WO2009067993A2 - Verfahren zur herstellung eines endlosen, dreidimensionalen geschlossenen faserverbundwerkstoff-halbzeugs - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines endlosen, dreidimensionalen geschlossenen faserverbundwerkstoff-halbzeugs Download PDF

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    • Y10T156/1038—Hollow cylinder article

Definitions

  • the invention relates to a method for producing an endless, three-dimensional closed fiber composite semifinished product from a planar, flat fiber preform according to the patent claim 1.
  • shell-shaped components in aerospace engineering are always constructed or stiffened with stringers and frame structures or with sandwich elements.
  • stiffening elements are each worked out of a web, cut to the respective component and then further processed individually by means of manufacturing component to the component.
  • the invention has for its object to provide a method for producing the endless, three-dimensional closed fiber composite semifinished product, which is a simple, cost-effective and load-oriented production of a semifinished product, for example for the production of a stiffening structure for a Shell construction, possible.
  • the inventive method for producing an endless, three-dimensional closed fiber composite semifinished product from a planar, flat fiber preform comprises the following steps:
  • the resulting new closed semi-finished product can be led to a complete component in further preform assembly processes or further processed in a pultrusion process.
  • the closing of the three-dimensional structure is performed by sewing.
  • sewing To close the three-dimensional structure by means of sewing, proves to be particularly advantageous, since this represents an easy-to-use manufacturing step, which also allows a variety of design options for the joint in a simple manner.
  • d. H To ensure Lastfallfure training of the fiber composite semifinished product, the steps a) and b) are repeated several times, d. H. On a first layer of a flat sheet-like fiber preform further layers of the planar, flat fiber preform are applied, which are then also aligned again according to the component requirement.
  • the mutually applied planar, flat fiber preforms can also be designed differently. That On the first layer of the first flat, sheet-like fiber preform, a layer of another, second flat sheet-like fiber preform is applied.
  • fiber preforms produced according to different production methods could also be used.
  • these now superimposed fiber preform layers are fixed to each other before their deformation into a three-dimensional structure. Fixing has the effect of precluding unwanted slippage of the layers during deformation.
  • the superimposed fiber preform layers are fixed to one another by means of sewing.
  • a stretchable and / or stiff and / or fusible thread material is used for the stitching to close the three-dimensional structure and / or for stitching to fix the layers to each other. Due to the use of one of the materials listed above for the thread, it is possible in a simple way to influence the joint or the fixation. If, for example, sewing is used to close the three-dimensional structure with a stretchable thread material, this allows a more flexible use of the closed structure.
  • Suturing is preferably carried out by means of an arm-down machine or a 3D sewing robot. As a result, a fast and accurate seam guide is guaranteed.
  • the shaping of the planar, flat fiber preform layers takes place by means of a folding process.
  • the profile shape of the closed semifinished product obtained in this way can be square or similar, both circular but also with narrow radii.
  • the three-dimensional, closed fiber composite semifinished product is subjected to a heat process.
  • a fusible thread is used in each case for closing the web material by means of sewing and for fixing the layers by means of sewing.
  • a fusible thread is used to fix the various superimposed fiber preform layers, then, after being closed into a three-dimensional structure, this unfused thread is present throughout the structure.
  • step d after completion of step d), the three-dimensional, closed fiber composite semifinished product is draped over a core.
  • FIG. 1 a cross-section of an endless reinforcing structure profile produced by the process according to the invention
  • FIG. 2 shows an upper shell of a carbon fiber floor with reinforcing structure profiles produced by the method according to the invention
  • FIG. 3 shows the floor of FIG. 2 after applying a cover layer.
  • Fig. 1 shows more or less schematically in a cross-sectional view a generally designated by the reference numeral 10 three-dimensional semi-finished product in the form of a reinforcing structure profile.
  • the reinforcing structure profile 10 is made up of a plurality of layers of planar, flat fiber preforms and has a substantially square cross-sectional area.
  • the fiber architecture and the type of planar, flat fiber preforms are chosen so that the lateral surfaces 12, 14, 16, 18 of the reinforcing structure profile 10 each have a well-defined layer structure.
  • the structure was closed by means of an endlessly operating arm-down sewing machine.
  • the introduced seams 20 have the property to stabilize the material and offer the possibility to further process it in the dry state.
  • the "tube" produced in this way can be draped in a further step, for example, over a core.
  • the seam further gives the textile precursor a flexibility and drape capability.
  • the dry hose can be cut to size depending on the required length of the core material to be loaded. Additional aids, e.g. Draping tools or post-cut stencils can be dispensed with.
  • Fig. 2 and Fig. 3 is shown as an application example just pronounced to be stiffened shell structure in the form of a floor for a helicopter.
  • all webs and ribs can be introduced by using a semifinished product produced by the method according to the invention.
  • the individual "stripes" thus represent unit elements that can be cut to a core and cured depending on the construction and local characteristics of the floor (anchor points, tank ring, cover for load hooks, etc.). For exact positioning in the component then solid core materials (between the ribs) can be inserted.
  • longitudinal ribs 24 and transverse ribs 26 are provided on a cover layer 22 for reinforcement.
  • Reference numeral 28 denotes additional reinforcing patches for local reinforcement, while reference numeral 30 is an exemplary arrangement of the profiles for the realization of a stiffening group, for. B. frame for load hook is called.
  • the component After positioning the individual reinforcing elements and other functional groups, the component is infiltrated and cured by means of a vacuum infusion technique.

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Abstract

Verfahren zur Herstellung eines endlosen, dreidimensionalen geschlossenen Faserverbundwerkstoff-Halbzeugs aus mindestens einem ebenen, flächigen Faser-Vorformling. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass der flächige Faser-Vorformling zunächst flächig abgelegt und zur Herstellung einer lastfallgerechten Faserorientierung ausgerichtet wird und anschließend zu einer dreidimensionalen Struktur verformt wird. In einem letzten Schritt erfolgt dann das Schließen der dreidimensionalen Struktur zu dem geschlossen Halbzeug.

Description

Verfahren zur Herstellung eines endlosen, dreidimensionalen geschlossenen
Faserverbundwerkstoff-Halbzeugs
TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines endlosen, dreidimensionalen geschlossenen Faserverbundwerkstoff-Halbzeugs aus einem ebenen, flächigen Faser-Vorformling gemäß dem Patentanspruch 1.
STAND DER TECHNIK
Bekanntermaßen werden schalenförmige Bauteile in der Luft- und Raumfahrt immer mit Stringer- und Spantstrukturen bzw. mit Sandwichelementen aufgebaut bzw. versteift.
Sind solche Strukturen in Kohlenstofffaser-Bauweise ausgeführt, werden die Versteifungselemente jeweils aus einer Bahnware herausgearbeitet, dem jeweiligen Bauteil entsprechend zugeschnitten und dann individuell mittels Fertigungsmittel zum Bauteil weiterverarbeitet.
Diese Vorgehensweise führte in der Vergangenheit zur Entwicklung des Flechtprozesses, der es wiederum erlaubt, schlauchförmige, geschlossene Halbzeuge zu ge- nerieren. Diese mittels Flechtprozessen generierten schlauchförmigen Halbzeuge bzw. die daraus resultierenden Versteifungselemente bieten dem Konstrukteur jedoch keine „Design-Freiheit", sind kostenintensiv in ihrer Herstellung und zudem in der Fertigung sehr schwer handhabbar. Insbesondere die Schwierigkeit der Sicherstellung einer lastfallgerechten Faserorientierung stellt einen wesentlichen Hemm- schuh zum verstärkten Einsatz dieser Technologie dar. DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Ausgehend von den oben aufgeführten Nachteilen, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung des endlosen, dreidimensionalen geschlossenen Faserverbundwerkstoff-Halbzeugs zur Verfügung zu stellen, welches eine einfache, kostengünstige und lastfallgerechte Herstellung eines Halbzeugs, beispielsweise für die Herstellung einer Versteifungsstruktur für eine Schalenbauweise, er- möglicht.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
Die Unteransprüche 2 bis 10 bilden vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines endlosen, dreidimensionalen geschlossenen Faserverbundwerkstoff-Halbzeugs aus einem ebenen, flächigen Fa- ser-Vorformlings umfasst die folgenden Schritte:
a) Flächiges Ablegen des ebenen, flächigen Faser-Vorformlings;
b) Ausrichten des ebenen, flächigen Faser-Vorformlings zur Herstellung einer last- fallgerechten Faserorientierung des flächigen Faser-Vorformlings;
c) Formen des ebenen, flächigen Faser-Vorformlings zu einer dreidimensionalen Struktur, und
d) Schließen der dreidimensionalen Struktur zu dem geschlossenen Faserverbundwerkstoff-Halbzeug.
Da gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung des Halbzeugs bereits auf enddicke, kompaktierte, aber weiterhin flexibel handhabbare, in ebener Form vorliegende Faserarchitekturen verwendet werden, ist in vorteilhafter weise eine einfache, kostengünstige Herstellung gewährleistet. Insbesondere ist eine einfa- che, lastfallgerechte Ausrichtung bzw. Ausprägung der Faserorientierung ermöglicht. Vorteilhaft ist zudem, dass zur Herstellung keine weiteren Preform vorbereitende Fertigungsmittel erforderlich sind.
Das entstandene neue geschlossene Halbzeug kann sowohl in weiteren Preform- montageprozessen zu einem Gesamtbauteil geführt oder aber in einem Pultrusi- onsprozess weiter verarbeitet werden.
Vorzugsweise wird das Schließen der dreidimensionalen Struktur mittels Vernähen durchgeführt. Die dreidimensionale Struktur mittels Vernähen zu schließen, erweist sich als besonders vorteilhaft, da dies einen einfach zu handhabenden Fertigungsschritt darstellt, der zudem auf eine einfache Art und Weise verschiedene Gestaltungsmöglichkeiten für die Fügestelle ermöglicht.
Um eine optimale, d. h. lastfallgerechte Ausbildung des Faserverbund-Halbzeugs zu gewährleisten, werden die Schritte a) und b) mehrfach wiederholt, d. h. auf eine erste Lage eines ebenen flächigen Faser-Vorformlings werden weitere Lagen des ebenen, flächigen Faser-Vorformlings aufgebracht, die dann ebenfalls wieder entsprechend der Bauteilanforderung ausgerichtet werden. Die aufeinander aufgebrachten ebenen, flächigen Faser-Vorformlinge können dabei auch unterschiedlich ausgebildet sein. D.h. auf die erste Lage des ersten ebenen, flächigen Faser-Vorformlings wird eine Lage eines anderen, zweiten ebenen flächigen Faser-Vorformlings aufgebracht. So könnten beispielsweise, um einen speziellen Lagenaufbau zu erzielen, auch nach unterschiedlichen Herstellverfahren (Weben, Wirken, Nähen, Sticken, etc.) herge- stellte Faser-Vorformlinge verwendet werden.
Vorzugsweise werden diese nunmehr aufeinander liegenden Faser-Vorformlings- Lagen vor ihrer Verformung zu einer dreidimensionalen Struktur zueinander fixiert. Das Fixieren hat den Effekt, dass ein ungewolltes Verrutschen der Lagen unterein- ander beim Verformen ausgeschlossen ist.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die aufeinander liegenden Faser-Vorformlings- Lagen mittels Vernähen zueinander fixiert. Vorzugsweise wird für das Vernähen zum Schließen der dreidimensionalen Struktur und/oder für das Vernähen zum Fixieren der Lagen zueinander ein dehnfähiges und/oder steifes und/oder schmelzbares Fadenmaterial verwendet. Aufgrund der Verwendung eines der oben aufgeführten Materialien für den Faden ist auf eine ein- fache Art und Weise eine Beeinflussung der Fügestelle bzw. der Fixierung ermöglicht. Wird beispielsweise für das Vernähen zum Schließen der dreidimensionalen Struktur mit einem dehnfähigen Fadenmaterial durchgeführt, ist hierdurch eine flexiblere Verwendung der geschlossenen Struktur ermöglicht.
Vorzugsweise erfolgt das Vernähen mittels einer Armabwärtsmaschine oder eines 3D-Nähroboters. Hierdurch ist eine schnelle und exakte Nahtführung gewährleistet.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung erfolgt das Formen der ebenen, flächigen Faser-Vorformlings-Lagen mittels eines Faltprozesses. Die dadurch erzielte Pro- filform des geschlossenen Halbzeugs kann sowohl kreisförmig, aber auch mit engen Radien quadratisch oder ähnlich ausgeprägt sein.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nach Abschluss des Schrittes d) das dreidimensionale, geschlossene Faserverbundwerkstoff-Halbzeug einem Wärmeprozess unterzogen. Dies erweist sich insbesondere dann von Vorteil, wenn für das Schließen der Bahnware mittels Vernähen und zum Fixieren der Lagen mittels Vernähen jeweils ein schmelzbarer Faden verwendet wird. Wird beispielsweise für das Fixieren der verschiedenen aufeinander liegenden Faser-Vorformlings-Lagen ein schmelzbarer Faden verwendet, befindet sich nach dem Schließen zu einer dreidimensionalen Struktur dieser - nicht aufgeschmolzene - Faden in der gesamten Struktur. Durch den anschließenden Wärmeprozess und das damit verbundene Aufschmelzen des Fadenmaterials findet in vorteilhafterweise eine endlose Fixierung der gesamten, geschlossenen Struktur statt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nach Abschluss des Schrittes d) das dreidimensionale, geschlossene Faserverbundwerkstoff-Halbzeug über einen Kern drapiert. Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen.
Die Erfindung wird im Folgenden an Hand des in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben.
In der Zeichnung bedeuten:
Fig.1 Ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren endlos hergestelltes Verstärkungsstrukturprofil im Querschnitt;
Fig.2 eine Oberschale eines kohlenstofffaser Fußbodens mit nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Verstärkungsstrukturprofilen, und
Fig.3 der Fußboden aus Fig. 2 nach Aufbringen einer Decklage.
Fig. 1 zeigt mehr oder minder schematisch in einer Querschnittsdarstellung ein insgesamt mit der Bezugsziffer 10 bezeichnetes dreidimensionales Halbzeug in Form eines Verstärkungsstrukturprofils. Das Verstärkungsstrukturprofil 10 ist aus mehreren Lagen von ebenen, flächigen Faser-Vorformlingen aufgebaut und weist eine im Wesentlichen quadratische Querschnittsfläche auf.
Die Faserarchitektur und die Art der ebenen, flächigen Faser-Vorformlinge sind dabei so gewählt, dass die seitlichen Flächen 12, 14, 16, 18 des Verstärkungsstrukturprofils 10 jeweils einen genau definierten Lagenaufbau aufweisen.
Nach Ausrichten bzw. Einstellung der gewünschten Faserarchitektur und dem Formen zu der dargestellten, im Wesentlichen quadratischen Querschnittsform, erfolgte vorliegend das Schließen der Struktur mittels einer endlos arbeitenden Armabwärtsnähmaschine. Die eingebrachten Nähte 20 haben die Eigenschaft das Material zu stabilisieren und bieten die Möglichkeit es im trockenen Zustand weiter zu verarbeiten. Der so hergestellte "Schlauch" kann in einem weiteren Schritt beispielsweise über einen Kern drapiert werden. Dabei gibt die Naht dem textilen Vorprodukt weiterhin eine Flexibilität und Drapierfähigkeit.
Die Lage der einzelnen Seitenwände ist jedoch durch die Naht exakt positioniert. Der trocken vorliegende Schlauch kann je nach benötigter Länge des zu bestückenden Kernmaterials zugeschnitten werden. Zusätzliche Hilfsmittel, z.B. Drapierwerkzeuge oder Nachschnittschablonen können damit entfallen.
In Fig. 2 und Fig. 3 ist als Anwendungsbeispiel eine eben ausgeprägte zu versteifende Schalenstruktur in Form eines Fußbodens für einen Hubschrauber dargestellt.
Es ist ersichtlich, dass durch den Einsatz eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Halbzeugs, sämtliche Stege und Rippen eingebracht werden können. Die einzelnen "Streifen" stellen somit Einheitselemente dar, die je nach Konstruktion und lokaler Ausprägung des Fußbodens (Anchor Points, Tankring, Deckel für Lasthaken etc.) zugeschnitten, auf einen Kern gesteckt und ausgehärtet werden können. Zur exakten Positionierung im Bauteil können dann feste Kernmaterialien (zwischen den Rippen) eingelegt werden.
Vorliegend sind auf einer Decklage 22 zur Verstärkung Längsrippen 24 und Querrippen 26 vorgesehen. Bezugsziffer 28 bezeichnet zusätzliche Verstärkungspatches zur lokalen Verstärkung, während mit Bezugsziffer 30 eine beispielhafte Anordnung der Profile zur Realisierung einer Versteifungsgruppe, z. B. Rahmen für Lasthaken be- zeichnet ist.
Nach Positionierung der einzelnen Verstärkungselemente und sonstigen Funktionsgruppen, wird das Bauteil mittels einer Vakuuminfusionstechnik infiltriert und ausgehärtet.
Zur Fertigstellung des Sandwich-Panels "kohlenstofffaser Fußboden" wird die Oberbzw. Unterschale nach einem Infiltrationsprozess noch mit einer Decklage 32 verklebt. BEZUGSZEICHENLISTE
10 Verstärkungsstrukturprofil
12 seitliche Fläche
14 seitliche Fläche
16 seitliche Fläche
18 seitliche Fläche
20 Naht
10 22 Decklage
24 Längsrippe
26 Querrippe
28 Verstärkungspatches
30 Versteifungsgruppe
15 32 Decklage

Claims

P61 1147ΛΛ/O/1 8PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Herstellung eines endlosen, dreidimensionalen geschlossenen Faserverbundwerkstoff-Halbzeugs aus einem ebenen, flächigen Faser- Vorformling, umfassend die folgenden Schritte: a) flächiges Ablegen des ebenen, flächigen Faser-Vorformlings; b) Ausrichten des ebenen, flächigen Faser-Vorformlings zur Herstellung einer lastfallgerechten Faserorientierung des flächigen Faser- Vorformlings; c) Formen des ebenen, flächigen Faser-Vorformlings zu einer dreidimensionalen Struktur; d) Schließen der dreidimensionalen Struktur.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt d) die dreidimensionale Struktur mittels Vernähen geschlossen wird.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass vor Ausführung des Schritts c) die Schritte a) und b) wiederholt mit weiteren ebenen, flächigen Faser-Vorformlingen durchgeführt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die ebenen, flächigen Faser-Vorformlinge zueinander fixiert werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die ebenen, flächigen Faser-Vorformlinge mittels Vernähen zueinander fixiert werden.
6. Verfahren nach den Ansprüchen 2 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass für das Vernähen zum Schließen der dreidimensionalen Struktur und/oder für das Vernähen zum Fixieren der Faser-Vorformlinge zueinander ein dehnfä- higes und/oder steifes und/oder schmelzbares Fadenmaterial verwendet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Vernähen mittels einer Armabwärtsmaschine oder eines 3D-Nähroboters durchgeführt wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) der/die flächige(n) Faser-Vorformling(e) mittels eines Faltprozesses zu der dreidimensionalen Struktur verformt wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach Abschluss des Schrittes d) das dreidimensionale, geschlossene Faserverbundwerkstoff-Halbzeug einem Wärmeprozess unterzo- gen wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach Abschuss des Schrittes d) das dreidimensionale, geschlossene Faserverbundwerkstoff-Halbzeug über einen Kern drapiert wird.
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