DE60102741T2

DE60102741T2 - Membran-Vakuumformen eines schichtweisen Faserverbundteils

Info

Publication number: DE60102741T2
Application number: DE60102741T
Authority: DE
Inventors: Keri Jane Yeovil Montague; Dennis Winston Yeovil Pugsley
Original assignee: Westland Helicopters Ltd
Current assignee: AgustaWestland Ltd
Priority date: 2000-06-10
Filing date: 2001-06-07
Publication date: 2004-08-19
Anticipated expiration: 2021-06-08
Also published as: DE60102741D1; GB0014113D0; EP1162055A1; US6723272B2; EP1162055B1; US20020012591A1

Description

Beschreibung der Erfindung
Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zum Formen und eine Formungsvorrichtung, die beispielsweise aus der GB-A-2073648 bekannt sind. Insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Formen eines großen Gegenstandes, wo Toleranzen entscheidend sind, wie bei einem Hubschrauberrotorblatt, welches länglich mit einem beträchtlichen axialen Ausmaß ist, oder einer Komponente dafür, wie eines vorderen Randholms.
Es ist bekannt, Hubschrauberrotorblätter herzustellen durch Drapieren einer oder gewöhnlicherweise mehr als einer Schicht eines Verbundmaterials in oder über ein männliches Formungswerkzeug. Das Verbundmaterial kann typischerweise Fasern sein, wie Kohle-, Glas- oder Kevlar-Fasern, die mit einem nicht gehärteten Harz imprägniert sind, gewöhnlich einem wärmehärtbaren Harz.
Eine Membran wird dann über die Verbundschichten angeordnet und ein wenigstens teilweises Vakuum zwischen der Membran und dem Formungswerkzeug gebildet, um das Verbundmaterial zu verfestigen.
Das Verfahren kann während des Auflegens der Schichten wiederholt werden, um zu verfestigen und jegliche Luft, die zwischen Schichten des Verbundmaterials eingeschlossen ist, zu entfernen. Schließlich werden, mit einer angeordneten Membran und wenigstens einem teilweise gebildeten Vakuum, das Formungswerkzeug und das drapierte Verbundmaterial Wärme und Druck unterworfen, typischerweise innerhalb eines Autoklaven, um ein Härten des Harzes zu bewirken oder fördern, während der Druck eine Verfestigung des Verbundmaterials auf oder in dem männlichen Formungswerkzeug gewährleistet.
Die verwendeten Membranen werden aus Sackmaterialien hergestellt, welche lediglich eine begrenzte Dehnung aufweisen und unfähig sind, sich zu komplexen Formen zu bilden. Um dieses Problem zu überwinden, kann das Membranmaterial gefältelt sein, jedoch kann dies eine Quetschung bewirken, in welcher Verbundmaterial sich deformieren kann, was die Form des endgültig geformten Gegenstands ruiniert, und im Falle eines Hubschrauberblatts kann dies in dem Verschrotten des geformten Gegenstands resultieren.
Es ist ebenfalls bekannt, einen sogenannten Formverstärker zu verwenden, welcher typischerweise, wo das Formungswerkzeug eine im allgemeinen männliche Form ist, eine passende weibliche Form darstellt.
Die männlichen und weiblichen Formen werden verhältnismäßig zusammengeschlossen, so daß jegliche Dickenvariationen in dem Verbundmaterial zwischen den Formen vermieden werden, so daß eine bestimmte Form für den Verbund bereitgestellt wird. Jedoch kann, insbesondere, wo der zu formende Gegenstand ein großer länglicher Gegenstand mit einem beträchtlichen axialen Ausmaß ist, wie ein Hubschrauberblatt, die Herstellen eines passenden Paares von Formungswerkzeugen für den gesamten Gegenstand herzustellen, unerschwinglich teuer sein. Demzufolge ist es üblich für einen oder mehrere Formverstärker, die bereitzustellen sind, daß sie von verhältnismäßig kleinem Ausmaß sind, verglichen mit dem Hauptformungswerkzeug, und sie werden lediglich in besonders problematischen Bereichen des Gegenstandes verwendet.
Ein weiteres Problem mit dem bekannten Verfahren, das oben zum Formen unter Verwendung von Sackmaterialien beschrieben worden ist, liegt darin, daß durch die Natur der Sackmaterialien diese im allgemeinen lediglich einmal verwendbar sind und nach einer einzigen Verwendung zu entsorgen sind. Dies liegt daran, daß das Sackmaterial sich abbaut und spröde wird aufgrund der Wärme, die beim Härten des Verbundmaterials angewendet wird, wodurch das Material unterhalb des Standards liegt und ein Risiko darstellt, wieder verwendet zu werden.
In der GB 1438184 wird ein Verfahren zum Formen offenbart, bei welchem ein Gummiband verwendet wird, um Schichten eines Verbundmaterials auf einem Formungswerkzeug zu halten, während das Werkzeug und die Verbundmaterialschichten in einen elastischen Sack eingeführt werden.
Das Formungswerkzeug, die Verbundmaterialschichten und der elastische Sack werden dann in einem Autoklaven angeordnet, wo eine Kompression der Materialschichten durch Beaufschlagung eines Vakuums erreicht wird.
Gemäß einer ersten Erscheinungsform der Erfindung stellen wir ein Verfahren zum Formen von Gegenständen aus Schichten eines Verbundmaterials bereit, das Fasern sind, die mit nicht gehärtetem Harz imprägniert sind, nach Anspruch 1.
Daher wird gemäß der vorliegenden Erfindung, vor ebenso wie während der Beaufschlagung des wenigstens teilweisen Vakuums, die Membran sich an die Form des Formungswerkzeugs durch Spannung anpassen, so daß kein Fälteln oder dergleichen erforderlich ist, um komplexe Formungswerkzeugformen vor irgendeiner Kompression der Materialschicht oder -schichten in einem Autoklaven oder dergleichen aufzunehmen. Ferner kann durch Verwendung geeigneter elastischer Membranmaterialien, wie eines elastomeren Materials, die Membran wiederholt wieder verwendet werden. Überdies ist gefunden worden, daß das gespannte elastomere Material als ein Formverstärker wirkt, wodurch die Notwendigkeit vermieden wird, einen Formverstärker bereitzustellen, der speziell hergestellt worden ist, um für Bereiche des Formungswerkzeugs zu passen.
Die Erfindung kann angewendet werden zum Verfestigen und Entstocken einzelner Schichten oder einer Vielzahl von einzelnen Schichten, bevor das Harz Wärme unterworfen oder anderweitig gehärtet wird. Jedoch kann das Verfahren der Erfindung ein Beaufschlagen von Wärme auf das Verbundmaterial mit der Membran in einem gespannten Zustand und mit dem wenigstens teilweise gebildeten Vakuum einschließen, was das Härten des Harzes bewirkt oder fördert. Daher ist das Harz bevorzugt ein wärmehärtbares Harz. Die Erfindung kann ein Anordnen des Formungswerkzeugs, des nicht gehärteten Verbundmaterials und der gespannten Membran in einem Autoklaven einschließen, in welchem das Verbundmaterial Wärme und wünschenswerterweise ebenfalls Druck unterworfen wird.
Gemäß einer zweiten Erscheinungsform der Erfindung stellen wir eine Formungsvorrichtung zum Formen von Gegenständen aus Schichten von Verbundmaterial bereit, welches Fasern sind, die mit nicht gehärtetem Harz imprägniert sind, nach Anspruch 12.
Die Vorrichtung kann ferner Mittel einschließen, um Wärme auf das Verbundmaterial zu beaufschlagen, während die Membran in dem gespannten Zustand ist und das wenigstens teilweise Vakuum beaufschlagt ist, um das Harz des Verbundmaterials zu härten oder die Härtung zu fördern.
Die Vorrichtung kann eine Basis einschließen, auf oder in welcher das Formungswerkzeug bereitgestellt ist, wobei Mittel vorgesehen sind, um eine im wesentlichen luftdichte Abdichtung zwischen dem Rahmen und der Basis bereitzustellen, wenn der Rahmen in seinem zweiten Zustand ist, um zu ermöglichen, daß das wenigstens teilweise Vakuum zwischen der Membran und dem Formungswerkzeug gebildet ist.
Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden, in denen:
1 eine veranschaulichende Seitenansicht einer Formungsvorrichtung gemäß der zweiten Erscheinungsform der Erfindung ist, in einer ersten Stufe eines Formungsverfahrens gemäß der ersten Erscheinungsform der Erfindung;
2 eine Ansicht ist, die ähnlich zu 1 ist, jedoch bei einer zweiten Formungsstufe;
3 eine Ansicht ist, die ähnlich zu 1 und 2 ist, in Perspektive, jedoch bei einer dritten Formungsstufe;
4 eine veranschaulichende Seitenansicht eines Hubschraubers mit einem Haupttrageroto ist, von dem wenigstens Teile der Blätter durch das Verfahren der Erfindung hergestellt sind.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen schließt eine Formungsvorrichtung 10 ein männliches Formungswerkzeug 12 ein, welches in diesem Beispiel zum Formen eines vorderen Randholms eines Rotorblatts für einen Hubschrauber ist, welcher länglich mit einem beträchtlichen axialen Ausmaß ist, in ein Verbundmaterial. Daher ist das Formungswerkzeug 12 von einer Konfiguration, welche der gewünschten Konfiguration des vorderen Randholms des Rotorblatts stark ähnelt und sich über die gesamte Länge des zuformenden Holmes erstreckt. Somit ist das Formungswerkzeug 12 von einer beträchtlichen Längsausdehnung.
Das Formungswerkzeug 12 wird auf einer Basis 14 bereitgestellt, welche ein integrales Teil des Werkzeugs 12 sein kann, oder das Formungswerkzeug 12 kann bezüglich der Basis 14 montiert sein. Wie es üblich ist, sind eine oder mehrere Schichten 16 des Verbundmaterials über dem Werkzeug 12 drapiert. Solche Verbundmaterialschichten können typischerweise Fasern einschließen, wie Kohle-, Glas- oder Kevlar-Fasern, die mit einem nicht gehärteten Harz imprägniert sind, gewöhnlicherweise einem wärmehärtbaren Harz. In den Zeichnungen sind diese Schichten 16 durch eine einzelne Linie 17 bezeichnet.
Um die einzelnen Schichten 16 oder eine Vielzahl der Schichten zu verfestigen und um Luft zwischen den Schichten zu entfernen, ist eine Membran 18 über dem Formungswerkzeug 12 und der Verbundschicht oder -schichten 16 angeordnet. Ein wenigstens teilweises Vakuum wird dann zwischen der Membran 18 und der Basis 14 gebildet.
Gemäß der Erfindung ist die Membran 18 aus elastomerem Material hergestellt und ist auf wenigstens einen wesentlichen Teil des axialen Ausmaßes des Formungswerkzeugs 12 aufgetragen und bevorzugt über das gesamte axiale Ausmaß des Formungswerkzeugs 12. Die Membran 18 wird getragen durch und besetzt eine Öffnung 19, die durch einen Rahmen 20 geliefert wird, welcher sich über das gesamte Ausmaß des Formungswerkzeugs 12 erstreckt und dieses für den zu formenden Holm umgibt. Der Rahmen 20 trägt um die Peripherie desselben eine Abdichtung 21. Es kann erkannt werden, daß die elastische Membran 18 in 1 in einem entspannten Zustand ist, und somit ist das elastische Material, wenn es in diesem Zustand ist, von größerem Ausmaß als die Öffnung 19 des Rahmens 20.
In 2 kann erkannt werden, daß der Rahmen 20 auf die Basis 14 bewegt worden ist. Dies wird dann eine ausreichende Kraft erfordern, die ausgeübt werden muß, um die Membran 18 aus elastomerem Material über das aufgelegte Formungswerkzeug 12 zu spannen. In diesem Zustand ist die Abdichtung 21 in im wesentlichen luftdichtem Abdichtungskontakt mit der Basis 14. Am günstigsten wird die Membran 18 in dem gespannten Zustand durch Anbringung einer Klammer C zwischen dem Rahmen 20 und der Basis 14 gehalten.
Die gespannte elastomere Membran 18 wird agieren, um die Schicht oder Schichten des Verbundmaterials 16 um die im allgemeinen männliche Konfiguration des Formungswerkzeugs 12 zu verfestigen. Ein wenigstens teilweises Vakuum wird dann zwischen der Membran 18 und der Basis 14 gebildet, um Luft, insbesondere zwischen Schichten des Verbundmaterials 16, zu entfernen. Die elastomere Membran 18 wird somit den Zustand annehmen, der in 3 gezeigt ist, bei welchem die Membran 18 weiter umgespannt werden wird, um so mit der Form des Formungswerkzeugs 12 konform zu sein.
Das soweit beschriebene Verfahren kann jedes Mal angewendet werden, wenn eine Schicht oder eine Vielzahl von Schichten 16 über dem Formungswerkzeug 12 drapiert werden, um die Schichten während des Schichtaufbaus zu verfestigen. Zwischen dem Auftragen der einzelnen Schicht oder der Schichten kann das Vakuum aufgehoben werden und die Membran 18 kann sich von dem Formungswerkzeug ausreichend wegbewegen, um zu ermöglichen, daß die nächste Schicht oder Schichten oder nicht gehärtetes, vorimprägniertes Verbundmaterial aufgetragen werden kann.
Wenn die letzte Schicht aufgelegt worden ist, kann das Formungswerkzeug 12 zusammen mit der gespannten Membran 18 in einem Autoklaven A (mit dem wenigstens teilweise beaufschlagten Vakuum, das beaufschlagt ist, wie es in 3 gezeigt ist) angeordnet werden, wodurch das Harz Wärme unterworfen werden kann aus einem Heizmittel H, um das Harz zu härten oder wenigstens teilweise zu härten. Innerhalb des Autoklavens kann, falls gewünscht, der Druck außerhalb der Membran 18 gesteigert werden.
Verschiedene Modifikationen können durchgeführt werden, ohne von dem Umfang der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise können das Verfahren und die Vorrichtung, die beschrieben wurden, zum Formen von Gegenständen in Verbundmaterial verwendet werden, welches andere sind als Holme für Hubschrauberrotorblätter, in welchem Falle das Formungswerkzeug 12 und der Rahmen 20 besonders für den zu formenden Gegenstand konfiguriert sein können.
Die Erfindung ist insbesondere geeignet, wo das Verbundmaterial, das zu härten ist, dick ist, womit wir eine Dicke von größer als 1,5 mm meinen, jedoch angewendet werden kann, wo das Verbundmaterial dicker/dünner sein soll als dieser Bereich.
Ein Beispiel eines geeigneten elastomeren Membranmaterials ist Silikonkautschuk, welcher in der Lage ist, Temperaturen standzuhalten, die typischerweise während des Wärmehärtens von wärmehärtbaren Harzen auftreten, nämlich bis zu etwa 175°C, und welches elastisch zu seiner ursprünglichen Form zur Wiederverwendung zurückkehrt. Jedoch kann jedes andere elastomere Material, wie Natur- oder anderer künstlicher Kautschuk, verwendet werden.
In 4 ist ein Hubschrauber E mit einem Haupttragerotor M mit einer Vielzahl von Rotorblättern R gezeigt, wobei wenigstens die vorderen Randholme jeweils durch das oben beschriebene Verfahren unter Verwendung der Formungsvorrichtung 10 gebildet worden sind.
Während es wünschenswert ist, daß die gesamte Vorderrandholmcomponente oder eine andere Komponente jedes Rotorblatts R in einem einzelnen Auflageverfahren unter Verwendung einer Membran 18, die über die gesamte Länge des länglichen Formungswerkzeugs 12 aufgetragen ist, hergestellt wird, können die vorderen Randholme oder anderen Komponenten des Rotorblatts R in Abschnitten hergestellt werden, welche anschließend zusammen montiert werden, um ein Rotorblatt R herzustellen.

Claims

Verfahren zum Formen eines Gegenstands aus Schichten eines Verbundmaterials, das Fasern sind, die mit nicht gehärtetem Harz imprägniert sind, unter Verwendung einer Formungsvorrichtung (10), welche ein Formungswerkzeug (12) und einen Rahmen (20) einschließt, welcher eine Öffnung (19) bietet, wobei die Öffnung (19) darin eine Membran (18) aus elastischem Material aufweist, wobei das Verfahren ein Drapieren wenigstens einer Schicht (16) des Verbundmaterials über dem Formungswerkzeug (12), ein Aufbringen der Membran (18) über die Verbundmaterialschicht oder – schichten (16) und ein Bilden wenigstens eines teilweisen Vakuums zwischen der Membran (18) und dem Formungswerkzeug (12) einschließt, um das Verbundmaterial zu verfestigen, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren vor dem Anlegen des wenigstens teilweisen Vakuums ein Bewegen des Rahmens (20) von einer Position, in welcher die Membran (18) von dem Formungswerkzeug (12) beabstandet ist, auf das Werkzeug (12) in eine zweite Position einschließt, wodurch eine Kraft auf die Membran (18) beaufschlagt wird, um die Membran (18) über das Formungswerkzeug (12) zu spannen und die Schicht (16) oder Schicht des Verbundmaterials zu verfestigen, und ein Halten des Rahmens in der zweiten Position, um die Kraft aufrechtzuerhalten, während das wenigstens teilweise Vakuum gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Membranmaterial (18) ein elastomeres Material ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren ein Wiederverwenden des Membranmaterials (18) einschließt, um weitere Schichten des Verbundmaterials zu verfestigen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren ein Verfestigen und Entstocken einzelner Verbundmaterialschichten (16) einschließt, bevor das Harz gehärtet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren ein Verfestigen und Entstocken einer Vielzahl von einzelnen Schichten (16) des Verbundmaterials einschließt, bevor das Harz gehärtet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren ein Beaufschlagen von Wärme auf das Verbundmaterial (16) mit der Membran (18) in einem gespannten Zustand einschließt, und wobei das wenigstens teilweise Vakuum gebildet wird, um ein Härten des Harzes zu bewirken oder zu fördern.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Harz ein wärmehärtbares Harz ist.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren ein Anordnen des Formungswerkzeugs (12), des nicht gehärteten Verbundmaterials (16) und der gespannten Membran (18) in einem Autoklaven (A) einschließt, in welchem das Verbundmaterial (16) Wärme unterworfen wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Autoklaven (A) das Formungswerkzeug (12), das nicht gehärtete Verbundmaterial (16) und die gespannte Membran (18) Druck unterworfen werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenstand langgezogen ist und die Membran (18) über wenigstens einen beträchtlichen Teil des axialen Umfangs des Gegenstands aufgetragen wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenstand ein vorderer Randholm eines Hubschrauberrotorblatts (R) ist.
Formungsvorrichtung (10) zum Formen von Gegenständen (R) aus Schichten eines Verbundmaterials (16), welches Fasern sind, die mit nicht gehärtetem Harz imprägniert sind, wobei die Formungsvorrichtung (10) ein Formungswerkzeug (12) und einen Rahmen (20) einschließt, welcher eine Öffnung (19) bietet, wobei die Öffnung (19) darin eine Membran (18) aus elastischem Material aufweist, wobei Mittel vorgesehen sind, um den Rahmen (20) von einer Position, in welcher die Membran (18) von dem Formungswerkzeug (12) beabstandet ist, zu einer zweiten Position, in welcher die Membran (18) über das Formungswerkzeug (12) mit wenigstens einer Schicht des Verbundmaterials (16) zwischen dem Formungswerkzeug (12) und der Membran (18) gespannt ist, zu bewegen, um die Schicht (18) oder Schichten zu verfestigen, wobei Mittel (C) vorgesehen sind, um die Membran (18) in einem gespannten Zustand zu halten, während wenigstens ein teilweises Vakuum zwischen der Membran (18) und dem Formungswerkzeug (12) gebildet ist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung ferner Mittel (H) einschließt, um Wärme auf das Verbundmaterial zu beaufschlagen, während die Membran (18) in dem gespannten Zustand ist und das wenigstens teilweise Vakuum beaufschlagt ist, um das Harz des Verbundmaterials (16) zu härten oder die Härtung zu fördern.
Vorrichtung nach Anspruch 12 oder Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (10) eine Basis (14) einschließt, auf oder in welcher das Formungswerkzeug (12) bereitgestellt ist, wobei Mittel (21) vorgesehen sind, um eine im wesentlichen luftdichte Abdichtung zwischen dem Rahmen (20) und der Basis (14) bereitzustellen, wenn der Rahmen (20) in seiner zweiten Position ist, um zu ermöglichen, daß das wenigstens teilweise Vakuum zwischen der Membran (18) und dem Formungswerkzeug (12) gebildet ist.