Verfahren zur Herstellung eines Profils aus Faserverbundwerkstoff

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Profils aus Faserverbundwerkstoff.

Obwohl für die Herstellung beliebiger Profile geeignet, werden die vorliegende Erfindung sowie die ihr zugrunde liegende Problematik in Bezug auf Stringer eines Flugzeugs näher erläutert.

Gemäß einem der Anmelderin bekannten verfahren zur Herstellung von Profilen, beispielsweise Stringern, wird zunächst ein Vorgelege aus Faserverbundwerkstoff auf einer Laminier- vorrichtung abgelegt. Anschließend werden an das Vorgelege Stützelemente angelegt, welche das Vorgelege abstützen und somit in der gewünschten Form des herzustellenden Stringers halten. Daraufhin wird das Vorgelege samt den Stützelementen in einen Vakuumsack eingepackt und dieser mit Vakuum beaufschlagt. Abschließend wird die Anordnung umfassend den Vakuumsack mit dem darin angeordneten Vorgelege und den Stützelementen in einem Autoklaven unter Druck und Wärme ausgehärtet.

Faserverbundwerkstoffe, insbesondere mit Kohlenstoff-Fasern, weisen einen sehr niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf. Folglich müssen die das Vorgelege abstützenden Stützelemente - welche mit dem Vorgelege direkt in Kontakt stehen - ebenfalls aus einem Material ausgebildet werden, welches einen sehr niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, da es ansonsten aufgrund der Wechselwirkung des Vorgeleges mit den Stützelementen zu einem ungewünschten Verzug des Vorgeleges kommt. Materialien mit einem sehr niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten, beispielsweise Nickel-36 Stahl, sind sehr

teuer. Weiterhin müssen die Stützelemente eine ganz bestimmte Form abhängig von der Form des herzustellenden Profils aufweisen. Dies wiederum erfordert bei Stützelementen aus Nickel-36 Stahl eine sehr aufwendige mechanische Bearbeitung, da dieser sehr hart ist. Besonders bei der Herstellung gestrakter Profile - das sind solche Profile, welche sich in ihrer Längsrichtung krümmen - ist der Aufwand für die mechanische Bearbeitung der Stützelemente groß.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Profils aus Faserverbundwerkstoff bereitzustellen, welches insbesondere ohne die vorstehend beschriebenen, sehr teuren Stützelemente auskommt.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Demgemäß wird ein Verfahren zur Herstellung eines Profils aus Faserverbundwerkstoff, insb. im Luft- und Raumfahrtbereich, mit folgenden Schritten bereitgestellt: Zunächst wird ein Vorgelege in einen Vakuumsack eingepackt. Anschließend wird wenigstens ein Stützelement an das eingepackte Vorgelege zum Abstützen desselben angelegt. Daraufhin wird der Vakuumsack mit einem Vakuum beaufschlagt. Weiterhin anschließend wird das Vorgelege zum Bilden des Profils ausgehärtet.

Die der Erfindung zugrunde liegende Idee besteht in der Erkenntnis, dass der Vakuumsack eine Bewegung des wenigstens einen Stützelements relativ zu dem Vorgelege erlaubt, wenn das wenigstens eine Stützelement und das Vorgelege an gegenüberliegenden Seiten des Vakuumsacks angeordnet sind. Eine mechanische Wechselwirkung zwischen dem Vorgelege und dem wenigstens einen Stützelement, die zu einem Verzug des Vorgeleges führen könnte, wird somit vermieden, in der Folge können als Material für die Stützelemente kostengünstige Materialien, wie beispielsweise Aluminium- und Stahlbleche verwendet werden, welche sich auch einfach mechanisch in die gewünschte Form bringen lassen. Alternativ sind auch Stützelemente aus

Kunststoff, insb. Strangpressprofile aus Kunststoff, denkbar. Damit ergibt sich ein gegenüber dem bekannten Verfahren sehr viel kostengünstigeres Verfahren zur Herstellung eines Profils aus Faserverbundwerkstoff . Besonders gestrakte Profile lassen sich somit günstig herstellen.

Aus den Unteransprüchen ergeben sich vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung.

Unter einem "Vorgelege" ist vorliegend jede Art von Fasermaterial, insbesondere Fasergelege, Fasergewebe oder Faserfilze zu verstehen. Die Fasern können beispielsweise als Kohlenstoff-Fasern, Glasfasern oder Aramidfasern ausgebildet sein. Vorzugsweise ist das Fasermaterial bereits mit einer Harzmatrix vorimprägniert. Genauso kann aber auch vorgesehen sein, dass das Fasermaterial erst nach dem Einpacken des Vorgeleges und nach dem Anlegen des wenigstens eines Stützelementes mit der Harzmatrix infiltriert wird, beispielsweise mittels eines Infusionsverfahrens, und danach zu dem Profil ausgehärtet wird. Die Harzmatrix ist vorzugsweise ein Epoxydharz.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das wenigstens eine Stützelement aus Aluminium oder Stahl, insbesondere aus einem Aluminiumblech oder Stahlblech, ausgebildet. Selbstverständlich sollen unter Aluminium auch sämtliche Aluminiumlegierungen subsumiert sein. Aluminium beziehungsweise Stahl ist vergleichsweise kostengünstig und lässt sich auch einfach mechanisch zu den Stützelementen mit die gewünschten Form umarbeiten, wodurch weitere Kosten eingespart werden können. Besonders Stützelemente aus Blech lassen sich einfach für die Herstellung gestrakter Profile biegen.

Gemäß einer weiter bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Vorgelege mit einem Steg ausgebildet und es werden zwei insbesondere als L-Profile ausgebildete Stützelemente zum Abstützen des Stegs zwischen sich an das eingepackte Vorgelege angelegt. Die Längsachse der L-

Profile erstreckt sich dabei im Wesentlichen parallel zur Längsachse des Vorgeleges. Der Steg des Vorgeleges ist vergleichsweise formlabil und es bedarf daher der Abstützung an gegenüberliegenden Seiten.

Unter der „Längsachse" eines Bauteils ist vorliegend die Achse zu verstehen, entlang welcher der Querschnitt des Bauteils nur unwesentlich variiert.

Gemäß einer weiter bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die zwei Stützelemente mittels eines Dachgummiprofils, zweier Dreiecksprofile und eines diese verbindenden Klebebands, einer Spannklammer und/oder eines weiteren Vakuumsacks relativ zueinander gehalten. Unter einem „Dachgummiprofil" ist vorliegend ein elastisches Profil mit einer Abstützflache und einer Ausnehmung in dieser, welche sich in Längsrichtung des Dachgummiprofils erstreckt, zu verstehen. Die Ausnehmung, insb. Nut, ist dabei zur elastischen Aufnahme des Stegs des Profils samt den diesen abstützenden Abschnitten der Stützelemente ausgebildet. Das Dachgummiprofil ist besonders für die Herstellung von T-Profilen geeignet. Eine lediglich relative Fixierung der Stützelemente zueinander vermeidet Spannungen, welche in Elementen mit einem hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten auftreten, wenn dies jeweils an zwei zueinander ortsfesten Punkten fixiert sind. überhaupt sind Dachgummiprofile, Dreiecksprofile mit Klebebändern, Spannklammern und Vakuumsäcke im Vergleich zu den derzeit verwendeten schweren Werkzeugen aus Nickel-36 Stahl sehr einfach zu handhaben.

Gemäß einer weiter bevorzugten Weiterbildung wird das eingepackte Vorgelege samt des wenigstens einen Stützelements in den weiteren Vakuumsack eingepackt, wobei das Vakuum, welches an den weiteren Vakuumsack angelegt wird, kleiner oder gleich dem an dem Vakuumsack anliegenden Vakuum eingestellt wird. Mit „Vakuum* ist vorliegend der Betrag der Differenz zwischen dem atmosphärischen Druck und dem anliegenden, absoluten Druck gemeint. Mit der vorstehenden Weiterbildung wird er-

reicht, dass der Vakuumsack fest an dem Vorgelege anliegt und sich nicht aufgrund des in ihm vorherrschenden Drucks in Richtung des zweiten Vakuumsack verformt, was die Materialeigenschaften des ausgehärteten Faserverbundwerkstoffs nachteilig beeinflussen würde.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren näher erläutert.

Von den Figuren zeigen:

Fig. 1 einen Verfahrenszustand eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,-

Fig. 2 einen Verfahrenszustand eines Verfahren gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 einen Verfahrenszustand eines Verfahrens gemäß einem noch weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 4 einen Verfahrenszustand eines Verfahrens gemäß einem noch weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.

Fig. 1 zeigt in einem Querschnitt eine Anordnung 1 zur Herstellung eines als T-Stringer ausgebildeten Profils.

Die Anordnung 1 weist eine Laminiervorrichtung 2 auf, auf welcher ein Vorgelege 3 mit einem T-förmigen Querschnitt, bestehend aus zwei Teilen 4, 5 mit jeweils einem L-förmigen Querschnitt und einem dazwischen angeordneten Blade 6.

Das Vorgelege 3 besteht gemäß dem vorliegenden Ausführungs- beispiel aus einem Kohlenstoff-Fasergelege, welches mit einer Epoxydharzmatrix vorimprägniert ist, d.h. das Epoxydharzmatrix ist im unausgehärteten Zustand. Das Vorgelege 3 erstreckt sich im Wesentlichen senkrecht zur Papierebene entlang der Längsachse 8. Das Vorgelege 3 kann auch gestrakt ausgebildet sein .

Das Vorgelege 3 ist in einen Vakuumsack 7 eingepackt, welcher mit Dichtmitteln 11, 12 gegenüber der Laminiervorrichtung 2 abgedichtet ist. An dem Innenraum 13 des Vakuumsacks 7 liegt ein Vakuum Pl , also ein Unterdruck gegenüber dem in der Atmosphäre 14 vorherrschenden Druck PO, an.

Ein Steg 15 des Vorgeleges 3 wird in der in Fig. 1 dargestellten Position mittels eines Gummidachprofil 16 und zwei Stützelementen 17, 18 gehalten.

Die Stützelemente 17, 18 sind jeweils aus einem Aluminiumblech mit einem L- förmigen Querschnitt ausgebildet. Die Stützelemente 17, 18 liegen gegen den Vakuumsack 7 in der Längsrichtung 8 gleitend verschiebbar an, wobei Abschnitte 22, 23 der Stützelemente 17 bzw. 18 den Stringersteg 15 abstützen und Abschnitte 24, 25 der Stützelemente 17 bzw. 18 auf den zwei Fußabschnitten 26 bzw. 27 des Vorgeleges 3 aufliegen.

Das Dachgummiprofil 16 weist eine sich in der Längsrichtung 8 erstreckende Ausnehmung 31 auf, in welcher der Steg 15 mit den Abschnitten 22, 23 zwischen Seitenflächen 32, 33 der Aus- nehmung 31 aufgenommen ist. An sich im Wesentlichen senkrecht zu den Seitenflächen 32, 33 der Ausnehmung 31 erstreckenden Auflageflächen 34, 35 liegt das Dachgummiprofil auf den Abschnitten 24 bzw. 25 der Stützelemente 17 bzw. 18 auf.

Das Dachgummiprofil 16 wird über den Steg 15 samt den Abschnitten 22, 23 der Stützelemente 17, 18 gestülpt, wobei das

Dachgummiprofil 16 elastisch aufgeweitet wird, und fixiert diese Stützelemente 17, 18 somit relativ zueinander, wodurch der Stringersteg 15 in seiner Form wie in Fig. 1 dargestellt gehalten wird. Die Seitenflächen 32, 33 erzeugen dabei einen geringfügigen elastischen Druck gegen die Abschnitte 22 bzw. 23 der Stützelemente 17 bzw. 18.

Anschließend wird die Anordnung 1 mit Wärme (und unter Umständen Druck) , vorzugsweise in einem Autoklaven, beaufschlagt. Dadurch härtet das Vorgelege 3 zu einem T~Stringer aus .

Die Anordnung 40 aus Fig. 2 unterscheidet sich von der aus Fig. 1 lediglich dadurch, dass das Dachgummiprofil 16 durch zwei Dreiecksprofile 41, 42 und ein diese verbindendes Klebeband 43 ersetzt ist. Die Dreiecksprofile 41, 42 sind vorzugsweise auch aus einem Gummimaterial ausgebildet und greifen in die Stützelemente 17, 18 zum Halten derselben in Position in Verbindung mit dem Klebeband 43 ein.

Bei der Anordnung 50 aus Fig. 3 ist anstelle des Dachgummiprofils 16 gemäß dem Ausführungsbeispiel aus Fig. 1 eine Spannklammer 51 vorgesehen, welche die Abschnitte 22, 23 der Stützelemente 17 bzw. 18 gegen den Steg 15 des Vorgeleges 3 mit einer geringen Kraft presst, wofür der Bügel 52 der Spannklammer 51 vorzugsweise aus einem federelastischen Material ausgebildet ist.

Bei der Anordnung 60 aus Fig. 4 ist anstelle des Dachgummi- profus 16 gemäß dem Ausführungsbeispiel aus Fig. 1 ein weiterer Vakuumsack 61 vorgesehen, welcher in seinem Innenraum 62 das Vorgelege 3 samt dem Vakuumsack 7 und den Stützelementen 17, 18 aufnimmt. An dem Innenraum 62 des weiteren Vakuum- sacks 61 liegt ein Vakuum P2 an. Das Anlegen des Vakuums Pl an dem Innenraum 13 des Vakuumsacks 7 und des Vakuum P2 an den Innenraum 62 des Vakuumsacks 61 kann beispielsweise mittels Schläuchen 63, 64 erfolgen, die jeweils mit einer nicht dargestellten Vakuumpumpe verbunden sind.

Für die Vakua Pl und P2 soll folgende Relation gelten:

Pl > P2

Beispielsweise Pl = 100 kPa und P2 = 25 kPa, wobei Pl und P2 relativ zu dem atmosphärischen Druck PO gemessen sind.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 presst bei anliegender Vakua Pl und P2 der Vakuumsack 61 die Stützelemente 17, 18 gegen den Steg 15 für eine Abstützung desselben.

Den Ausführungsbeispielen gemäß den Figuren 1 bis 4 ist gemeinsam, dass anstelle des vorimprägnierten Vorgeleges 3 auch jederzeit trockenes Fasermaterial verwendet werden kann, welches nach dem Anlegen der Stützelemente 17, 18 und vor dem Aufbringen von Wärme und/oder Druck auf die jeweiligen Anordnungen 1, 40, 50 beziehungsweise 60 mit einer Harzmatrix infiltriert wird.

Obwohl die Erfindung vorliegend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele beschrieben worden ist, ist sie auf diese nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.

Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zur Herstellung eines Profils aus Faserverbundwerkstoff, insbesondere im Luft- und Raumfahrtbereich, mit folgenden Schritten: Zunächst wird ein Vorgelege, insbesondere aus vorimprägniertem Fasermaterial, in einen Vakuumsack eingepackt. Anschließend werden Stützelemente an das eingepackte Vorgelege zum Abstützen desselben angelegt. Danach wird der Vakuumsack mit einem Vakuum beaufschlagt. Weiterhin anschließend wird das Vorgelege zu dem Profil unter Einwirkung von Wärme, insbesondere im Autoklaven, ausgehärtet. Vorteilhaft lassen sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Stützelemente aus einem günstigen Material, insbesondere Aluminium, anstelle von sehr teurem Nickel-36 Stahl ausbilden, da die Stützelemente mittels des

Vakuumsacks von dem Vorgelege in Längsrichtung mechanisch entkoppelt sind, so dass eine Bewegung der Stützelemente in der Längsrichtung relativ zu dem Vorgelege ermöglicht ist.

B e z u g s z e i c h e n l i s t e

Anordnung

Laminiervorrichtung

Vorgelege

Teil

Teil

Blades

Vakuumsack

Längsrichtung

Dichtmittel

Dichtmittel

Innenraum

Atmosphäre

Steg

Dachgummiprofil

Stützelement

Stützelement

Abschnitt

Abschnitt

Abschnitt

Abschnitt

Fußabschnitt

Fußabschnitt

Ausnehmung

Seitenfläche

Seitenfläche

Auflagefläche

Auflagefläche

Anordnung

Dreiecksprofil

Dreiecksprofil

Klebeband

Anordnung

Spannklammer

Bügel

Anordnung weiterer Vakuumsack

62 Innenraum

63 Schlauch

64 Schlauch

PO atmosphärischer Druck

Pl Druck in dem Vakuumsack 7

P2 Druck im weiteren Vakuumsack 61