DE3113791C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von mit Anschlußlaschen versehenen Hohlkörpern aus faserverstärktem Kunststoff; und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Im Bereich der Luftfahrt- und Raumfahrttechnik werden im zuneh­ mendem Maße Faserverbundwerkstoffe an Stelle vom Metallen ein­ gesetzt, da sie einerseits über eine den Metallen vergleichbare Festigkeit und Steifigkeit verfügen, andererseits die aus der­ artigen Werkstoffen hergestllten Komponenten aber ein erheblich geringeres Gewicht als vergleichbare Bauteile aus Metall aufwei­ sen. Da die mechanischen Eigenschaften der Faserverbundwerkstoffe im Gegensatz zu den Metallen richtungsabhängig sind, lassen sich mit Hilfe dieser Werkstoffe Bauteile konstruieren, die dem je­ weiligen Belastungsfall optimal angepaßt sind und so eine be­ trächtliche Gewichtseinsparung ermöglichen. Dies gilt vor allem für Bauteile mit überwiegend einachsiger Belastung, wie bei­ spielsweise Rotorblätter oder Streben.

Ein wesentliches Problem bei derartigen, aus Faserverbundwerk­ stoffen hergestellten Bauteilen ist die Krafteinleitung. So ist es üblich, faserverstärkte Kunststoffbauteile mit metallischen Ansätzen bzw. Beschlägen zur Krafteinleitung zu versehen, die entweder durch Kleben oder durch mechanische Verbindungselemen­ te mit der Faserstruktur verbunden werden. Es ist beispielswei­ se vorgeschlagen worden, im Flugzeugbau Streben zu verwenden, die aus einem rohrförmigen Mittelteil aus faserverstärktem Kunst­ stoff bestehen, der an seinen Enden jeweils mit einem Anschluß­ kopf aus Aluminium versehen ist.

Solche mehrstofflichen, gefügten Strukturen stellen aber häufig nur eine Kompromißlösung dar, mit der weder eine volle Ausnut­ zung der potentiellen Festigkeitseigenschaften der Faserverbund­ werkstoffe noch das bei ausschließlicher Verwendung dieser Werk­ stoffe erzielbare Strukturgewicht erreicht wird. Es wäre da­ ner wünschenswert an Hohlkörpern aus faserverstärktem Kunst­ stoff, wie Streben, Anschlußlaschen beim Herstellungsprozeß anzuformen, aber mit den bekannten Verfahren ist dies nicht möglich.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen von Hohlkörpern der eingangs genannten Art zu schaffen, damit ein auf diese Weise hergestellter Hohlkörper ohne zusätzliche Anschlußmittel unmittelbar als Strukturbau­ teil einsetzbar ist. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung eine geeignete Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens vorzusehen.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die in den Patentabsprüchen 1 und 9 enthaltenen Merkmale. Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.

Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren ermöglicht es, rohr­ förmige Hohlkörper, deren Querschnitte im Verlauf der Längs­ achse unterschiedliche Formen und Flächengrößen aufweisen, mit der für Strukturbauteile erforderlichen Festigkeit und Steifig­ keit in einem Stück (als sogenanntes one shot curing) aus Faser­ verbundwerkstoffen herzustellen.

Dadurch, daß bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ein allmählicher Umformvorgang, ähnlich dem Tiefziehverfahren von Metallblechen, vollzogen wird, sind relativ hohe Umformgrade realisierbar, oh­ ne daß es zu einer Störung der Faserstruktur im Werkstoff und damit zu einer Beeinträchtigung der mechanischen Eigenschaften kommt.

Zwar ist bereits aus der DE-OS 28 55 638 ein Verfahren zum Her­ stellen rohrförmiger Hohlkörper bekannt, aber dieses Verfahren bezieht sich auf das Wickeln von faserverstärkten Hohlprofilen, bei denen die Fasern zusätzlich nicht in Richtung der aufzu­ fangenden Belastung liegen.

Darüber hinaus ist unter der Bezeichnung "Thermal Expansion Molding (TEM)" bereits ein Verfahren beschrieben worden (Zeitschrift "FLUGREVUE INFORMATION", Nr. 5 vom 15. 08. 1980, Seiten 3/4), mit dem ebenfalls Strukturkomponenten für Flug­ zeuge und Raumflugkörper herstellbar sind. Bei diesem bekann­ ten Verfahren erfolgt die Formgebung und Aushärtung der Bau­ teile mit Hilfe eines massiven Kerns aus Silikonkautschuk, auf den der Faserverbundwerkstoff aufgebracht und der anschließend erhitzt wird. Ein Einsatz dieses Verfahrens bei der Herstellung von Hohlkörpern, deren Querschnitt sich an den Enden stark ver­ engt, erscheint nicht bzw. nur schwer praktikabel, da das Ent­ fernen des Kerns nach der erfolgten Aushärtung erhebliche Schwierigkeiten bereiten würde.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich aber nicht nur dadurch aus, daß es die reproduzierbare Herstellung von Streben, Stangen oder dergleichen mit integrierten Anschlußlaschen in einem Stück unter ausschließlicher Verwendung von Faserverbund­ werkstoffen erlaubt, sondern es ermöglicht zugleich auch hohe Fertigungskadenzen. Da bei der Herstellung nur eine geringe An­ zahl mehrlagiger, eben laminierter, großflächiger Standardla­ minate benötigt wird, können automatische Laminieranlagen zur Fertigung eingesetzt werden, wodurch eine hohe Wirtschaftlich­ keit gewährleistet ist. Diese wird noch dadurch erhöht, daß standardisierte Halbzeuge aus vorimprägniertem Fasermaterial, so­ genannte Prepregs, verwendet werden können.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist unabhängig von der Faserart, der Gewebeart und dem Harztyp, d. h. für unterschiedliche Werk­ stoffklassen, anwendbar. Ein weiterer Vorteil des Verfahrens liegt darin, daß die Aushärtung der damit hergestellten Hohlkör­ per nicht unbedingt in einem Autoklaven erfolgen muß, sondern auch in einem Ofen erfolgen kann. Weitere Vorteile sowohl hin­ sichtlich der qualität der hergestellten Hohlkörper als auch hinsichtlich einer einfacheren, rascheren und damit noch wirt­ schaftlicheren Produktion ergeben sich bei Anwendung der in den Unteransprüchen vorgeschlagenen Maßnahmen.

Zur Lösung der zweiten Aufgabe sieht die Erfindung vor, eine bekannte zweiteilige Hohlform mit umfangsseitigen Ausneh­ mungen zu versehen, in welche die Ausnehmnungen vollständig verschließende Formkörper einsetzbar sind. Diese Form gestat­ tet, entsprechend dem vorstehend beschriebenen Verfahren, eine kontrollierte Umformung des Hohlkörpers im Bereich der vorgesehenen Querschnittsverengung, bei der die mechanischen Eigenschaften des Fasermaterials voll gewahrt bleiben. Hier­ zu trägt auch bei, daß in weiteren Ausgestaltungen der Erfin­ dung der zugehörige Innenkern der jeweils verwendeten Hohl­ form so weit angepaßt ist, daß der auf den Schlauch aufge­ brachte Strang nur geringfügig aufgeweitet werden muß, damit er an der Innenwandung der Hohlform anliegt.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.

Es zeigen

Fig. 1 ein mit dem Verfahren hergestellter Hohlkörper in perspektivischer Darstellung,

Fig. 2a und 2b den Aufbau des Hohlkörpers gemäß Fig. 1

Fig. 3 eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

In den Figuren sind gleiche Bauteile mit den gleichen Bezugs­ zeichen versehen.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Hohlkörper handelt es sich um eine Querträgerstütze für ein Flugzeug. Die Stützstange besteht aus einem faserverstärkten Kunststoff, im vorliegenden Fall ei­ nem CFK, und weist in ihrem Mittelteil 1 einen etwa kreisförmi­ gen Querschnitt auf. Die beiden Endbereiche 2 und 3 der Stütz­ stangen sind als doppelwangige Anschlußlaschen 4 und 5 ausgebil­ det; ihr Innenquerschnitt ist gegenüber demjenigen des Mittel­ teils 1 erheblich reduziert und ist in etwa hantelförmig gestal­ tet. Andererseits ist die Wandstärke in diesen beiden Bereichen, ebenso wie in den Übergangsbereichen 6 und 7, größer als im Mit­ telteil 1.

Entsprechend dem vorgesehenen Belastungsfall als Biegeträger sind darüber hinaus zwei sich gegenüberliegende, in Längsrich­ tung der Stützstange verlaufende Streifen 8 und 9 zusätzlich ver­ stärkt ausgebildet. Diese Streifen 8 und 9 stellen zugleich die Seitenfläche der Anschlußlaschen 4 und 5 dar. Die Anschlußlaschen 4 und 5 sind ferner jeweils mit einer Bohrung 10 bzw. 11 zur Auf­ nahme von Einsatzbuchsen versehen.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, ist die Neigung der die Übergangs­ bereiche 6 und 7 bildenden Flächen 12, 13 bzw. 14, 15 gegenüber der Längsachse der Stützstange relativ gering gewählt; die Flä­ chen sind zudem konvex geformt. Auf diese Weise wird eine optima­ le Integration der Anschlußlaschen 4 und 5 in die Struktur der Stange erreicht, wobei zu hohe örtliche Verformungen des Faser­ materials vermieden werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung der vorstehend beschriebenen Stützstangen soll anhand der Fig. 2 und 3 er­ läutert werden. Fig. 2a zeigt dabei anhand eines Ausschnitts, der das in Fig. 1 linke Ende der Stange darstellt, den Aufbau des Hohlkörpers aus vorimprägniertem Faserwerkstoff vor dem Um­ formvorgang. Fig. 2b zeigt den gleichen Aufbau im Querschnitt. Fig. 3 schließlich zeigt eine für den Umformvorgang geeignete Vorrichtung.

Wie in Fig. 2 dargestellt, erfolgt der Aufbau des Hohlkörpers über einem im wesentlichen zylinderischen harten Innenkern 16, über den ein Schlauch 17 aus einem flexiblen Material, im vor­ liegenden Fall ein Gummischlauch, gezogen ist. Der Schlauch 17 ist an seinem einem Ende mit einem Anschlußstutzen 18 versehen. Sein anderes Ende ist zunächst offen und während des Umformvor­ gangs durch eine hier nicht dargestellte Klemme verschließbar.

Als Ausgsangsmaterial für die Herstellung dient ein standartisier­ tes Halbzeug, ein sogenanntes Prepreg, das in diesem Fall aus einem mehrlagigen vorimprägnierten Gelege aus Kohlefaser besteht. Aus diesem Material werden zwei Standartlaminate 19 bzw. 20 ent­ nommen, die sich über die gesamte vorgesehene Länge des Hohl­ körpers erstrecken und die jeweils breiter als der Umfang des Hohlkörpers sind. Zusätzlich werden aus dem gleichen Material vier Kopfverstärkungslaminate, von denen in den Fig. 2a bzw. b die Lasminate 21 und 22 für den in der Fig. 1 linken Endbe­ reich dargestellt sind, zugeschnitten. Ihre Länge ist dabei so gewählt, daß sie sowohl den Endbereich 2 bzw. 3 als auch den Anschlußbereich 6 bzw. 7 überdecken; ihre Breite beträgt in et­ wa jeweils ein Viertel derjenigen der Standartlaminate 19 bzw. 20.

Die Kopfverstärkungslaminate werden an beiden Enden des Hohl­ körpers sich gegenüberliegend aufgebracht. Anschließend werden die beiden Standartlaminate 19, 20 mit der durch ihre Breite vorgegebenen definierten Überlappung derart um den Innenkern 16 gewickelt, daß sich ihre Überlappungen gegenüberliegen.

Der gesammte Aufbau wird anschließend in eine mit einem Heiß­ trennmittel besprühte Hohlform 23 eingebracht. Es handelt sich bei dieser Hohlform 23 um eine aus zwei Hälften 24 und 25 be­ stehende, etwa zylindrische Stahlform, deren Stirnflächen offen sind. Der Durchmesser des Innenkerns 16 ist dabei so gewählt, daß nach dem Einbringen des Hohlkörpers in die Hohlform noch ein Zwischenraum zwischen der Innenfläche der Hohlform und dem Fasermaterial erhalten bleibt.

Wie aus Fig. 3 ersichtlich, weist die Hohlform 23 im Bereich ihrer Stirnflächen - wobei in der Zeichnung nur ein Endbereich dargestellt ist - umfangsseitige Ausnehmungen 26 und 27 auf, die sich jeweils einander gegenüberliegend angeordnet sind und die sich jeweils über einen beträchtlichen Teil des Umfangs er­ strecken. Passend zu diesen Ausnehmungen 26 bzw. 27 sind bei der erfindungsgemäßen Umformvorrichtung jeweils Formkörper 28 bzw. 29 vorgesehen. Letztere sind so ausgebildet, daß diese exakt in die Ausnehmungen 26 bzw. 27 passen und daß ihre Umformflächen 30 bzw. 31 der angestrebten Formgebung des Hohlkörpers im Be­ reich der Anschlußlaschen 4, 5 sowie den Übergangsbereichen 6, 7 entsprechen.

Der Hohlkörper wird so in die zunächst geteilte Hohlform 23 ein­ gelegt, daß die Überlappung der Laminate 19 bis 20 etwa entlang den von den Ausnehmungen 26 bzw. 27 ausgesparten Stegen 32 bzw. 33 liegen. Die Hohlform 23 wird geschlossen; und es wird über den Stutzen 18 Druckluft durch den zunächst noch offenen Schlauch 17 geleitet, so daß sich dieser vom Innenkern 16 abhebt. Letzter­ er wird aus dem noch offenen Ende des Schlauches 17 gezogen und dieses wird anschließend verschlossen.

Der Schlauch 17 wird nunmehr unter Überdruck gesetzt, so daß die Laminate an den Wandflächen der Hohlform 23 anliegen. Gegen den Druck des Schlauchs 17 werden jetzt die Formkörper 28, 29 die entsprechenden Ausnehmungen 26, 27 eingeschoben. Die auf diese Weise geschlossene Form wird anschließend in einem Ofen bzw. Autoklaven eingebracht, wo die Aushärtung des Fasermaterials unter geregel­ tem Druck im Schlauch 17 durchgeführt wird.

Nach erfolgter Aushärtung wird der Hohlkörper der Hohlform 23 entnommen und die Druckluft aus dem Schlauch 17 abgelassen. Der Schlauch wird nun durch eine der verbliebenen endseitigen Öffnungen des Hohlkörpers aus diesem herausgezogen.

Abschließend erhält der Hohlkörper, in diesem Fall die Stütz­ stange, durch Konturfräsen im Bereich der Anschlußlaschen 4 und 5, bei dem die äußeren Endstücke entfernt werden, ihre endgültige Form. Ferner werden nunmehr die Bohrungen 10 bzw. 11 für die Aufnahme der Einsatzbuchsen in die Anschlußlaschen eingebracht.

Das vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Verfahren ist da­ bei weder ausschließlich auf die Herstellung des in der Zeich­ nung beschriebenen Hohlkörpers noch auf die angegebene Faser­ art beschränkt. Es eignet sich vielmehr für alle Hohlkörper mit endseitig sich verjüngendem Querschnitt bzw. mit lokalen Querschnittsverengungen. Außerdem ist es unabhängig von den ein­ zelnen Werkstoffklassen einsetzbar, wobei sowohl 125°C- als auch 175°C-Systeme als auch beispielsweise Polyimid-Systeme verwendet werden können.

Claims (12)

1. Verfahren zum Herstellen von mit Anschlußlaschen ver­ sehenen Hohlkörpern aus faserverstärktem Kunststoff, ge­ kennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

• a) ein aus einem isotrop elastischen Material bestehender Schlauch (17) wird auf einen harten Innenkern (16) ge­ zogen,
• b) Vorimprägniertes Fasermaterial (19, 20, 21, 22) wird auf den Schlauch (17) aufgebracht und fest gegen den Innenkern (16) gepreßt,
• c) der so gebildete Strang wird in eine Hohlform (23) eingelegt und der Innenkern (16) aus dem Schlauch (17) entfernt,
• d) der Schlauch (17) wird endseitig abgedichtet und unter Druck gesetzt,
• e) in umfangseitige Ausnehmungen (26, 27) der Hohlform (23) werden zur Formung der Anschlußachsen (4, 5) gegen den Innendruck des Schlauches (17) der Form den Anschluß­ laschen angepaßte Formkörper (28, 29) eingeschoben und fixiert,
• f) der Strang wird in der Hohlform (23) unter definiertem Innendruck des Schlauches (17) und bei erhöhter Tem­ peratur ausgehärtet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das aus zwei Laminaten (19,20) bestehende sich über die gesamte Länge des Hohlkörpers erstreckende Faser­ material mit sich jeweils gegenüberliegenden Überlappungen in Längsrichtung auf den Schlauch (17) aufgebracht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß im Bereich der in der Hohlform vorgesehenen Ausnehmungen (26, 27) vor dem Auflegen der Laminate (19, 20) zusätzliche Lagen (21, 22) des vorimprägnierten Faserma­ terials als Verstärkungslagen aufgebracht werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß zum Entfernen des In­ nenkerns (16) aus dem Schlauch (17) Druckluft in den Schlauch (17) geleitet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß zum Entfernen des In­ nenkerns (16) aus dem Schlauch (17) der Zwischenraum zwischen der Innenwand der Hohlform (23) und dem Strang evakuiert wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die Hohlform (23) vor dem Einbringen des Stranges mit einem Heißtrennmittel ein­ gesprüht wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß der Schlauch (17) nach dem Aushärten des Hohlkörpers evakuiert und aus diesem entfernt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß die Anschlußlaschen (4, 5) nach dem Aushärten und dem Entfernen des Schlauches (17) mittels Konturfräsen in die vorgesehene äußere Form gebracht und Aufnahmebohrungen (10, 11) für Einsatzbuchsen eingebracht werden.

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bestehend aus einer zweiteiligen, ver­ schließbaren Hohlform aus einem festen Material, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlform (23) mit wenig­ stens einer umfangseitigen Ausnehmung (26, 27) versehen ist, in die ein die Ausnehmung (26, 27) vollständig verschließender Form­ körper (28, 29) einsetzbar ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß je zwei Ausnehmungen (26, 27) in der Nähe der Stirnflächen der Hohlform (23) jeweils sich einander gegenüberliegend angeordnet sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Formkörper (28, 29) jeweils als Negativform für den Bereich der Anschlußlaschen (4, 5) des Hohlkörpers ausgebildet sind.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, da­ durch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Stirnfläche der Hohlform (23) mit einer Öffnung versehen ist.