf Zwischenträgern befestigt werden, vielmehr können sie direkt aus dem textilen Herstellungsprozess heraus auf den Träger mit der gewünschten Kontur gebracht werden. Das Wegfallen dieses Zwischenschritts hat den Vorteil, dass eine Beschädigung und Ondulation der Fasern durch Handhabungen verringert werden können. Es ist jedoch auch möglich, in diesen Prozess herkömmliche textile Halbzeuge (z. B. Gelege, Geflechte, Gewebe) einlaufen zu lassen. Von Vorteil ist auch, dass die erzeugten Vorformlinge (Preforms) bei dem erfindungsgemäßen Verfahren aufeinander und gleichzeitig auf die Gesamtgeometrie des späteren Bauelementes abgestimmt sind. In einem Kompaktierungsschritt werden die einzelnen Vorformlinge zusammengebracht und zu einem hochkompaktierten und endkonturnahen Bauelement zusammengesetzt.
  • In der Zeichnung ist ein mögliches Ausführungsbeispiel nach der Erfindung dargestellt, und zwar zeigt:
  • Fig. 1 einen Herstellungsprozess eines Vorformlings am Beispiel eines Flechtschlauches in Vorderansicht (Fig. 1a) und in Seitenansicht (Fig. 1b);
  • Fig. 2 Fixierungsmöglichkeiten der Halbzeuge auf den Umformwerkzeugen (Fig. 2a, 2b und 2c);
  • Fig. 3 drei Vorrichtungen zur Herstellung von drei unterschiedlich aufgebauten Vorformlingen (Fig. 3a, 3b, und 3c);
  • Fig. 4 den Ablauf zur Herstellung eines aus faserverstärktem Kunststoff bestehenden Bauelementes aus drei vorgefertigten Vorformlingen;
  • Fig. 5 einen von drei Vorformlingen eingeschlossenen Wickelkern; und
  • Fig. 6 einen alternativen Lege- und Drapiervorgang (Fig. 6a, 6b, 6c und 6d)
  • Die in den Fig. 1a und 1b dargestellte Vorrichtung zeigt ein rotierendes Träger- und Umformwerkzeug 1, welches eine zylindrische Trommel 2 mit einer seitlich an der Trommel 2 befestigten Begrenzungsscheibe 3 aufweist. Der Durchmesser der Begrenzungsscheibe 3 geht über den Durchmesser der Trommel 2 hinaus, so dass neben einer zylindrischen Aufnahmefläche 4 auch eine flanschähnliche Aufnahmefläche 5 für ein textiles Halbzeug 6 vorhanden ist. Auf die zylindrische Aufnahmefläche 4 der Trommel 2 wird ein lockeres, drapierbares und gegebenenfalls mit einem Binderauftrag 7 versehenes Vorgeflecht 8 aufgelegt, z. B. in Form eines Geleges oder eines Flechtschlauches 8a, wobei die Trommel 2 gleichzeitig zur fixierten Lagerung des Vorproduktes 8 als auch zum Transport des umgeformten Halbzeuges 6 dient. Der Binderauftrag 7 kann z. B. in Form eines Pulvers, Fadens oder Flächengebildes erfolgen, wobei der Binder z. B. durch Heißluft, Flamme, Infrarot oder Mikrowelle aktiviert werden kann. Durch zusätzliche Umform- und Anpressrollen 9, die mit der zylindrischen Aufnahmefläche 4 und der flanschähnlichen Aufnahmefläche 5 zusammenwirken, wird eine definierte Positionierung des Halbzeuges 6 erzielt. Die Umform- und Anpressrollen 9 können gegebenenfalls mit einer zeichnerisch nicht dargestellten Heiz- oder Kühlvorrichtung für den Binderauftrag und -aktivierung 7 ausgerüstet sein.
  • Aus Fig. 3a ist das in Fig. 1 gezeigte Träger- und Umformwerkzeug 1 in vereinfachter Form dargestellt, wobei deutlich zu ersehen ist, dass die Umform- und Anpressrollen oder -elemente 9 direkt auf dem Halbzeug 6 aufliegen. Die äußere zylindrische Aufnahmefläche 4 der Trommel 2 und die flanschähnliche Aufnahmefläche 5 bilden einen Winkel. Somit ist mit dieser Vorrichtung die Herstellung eines ersten ovalförmigen Vorformlings 10 oder Segmenten davon möglich, welcher eine ovalförmige Öffnung und in einem Winkel α zueinander angeordnete Schenkel 10a und 10b aufweist (wie auch in Fig. 4 dargestellt ist).
  • Das in Fig. 3b dargestellte Träger- und Umformwerkzeug 11, dessen Trommel mit 12, Begrenzungsscheibe mit 13 und Aufnahmeflächen mit 14 sowie 15 bezeichnet sind, unterscheidet sich von demjenigen gemäß Fig. 3a dadurch, dass der von der äußeren zylindrischen Aufnahmefläche 14 und der flanschähnlichen Aufnahmefläche 15 gebildete Winkel größer als 90° ist. Die mit 16 bezeichneten Umform- und Anpressrollen sind der Lage der zylindrischen und flanschähnlichen Aufnahmeflächen 14 und 15 angepasst. Mit dieser Vorrichtung kann der zweite ovalförmige Vorformling 17 mit ovaler Öffnung hergestellt werden, dessen Schenkel 17a und 17b einen Winkel β von größer 90° einschließen (vgl. Fig. 4).
  • Eine weitere Herstellungsmöglichkeit für ovale Vorfirmlinge mit L-förmigen Querschnitt ist in Fig. 6 dargestellt. Hierbei wird ein bandförmiges textiles Halbzeug 6 auf einer ebenen, der Kontur des zu fertigenden Vorformlings teilweise angepasster Legematrize 29a durch Drehen des Legekopfes 33 oder der Legematrize abgelegt. Nach dem Legevorgang wird ein Teil des Legewerkzeugs 29b entfernt und mit Hilfe einer weiteren Matrize 30 ein Teil des Vorformlings 31 umgeformt, so dass ein Vorformling mit der gewünschten Kontur 32 entsteht.
  • Zur Herstellung eines dritten flachen, ovalen Vorformlings 21 mit ovaler Öffnung oder Teilstücke davon, dessen Schenkel 21a und 21b einen Winkel unterhalb von 180° oder beispielsweise einen Absatz einschließen (siehe auch Fig. 4), ist das in Fig. 3b gezeigte Träger- und Umformwerkzeug vorgesehen. Es handelt sich hierbei um eine rotierende Drehscheibe 18, welche auf einer ihrer Stirnseiten 19 eine kreisringförmige Aufnahmefläche 20 aufweist. Diese Aufnahmefläche 20 ist den Schenkeln 21a und 21b sowie dem Winkel γ zwischen den Schenkeln 21a und 21b oder einer Durchsetzung des dritten Vorformlings 21 derart angepasst, dass der dritte Vorformling 21 im Auflegverfahren hergestellt werden kann.
  • Gemäß Fig. 4 sind zur Herstellung eines aus faserverstärktem Kunststoff bestehenden Bauelementes, im gezeigten Fall zur Herstellung eines ovalen Fensterrahmens 22 mit ovaler Öffnung 23 für ein Flugzeugfenster, die drei ovalen Vorformlinge 10, 17 und 21 vorgesehen, wobei die zeichnerische Darstellung einen Querschnitt durch eine einen Teil des Fensterrahmens 22 zeigt. Der dritte Vorformling 21 mit seinen Schenkeln 21a und 21b, die einen Winkel γ unterhalb von 180° und eine eventuelle Durchsetzung einschließen, bildet den Basiskörper für den Fensterrahmen 22, während der Steg 24 des Fensterrahmens 22 von den beiden Schenkeln 10a und 17a der beiden anderen Vorformlinge 10 und 17 gebildet wird. Hierbei können die Vorformlinge 10, 17 und 21 aus mehreren übereinander gewickelten textilen Lagen oder aus weiteren Subpreforms hergestellt werden.
  • Als zusätzlich mögliches Preformelement zeigt Fig. 5 einen Wickelkern 26, der zwischen den benachbarten Schenkeln 10a, 10b, 17a, 17b, 21a und 21b der drei Vorformlinge 10,17 und 21 angeordnet ist.
  • Wie der Fig. 4 weiterhin zu entnehmen ist, werden die untereinander sowie auf die Gesamtgeometrie des Fensterrahmens 22 abgestimmten Vorformlinge 10,17 und 21 in einem Kompaktierungsschritt zu einem hochkompaktierten und endkonturennahen Fensterrahmen 22 zusammengesetzt, dessen Querschnitt mit 25 bezeichnet ist. Anschließend wird der zusammengesetzte Fensterrahmen 25 mittels eines Matrixsystems mit einem Klebeharz getränkt und unter erhöhter Temperatur und gegebenen- falls erhöhtem Druck ausgehärtet, so dass als Ergebnis des Herstellungsverfahrens der Fensterrahmen 22 vorliegt. Bezugszeichenliste 1 Träger- und Umformwerkzeug
    2 Trommel
    3 Begrenzungsscheibe
    4 äußere zylindrische Aufnahmefläche der Trommel 2
    5 flanschähnliche Aufnahmefläche der Begrenzungsscheibe 3
    6 textiles Halbzeug
    7 Binderauftrag
    8 textiles Vorprodukt
    8a Gelege, Flechtschlauch oder andere textile Halbzeuge
    9 Umform- und Anpressrollen
    10 erster ovalförmiger Vorformling
    10a Schenkel des ersten ovalförmigen Vorformlings 10
    10b Schenkel des ersten ovalförmigen Vorformlings 10
    11 Träger- und Umformwerkzeug 12 Trommel
    13 Begrenzungsscheibe
    14 äußere zylindrische Aufnahmefläche der Trommel 12
    15 flanschähnliche Aufnahmefläche der Begrenzungsscheibe 13
    16 Umform- und Anpressrollen
    17 zweiter ovalförmiger Vorformling
    17a Schenkel des zweiten ovalförmigen Vorformlings 17
    17b Schenkel des zweiten ovalförmigen Vorformlings 17
    18 Drehscheibe
    19 Stirnseite der Drehscheibe 18
    20 Aufnahmefläche auf der Stirnseite 19
    21 dritter Vorformling
    21a Schenkel des dritten ovalförmigen Vorformlings 21
    21b Schenkel des dritten ovalförmigen Vorformlings 21
    22 ovaler Fensterrahmen
    23 ovale Öffnung des Fensterrahmens 22
    24 Steg des Fensterrahmens 22
    25 Querschnitt durch den Fensterrahmen 22
    26 Wickelkern
    27 Fixierungs-/Positionierungselemente
    28 Ablegen des textilen Halbzeuges auf dem ebenen Werkzeug
    29a zweiteiliges, ebenes Legewerkzeug
    29b entfernbarer Teil des Legewerkzeugs
    30 Drapierungswerkzeug
    31 flacher, noch nicht drapierter Vorformling
    32 drapierter Vorformling mit Endkontur
    33 rotierender Ablagekopf
    34 Drapier- und Positionierungselement

Claims (19)

1. Verfahren zur Herstellung eines Bauelementes aus faserverstärktem Kunststoff, insbesondere eines Fensterrahmens für Flugzeugfenster, unter Verwendung von textilen Halbzeugen (Vorprodukten), die für die Herstellung von textilen Vorformlingen (Preforms) konfektioniert und geformt werden, dadurch gekennzeichnet, dass textile Halbzeuge (6) jeweils auf einem zugeordneten Träger (1, 11, 18 bzw 29) angeordnet und mit einem Binder (7) fixiert werden, dass Träger mit jeweils einer Negativ- bzw. Positivform zu der Kontur bzw. Geometrie des späteren zugehörigen Vorformlings (10, 17, 21 bzw. 32) verwendet werden, und dass nach Entfernung der Träger (1, 11, 18 bzw. 29) die untereinander sowie auf die Gesamtgeometrie des Bauelementes (22) abgestimmten Vorformlinge (10, 17, 21 bzw. 32) in einem Kompaktierungsschritt zu einem hochkompaktierten und endkonturennahen Bauelement (25) zusammengesetzt werden, das anschließend mittels eines Matrixsystems mit einem Klebeharz getränkt und unter erhöhter Temperatur und gegebenenfalls erhöhtem Druck ausgehärtet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch einen Umform- und Drapierprozess die nicht endgültig fixierten Fasern der Halbzeuge (6) in eine gewünschte Orientierung gebracht werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Binders (7) in Form eines Fluids, pastösen Stoffes, Pulvers, Fadens oder Flächengebildes.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Binder (7) durch Heißluft, Flamme, Infrarot, Induktion, Laser, Kontaktwärme oder Mikrowelle aktiviert wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorformlinge (10, 17, 21) aus mehreren übereinander abgelegten textilen Lagen oder einzelnen textilen Lagen hergestellt werden, die entweder eine geschlossene ovalförmige Kontur oder ein Segment davon darstellen.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere ovalförmige Vorformlinge (z. B. 10, 17, 21) mit jeweils einer ovalförmigen Öffnung und mit jeweils abgewinkelten Schenkeln (10a, 10b, 17a, 17b, 21a, 21b) verwendet werden, und dass jeweils ein Schenkel eines Vorformlings (10, 17 bzw. 21) zu einem Schenkel eines anderen Vorformlings (10, 17, 21) benachbart derart angeordnet wird, dass ein ovaler ebener Fensterrahmen (22) mit einem annähernd senkrecht zur Ebene verlaufenden Steg (24) gebildet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schenkel (10a, 10b) des ersten Vorformlings (10) einen Winkel α einschließen, dass der zweite Vorformling (17) Schenkel (17a, 17b) aufweist, die einen Winkel β einschließen, dass der dritte Vorformling (21) mit seinen Schenkeln (21a, 21b), die einen Winkel (γ) oder eine Durchsetzung einschließen, als Basiskörper für den Fensterrahmen (22) vorgesehen ist, und dass der Steg (24) des Fensterrahmens (22) von zwei Schenkeln (10a, 17a) der beiden anderen Vorformlinge (10, 17) gebildet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, gekennzeichnet durch die Anordnung eines Wickelkernes (26) zwischen den benachbarten Schenkeln (10a, 10b, 17a, 17b, 21a, 21b) der drei Vorformlinge (10, 17, 21).
9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein rotierendes Träger- und Umformwerkzeug (1, 11 bzw. 18) oder eine rotierender Ablagekopf vorgesehen ist, welches eine zylindrische bzw. kreisringflächenförmige Aufnahmefläche (4, 14 bzw. 20) für ein textiles Halbzeug aufweist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Träger- und Umformwerkzeug (1, 11) als eine rotierende Trommel (2, 12) mit einer zylindrischen äußeren Aufnahmefläche (4, 14) und mit einer seitlich an der Trommel (2, 12) befestigten Begrenzungsscheibe (3, 13) ausgebildet ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Begrenzungsscheibe (3, 13) den Außendurchmesser der Trommel (2, 12) derart übertrifft, dass eine flanschähnliche Aufnahmefläche (5, 15) für das Halbzeug auf einer Stirnseite der Begrenzungsscheibe (3, 13) entsteht.
12. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die flanschförmige Aufnahmefläche (5, 15) der Begrenzungsscheibe (3, 13) unter einem vorgegebenen Winkel, der von der Kontur bzw. Geometrie des herzustellenden Vorformlings (10, 17) abhängig ist, zu der zylindrischen äußeren Aufnahmefläche (4, 14) der Trommel (2, 12) angeordnet ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 9, 10, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass Umform- und Anpressrollen oder -elemente (9, 16, 21, 34) vorgesehen sind, die mit der zylindrischen äußeren Aufnahmefläche (4, 14) der Trommel (2, 12) und der flanschförmigen Aufnahmefläche (5, 15) der Begrenzungsscheibe (3, 13) für eine definierte Positionierung der Halbzeuge zusammenwirken.
14. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass als rotierendes Träger- und Umformwerkzeug eine Drehscheibe (18) vorgesehen ist, welche auf einer Stirnfläche (19) eine kreisringflächenförmige Aufnahmefläche (20) für ein textiles Halbzeug aufweist, auf der der dritte Vorformling (21) im Auflegeverfahren hergestellt wird.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmefläche (20) den Schenkeln (21a, 21b) und dem Winkel (γ) oder einer Durchsetzung zwischen den Schenkeln (21a, 21b) des dritten Vorformlings (21) angepasst ist.
16. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein rotierendes Träger- und Umformwerkzeug (29a) oder eine rotierender Ablagekopf (33) vorgesehen ist, welches eine zylindrische bzw. kreisringflächenförmige Aufnahmefläche (29a) für ein textiles Halbzeug aufweist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein Legekopf (33) vorgesehen ist, der mit der Aufnahmefläche des Legewerkzeuges (29a) für eine definierte Positionierung des Halbzeuges zusammenwirkt.
18. Vorrichtung nach Anspruch 16 und 17, dadurch gekennzeichnet, dass nach Entfernen des Teilstückes (29b) des Legewerkzeugs (29a) der zum Teil konturgerecht abgelegte flache Vorformling (31) mit Hilfe des Drapierungswerkzeugs (30) zum drapierten Vorformling mit Endkontur (32) geformt wird.
19. Vorrichtung nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch die Verwendung von mit einer Heiz- oder Kühleinrichtung versehenen Umform- und Anpresselemente (9, 16, 34).
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