DE102007027113B4

DE102007027113B4 - Verfahren zur Fertigung von Rumpfzellenabschnitten für Flugzeuge aus Faserverbundwerkstoffen sowie Vorrichtung

Info

Publication number: DE102007027113B4
Application number: DE102007027113A
Authority: DE
Inventors: Carsten van Vügt; Christoph Meyer; Georg Lonsdorfer; Thomas Meyn; Helmut Felderhoff
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2007-06-13
Filing date: 2007-06-13
Publication date: 2013-09-12
Anticipated expiration: 2027-06-14
Also published as: CN101932432A; CA2688247A1; WO2008152103A2; EP2155473A2; WO2008152103A4; US20120055617A1; WO2008152103A3; RU2466867C2; ATE523322T1; BRPI0813934A2; CN101932432B; US9079366B2; DE102007027113A1; RU2009145995A; EP2155473B1; JP2010529922A

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer einstückigen Rumpfsektion für ein Flugzeug aus einem Faserverbundwerkstoff, umfassend die folgenden Schritte:
a) Anlegen einer ersten Vakuumfolie (3) an einen stabilen Wickelkern (2) und Evakuieren eines ersten wickelkernseitigen Volumens unter der ersten Vakuumfolie (3),
b) schichtweises Ablegen der Rumpfsektion (5) auf dem Wickelkern (2) mittels Umwickeln desselben,
c) Belüften des wickelkernseitigen Volumens unter der ersten Vakuumfolie (3),
d) Anlegen einer im Vergleich zu dem stabilen Wickelkern instabilen Außenform (6) an die Rumpfsektion (5), wobei der Wickelkern (2) die Außenform (6) stabilisiert,
e) Anlegen einer zweiten Vakuumfolie (7) an die Außenform (6) und Evakuieren eines Volumens zwischen der ersten und der zweiten Vakuumfolie (3, 7), um die Rumpfsektion (5) an die Außenform (6) heranzuziehen und vom Wickelkern (2) zumindest bereichsweise abzulösen,
f) Aushärten der gesamten Anordnung in einem Autoklaven zur Herstellung der fertigen Rumpfsektion.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer nahtlosen Rumpfsektion für ein Flugzeug aus einem Faserverbundwerkstoff sowie eine Vorrichtung.
Bekannte Verfahren zur Herstellung von nahtlosen Rumpfsektionen aus einem Faserverbundmaterial gehen in vielen Fällen von einem drehbaren Wickelkern aus, auf dem die Rumpfsektion durch das Aufwickeln eines endlosen bandförmigen Prepreg-Materials (so genannter ”automated fibre placement”-Prozess (AFP-Prozess)) gebildet wird. Nach dem Abschluss des eigentlichen Wickelprozesses wird die Rumpfsektion in einen Vakuumsack eingebracht. Durch das Evakuieren des Vakuumsacks erfolgt eine Kompaktierung der schichtweise abgelegten Lagen infolge der Krafteinwirkung des Umgebungsluftdrucks. Gleichzeitig werden etwaig vorhandene Luftblasen, Lufteinschlüsse oder dergleichen aus dem Laminat herausgezogen. Abschließend wird der gesamte Aufbau in einen Autoklaven zur endgültigen Aushärtung und Fertigstellung der Rumpfsektion verbracht. Um die Entformung des fertigen Bauteils zu erleichtern, ist der Wickelkern mit mehreren Segmenten gebildet, die nach Innen verfahren werden können. Darüber hinaus kann der Wickelkern parallel zu seiner Längsachse eine Vielzahl von Vertiefungen aufweisen, in die Versteifungsprofile vor dem eigentlichen Wickelprozess eingelegt werden, um das Hautfeld der Rumpfsektion in einem Arbeitsgang mit innenseitig angeordneten Versteifungsprofilen, wie zum Beispiel Stringern oder dergleichen, auszustatten. Die Stringer können beispielsweise eine T-förmige oder eine trapezförmige (Ω-förmige) Querschnittsgeometrie aufweisen.
Die Hauptschwierigkeit bei dieser herkömmlichen Fertigungsweise liegt darin, dass die Oberflächengüte der Bauteile relativ gering ist und aufgrund von Schrumpfungsprozessen des Verbundmaterials kein exakt definierter Außendurchmesser des fertigen Bauteils erreichbar ist.
Zur Verbesserung der Oberflächengüte ist es weiterhin bekannt, schwimmend gelagerte Druckplatten von außen an das Bauteil anzudrücken. Hierbei ergibt sich allerdings zum einen die Schwierigkeit, dass bei etwaigen Geometrieabweichungen zwischen den Druckplatten und dem Bauteil (z. B. geringfügig voneinander abweichende Krümmungsradien) keine vollkommen gleichmäßige Druckverteilung erreicht wird und sich zum anderen im Bereich der Fugen zwischen den Druckplatten Unregelmäßigkeiten in der Oberfläche einstellen können.
Die Druckschrift DE 10 2005 020 274 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoff-Formteils. Bei diesem Verfahren wird ein dem Formverlauf des herzustellenden Formteils zumindest weitgehend angepasster Formteil-Kern mit dehnbaren Material zur Bildung einer zumindest weitgehenden gas- und/oder flüssigkeitsdichten Kernummantelung beschichtet.
Die Druckschrift WO 98/32589 A1 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundwerkstoffkörpers mit folgenden Schritten: Vorsehen eines Dornkörpers, welcher eine äußere Fläche aufweist, Positionieren einer Blase mit äußeren und inneren Flächen um den Dornkörper herum, wobei die Blase wenigstens einen Deckschichtabschnitt aufweist, welcher mit der äußeren Fläche der Blase gekoppelt ist, und Ablegen einer Vielzahl von Fasern um die Blase und die Deckschicht herum, um einen unausgehärteten Körper zu bilden.
Aufgabe der Erfindung ist es, die vorstehend beschriebenen Nachteile der bekannten Verfahren zur Herstellung von nahtlosen Rumpfsektionen aus Faserverbundwerkstoffen zu vermeiden.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 gelöst.
Zunächst wird eine erste Vakuumfolie auf den als ”Innenform” dienenden Wickelkern aufgebracht und evakuiert. Um eine optimale Anlage der ersten Vakuumfolie an dem Wickelkern und insbesondere im Bereich der Vertiefungen zur Aufnahme der Versteifungsprofile zu erreichen, kann es erforderlich sein die Vakuumfolie nach und/oder während des Evakuierens mittels eines Heißluftgebläses zu erhitzen, um die plastische Verformbarkeit zu erhöhen. Anschließend wird die Rumpfsektion zum Beispiel im so genannten AFP-Prozess (”Automated Fibre Placement”-Prozess), durch das Ablegen von (endlosem) bandförmigen Prepreg-Material auf dem rotierenden Wickelkern einstückig hergestellt. Alternativ ist es auch möglich, den Wickelkern fest stehen zu lassen und einen Prepreg-Ablagekopf um den Wickelkern herumzuführen. Bei dem Prepreg-Material handelt es sich um eine bandförmige Kohlefaserverstärkungsanordnung, die mit einem aushärtbaren Epoxydharz durchtränkt ist. Nach der Fertigstellung der Rumpfsektion wird eine im Vergleich mit dem Wickelkern instabile Außenform an das Bauteil herangeführt, die ihrerseits von einer zweiten Vakuumfolie umgeben wird. Durch das Belüften der ersten (inneren) Vakuumfolie wird das Bauteil zumindest bereichsweise von dem Wickelkern abgelöst bzw. abgehoben. Durch das Evakuieren der zweiten, die Außenform druckdicht umschließenden Vakuumfolie wird die noch ”nasse”, d. h. noch nicht ausgehärtete und formbare Rumpfsektion dann innenseitig an die bereits in Position gebrachte und in radialer Richtung geschlossene Außenform gepresst. Die Außenform besteht aus mehreren gekrümmten Druckplatten, deren Innenflächen die gewünschte Außenkontur der fertigen Rumpfsektion im zusammengefahrenen Zustand exakt abbilden. Die mindestens zwei Druckplatten werden entlang ihrer Längsflansche fest miteinander – zum Beispiel durch Schraubverbindungen – zusammengefügt und bilden eine in radialer Richtung in sich starr geschlossene Außenform. Abschließend erfolgt die Aushärtung der gesamten Anordnung in einem Autoklaven. Die gekrümmten Druckplatten sind aus Gewichtsgründen mit einem Faserverbundmaterial gebildet, das eine Materialstärke von bis zu 50 mm aufweist. Bevorzugt sind die Druckplatten mit einem kohlefaserverstärkten Epoxydharz hergestellt. Zur Abstützung der Außenform gegen unerwünschte Eigenverformungen ist der innere Wickelkern auch nach dem zumindest bereichsweisen Ablösen des gewickelten Bauteils noch erforderlich. Der Wickelkern ist bevorzugt mit einem metallischen Material mit einem möglichst kleinen Wärmeausdehnungskoeffizienten gebildet. Ein geeignetes Material zur Herstellung des (inneren) Wickelkerns ist beispielsweise eine Legierung ”Ni₃₆”. Der Wickelkern ist bevorzugt mit mindestens drei, nach innen verfahrbaren Segmenten gebildet, um die aufgewickelte bzw. abgelegte Rumpfsektion entformen zu können. Im auseinander gefahrenen Zustand bilden die Segmente des Wickelkerns möglichst exakt die gewünschte Innenkontur der zu entwickelnden Rumpfsektion ab. Die Abdichtung der ersten und der zweiten Vakuumfolie zueinander sowie in Relation zum Wickelkern erfolgt zum Beispiel mit einem doppelseitigen Klebeband, das umfangsseitig im Bereich der Enden des Wickelkerns angeordnet wird. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird eine hohe Oberflächengüte der fertigen Rumpfsektion bei einer gleichzeitig guten Maßhaltigkeit insbesondere im Hinblick auf einen vorgegebenen Solldurchmesser bzw. eine geforderte Soll-Querschnittsgeometrie der Rumpfsektion erreicht. Infolge der prinzipbedingten hohen Oberflächengüte einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Rumpfsektion können aufwändige Nachbearbeitungsschritte, wie zum Beispiel Schleifen, Spachteln oder Polieren, entfallen.
Nach einer Fortbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass vor dem Ablegen der Rumpfsektion Versteifungsprofile, insbesondere Stringer oder dergleichen, in Vertiefungen im Wickelkern eingelegt werden, wobei die Vertiefungen im Wesentlichen in Längsrichtung des Wickelkerns verlaufen. Hierdurch ist es möglich, die Rumpfsektion in einem Herstellungsschritt gleichzeitig mit der Herstellung der Rumpfzellenhaut mit innenseitig angeordneten Versteifungsprofilen, insbesondere Stringern, auszustatten. Die Versteifungsprofile können zum Beispiel eine T-förmige oder einer Ω-förmige Querschnittsgeometrie aufweisen. Um eine ausreichende Abstützung der in die Vertiefungen eingelegten Versteifungsprofile und/oder Hinterschneidungen beim Entformen des Bauteils vom Wickelkern zu erreichen, sind Füllkörper im Bereich der Versteifungsprofile angeordnet. Die Füllkörper sind zum Beispiel mit einem Hartschaummaterial gebildet.
Durch das Vorhandensein der ersten Vakuumfolie wird die Rumpfsektion nach der Beendigung des Wickelprozesses durch das Belüften dieser inneren Vakuumfolie vom Wickelkern abgelöst bzw. abgehoben werden. Die zweite Vakuumfolie dient dann in Verbindung mit der Außenform dazu, das Bauteil fest an die Innenseite der Außenform anzupressen. Durch das Vorhandensein von zwei Vakuumfolien, den Wickelkern sowie der das Bauteil relativ eng umschließenden und in radialer Richtung geschlossenen Außenform ist es erstmals möglich, gewickelte Rumpfsektionen mit einem Faserverbundmaterial mit einer außerordentlich hohen Oberflächenqualität bei einer zugleich hervorragenden Maßhaltigkeit in einem Verfahrensgang herzustellen. Die Abdichtung der Vakuumfolien zueinander und gegenüber dem Wickelkern erfolgt mit einem Doppelklebeband. Alternativ sind auch mehrfach wieder lösbare Dichtungen, wie zum Beispiel ”Folienreißverschlüsse” etc. als Dichtmittel denkbar. Die Vakuumfolien weisen eine hohe Temperaturbeständigkeit auf, um der Aushärtung im Autoklaven widerstehen zu können. Darüber hinaus müssen die Vakuumfolien über eine hohe Reißfestigkeit, Elastizität bzw. Dehnbarkeit und Verformbarkeit verfügen, damit sich die Vakuumfolien insbesondere an den inneren Wickelkern mit seinen Vertiefungen möglichst falten- und hohlraumfrei anschmiegen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens und der Vorrichtung sind in weiteren Patentansprüchen dargelegt.
In der Zeichnung zeigt:
1 Eine Prinzipdarstellung der Vorrichtung,
2–5 eine schematische Querschnittsdarstellung durch die Vorrichtung mit der Außenform, dem Wickelkern sowie dem Bauteil in verschiedenen Verfahrensstadien,
6 eine Detailansicht im Bereich von Längsflanschen von zwei die Außenform bildenden Druckplatten mit einem trapezförmigen (Ω-förmigen) Versteifungsprofil, und
7 eine Querschnittsdarstellung durch ein Versteifungsprofil mit einer T-förmigen Querschnittsgeometrie zur innenseitigen Aussteifung des Bauteils mit anliegenden Stützkörpern.
In der Zeichnung weisen dieselben konstruktiven Elemente jeweils die gleiche Bezugsziffer auf.
Die 1 zeigt eine Prinzipdarstellung eines Endbereichs der Vorrichtung, die einen im Wesentlichen hohlzylindrischen Gesamtaufbau aufweist.
Die Vorrichtung 1 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst unter anderem einen im Wesentlichen hohlzylindrisch ausgebildeten metallischen Wickelkern 2, der vollständig von einer druckdichten ersten Vakuumfolie 3 umgeben ist. Die Vorrichtung 1 ist an ihrem anderen, nicht gezeigten Endbereich spiegelsymmetrisch zu dem in der 1 dargestellten Endbereich aufgebaut. Die Abdichtung der ersten Vakuumfolie 3 gegenüber dem Wickelkern 2 erfolgt durch ein Dichtmittel 4, das im gezeigten Ausführungsbeispiel der 1 als ein Doppelklebeband, das heißt als ein zweiseitig adhäsiv beschichtetes Klebeband ausgebildet ist. Auf dem während des Fertigungsprozesses rotierenden Wickelkern 2 wird das Bauteil 5 durch schichtweises automatisiertes Ablegen eines endlosen, bandförmigen Prepreg-Materials hergestellt. Als Prepreg-Material wird bevorzugt mindestens eine mit einem aushärtbaren Epoxydharz vorimprägnierte, streifenförmige bzw. bandförmige Kohlefaserverstärkungsanordnung eingesetzt, die von Vorratsspulen (Bobinen) abgezogen wird. Bei dem abgelegten Bauteil 5 handelt es sich um eine im Wesentlichen hohlzylindrische, einstückige Rumpfsektion eines Flugzeugs mit einer im Wesentlichen rotationssymmetrischen Querschnittsgeometrie. Das einstückig auf dem Wickelkern 2 abgelegte Bauteil 5 kann einen Durchmesser von bis zu 8 m, eine Länge von bis zu 25 m und eine Wanddicke von bis zu 10 mm erreichen. Die Rumpfsektion kann auch eine ovale oder elliptische Querschnittsgeometrie aufweisen.
Eine Außenform 6 wird erst nach dem Abschluss des Wickelprozesses an das in diesem Verfahrensstadium noch weiche, das heißt nicht ausgehärtete und daher in Grenzen noch plastisch formbare Bauteil 5 angelegt. Durch das Anpressen des Bauteils 5 an die Innenseite der Außenform 6 wird eine hohe Oberflächengüte des Bauteils 5 erreicht, da die Außenform für eine Glättung der Außenkontur sorgt. Zudem lässt sich hierdurch der Durchmesser des Bauteils 5 innerhalb enger, vorgegebener Toleranzen halten. Die Außenform 6 ist von einer zweiten Vakuumfolie 7 vollständig und druckdicht umschlossen. Sowohl die erste Vakuumfolie 3 als auch die zweite Vakuumfolie 7 stellen hinsichtlich ihrer Funktion Vakuumsäcke dar, die über eine Vielzahl nicht dargestellter Anschlüsse mittels nicht dargestellter Vakuumpumpen evakuierbar sind. Während des Wickelprozesses rotiert der Wickelkern 2 um eine Wickelkernlängsachse 8. Die nicht mit einer Bezugsziffer versehenen, in radialer Richtung auf die Wickelkernlängsachse weisenden speichenartigen Streben symbolisieren die Verfahr- und Positioniermechanik des Wickelkerns 2 für die Positionierung der gleichfalls in den 2 bis 4 nicht dargestellten Wickelkernsegmente, um das Entformen des Bauteils 5 durch das Zusammenfahren des Wickelkerns 2 (”kollabierender Wickelkern”) in radialer Richtung der Achse 8 zu ermöglichen (vgl. insb. 5, 6).
Zur näheren Erläuterung des Verfahrensablaufs wird im Weiteren auf die 2 bis 5 in Gesamtheit Bezug genommen, die den Zustand der Vorrichtung bei der Durchführung des Verfahrens in chronologischer Folge wieder geben.
In einem ersten Verfahrensschritt wird die erste Vakuumfolie 3 auf den Wickelkern 2 aufgezogen und gegen diesen abgedichtet. Beim Evakuieren der ersten Vakuumfolie 3 muss gewährleistet sein, dass sich diese eng und faltenfrei an den Wickelkern 2 anschmiegt und insbesondere hohlraumfrei an etwaigen Vertiefungen anliegt. Nach dem Aufrüsten der ersten Vakuumfolie 3 wird das Bauteil 5 schichtweise, insbesondere mittels eines AFP-Prozesses, auf dem Wickelkern 2 abgelegt. Nach dem Abschluss des Legeprozesses wird in einem weiteren Verfahrensschritt eine Außenform 6 an das auf dem Wickelkern 2 abgelegte Bauteil 5 angelegt. Die Außenform 6 ist in dem in den 2 bis 5 illustrierten Ausführungsbeispiel mit zwei positionierbaren, gekrümmten Druckplatten 9, 10 gebildet. Eine Innenfläche 12 der untereinander verbundenen gekrümmten Druckplatten 9, 10 bildet die gewünschte Außenkontur des Bauteils 5 exakt ab. Bevorzugt wird die Außenform 6 mit mindestens vier Druckplatten gebildet, die in Leichtbauweise mit einem faserverstärkten Kunststoffmaterial, insbesondere mit gekrümmten Platten aus einem kohlefaserverstärkten Epoxydharz, mit einer Materialstärke von bis zu 50 mm hergestellt sind. Auf Grund des eingesetzten Faserverbundwerkstoffes ergibt sich auch bei großen Abmessungen eine hohe Formstabilität der Druckplatten 9, 10, jedoch führt die relativ geringe Wärmeleitfähigkeit der Druckplatten 9, 10 zu längeren Verweildauern im Autoklaven beim Aushärtungsprozess. Die Druckplatten 9, 10 können in Sandwichbauweise ausgeführt sein, um eine höhere Formstabilität bei verringertem Einsatzgewicht zu erzielen. In der Darstellung der 3 haben die Druckplatten 9, 10 ausgehend von der Stellung in der 2 durch eine Bewegung in Richtung der weißen Pfeile ihre Endposition erreicht, in der sie in radialer Richtung fest untereinander verbunden sind und eine in sich geschlossene Außenform 6 bilden. Durch die Außenform 6 wird die Querschnittsgeometrie des Bauteils 5 vorgegeben. Die Verbindung der Druckplatten 9, 10 untereinander kann beispielsweise durch Schraub- oder Klemmverbindungen erfolgen. Ein Innendurchmesser der Außenform 6 ist etwas größer als ein Außendurchmesser des auf dem Wickelkern 2 abgelegten Bauteils 5, so dass ein unterer Zwischenraum 11 entsteht, im Anschluss daran wird die zweite Vakuumfolie 7 um die Außenform 6 druckdicht herumgelegt. Die Abdichtung der Vakuumfolien 3, 7 gegeneinander sowie gegenüber dem Wickelkern 2 erfolgt durch das bandförmige Dichtmittel 4, insbesondere in der Form eines doppelseitigen Klebebandes, das in den Endbereichen der Anordnung umfangsseitig verläuft.
In einem weiteren Verfahrensschritt wird die erste Vakuumfolie 3 belüftet und die zweite Vakuumfolie 7 evakuiert, wodurch das Bauteil 5 zumindest bereichsweise vom Wickelkern 2 abgelöst und fest an eine Innenfläche 12 der Außenform 6 angepresst wird und der Zwischenraum 11 verschwindet (vgl. 3, 4). Hierdurch wird zum einen sichergestellt, dass die Außenfläche des Bauteils 5 durch die Glättungswirkung der Druckplatten 9, 10 eine hohe Oberflächengüte erreicht. Zum anderen verleiht die Außenform 6 dem Bauteil 5 eine exakt definierte Querschnittsgeometrie. Aufgrund der begrenzten Eigenstabilität der Außenform 6 ist jedoch deren Stabilisierung durch den Wickelkern 2 mit dem aufliegenden Bauteil 5 noch notwendig. Wie aus der Darstellung der 3 ersichtlich, liegt die Außenform 6 daher in einem oberen Bereich 13 noch am Bauteil 5 an. In einem anschließenden Verfahrensschritt wird der gesamte Aufbau in einen Autoklaven zur Aushärtung bei einem Druck von bis zu 10 bar und einer Temperatur von bis zu 200°C verbracht.
In einem nachfolgenden Verfahrensschritt werden die Druckplatten 9, 10, wie aus der Darstellung der 4 ersichtlich, in der Richtung der beiden weißen Pfeile wieder auseinander gefahren, um das Bauteil 5 entformen zu können. Zur endgültigen Entformung des Bauteils 5 wird der Wickelkern 2 in Richtung der schwarzen Pfeile, von denen ein Pfeil 14 repräsentativ für die Übrigen mit einer Bezugsziffer versehen ist, nach Innen, in Richtung der Wickelkernlängsachse 8 zusammen gefahren, um das Bauteil 5 vom Wickelkern 2 hinterschneidungsfrei abheben zu können. Zu diesem Zweck ist der Wickelkern 2 im gezeigten Ausführungsbeispiel mit sechs im Wesentlichen kreisringförmigen Wickelkernsegmenten 15 bis 20 gebildet, die mittels geeigneter Verstellorgane in Richtung der Wickelkernlängsachse 8 verfahrbar ausgebildet sind. Die Winkelteilung von 60° für die Aufteilung des Wickelkerns 2, die zu einer Aufteilung des Wickelkerns 2 in sechs 60°-Wickelkernsegmente 15 bis 20 führt, hat insbesondere den Vorteil, dass die Verfahrwege zum Entformen des Bauteils 5 der Wickelkernsegmente 15 bis 20 auf maximal 100 mm beschränkt werden können. Da die Wickelkernsegmente 15 bis 20 im auseinander gefahrenen Zustand (vgl. 2 bis 4) lediglich die Innenseite des Bauteils 5 abbilden müssen, sind an die Qualität des Formschlusses zwischen den kreisringförmigen Wickelkernsegmenten 15 bis 20 im Bereich der Längsnähte und an deren Oberflächengüte geringere Anforderungen zu stellen. Der Wickelkern 2 bzw. die zu dessen Bildung dienenden kreisringförmigen Wickelkernsegmente 15 bis 20 sind im Gegensatz zu den Druckplatten 9, 10 mit einem metallischen Material gebildet. Aufgrund der Tatsache, dass der gesamte vorstehend beschriebene Aufbau zusammen mit dem Bauteil 5 zur endgültigen Aushärtung in einen Autoklaven verbracht wird, ist der Wickelkern 2 bevorzugt mit einer Metalllegierung mit einem kleinen Wärmeausdehnungskoeffizienten gebildet. Als ein geeignetes Material für die Herstellung des Wickelkerns 2 hat sich insbesondere eine Nickel³⁶-Legierung erwiesen. Andere Legierungen, die über niedrige Wärmeausdehnungskoeffizienten verfügen, sind gleichfalls geeignet.
Die 6 und 7 veranschaulichen konstruktive Details bezüglich der Verbindung beider Druckplatten 9, 10 sowie der Gestaltung des Wickelkerns 2.
Die Druckplatten 9, 10 sind entlang von zwei Längsflanschen 21, 22, die sich im Wesentlichen senkrecht zur Zeichenebene entlang der Längskanten der Druckplatten 9, 10 über die gesamte Länge der Vorrichtung 1 erstrecken, durch ein Verbindungsmittel 23, insbesondere in der Gestalt einer Schraub- oder Klemmverbindung, fest miteinander verbunden. Beide Druckplatten 9, 10 sind von der zweiten Vakuumfolie 7 zur Bildung des Vakuumsacks umgeben. Wie aus der Darstellung der 6 ersichtlich, liegt das Bauteil 5 fest an der Innenfläche 12 an.
Der Wickelkern 2 weist eine Vielzahl von Vertiefungen auf, von denen eine Vertiefung 24 mit einer Bezugsziffer versehen ist. Die Vertiefung 24 weist in der Darstellung der 6 eine im Wesentlichen trapezförmige Querschnittsgeometrie auf und erstreckt sich parallel zur Wickelkernlängsachse 8 bis in beide Endbereiche der Vorrichtung 1. Der Wickelkern 2 ist zur Erzielung eines druckdichten Abschlusses vollständig von der ersten (inneren) Vakuumfolie 3 umgeben. Für die Produktion von maßhaltigen Bauteilen 5 ist es von entscheidender Bedeutung, dass sich die erste Vakuumfolie 3 möglichst glatt an den Wickelkern 2 anschmiegt und insbesondere auch in der Vertiefung 24 bzw. den weiteren nicht dargestellten Vertiefungen eng anliegt, so dass keine Falten oder Hohlräume entstehen. In der Vertiefung 24 ist ein Versteifungsprofil 25, insbesondere ein Stringer oder dergleichen, angeordnet. Das Versteifungsprofil 25 weist exakt die Querschnittsgeometrie der Vertiefung 24 unter Berücksichtigung der Materialstärke der ersten Vakuumfolie 3 auf. Das Versteifungsprofil 25 wird unmittelbar nach dem Anlegen der ersten Vakuumfolie 3 in die Vertiefung 24 des Wickelkerns 2 eingelegt und anschließend mit dem bandförmigen Prepreg-Material zur Bildung des Bauteils 5 sukzessive belegt, das heißt mit ”eingewickelt”. Diese Vorgehensweise gestattet die unmittelbare, einstückige Integration von Versteifungsprofilen in die Rumpfsektion während des Legeprozesses. Um eine ausreichende Abstützung des aufgewickelten Bauteils 5 zu erreichen sowie die Entstehung von Hohlräumen zu vermeiden, ist in das Versteifungsprofil 25 ein Stützkörper 26 eingelegt. Das Segment 15 des Wickelkerns 2 wird zum Entformen des Bauteils 5 in Richtung des weißen Pfeils in Richtung der Wickelkernlängsachse 8 zurückgefahren. Entsprechend wird mit den weiteren, nicht dargestellten Wickelkernsegmenten 16 bis 20 verfahren.
Die 7 illustriert ein Versteifungsprofil 27 mit einer T-förmigen Querschnittsgeometrie. An beiden Seiten des Versteifungsprofils 27 liegen Stützkörper 28, 29 an, die zum einen das beim Wickelprozess noch weiche Versteifungsprofil 27 in Form und in Position halten und zum anderen zum Entformen benötigt werden, um Hinterschneidungen des Versteifungsprofils 27 beim Zurückfahren der Wickelkernsegmente zu beseitigen. Zum Entformen werden die Stützkörper 28, 29 bevorzugt händisch vom Versteifungsprofil 27 in Richtung der weißen Pfeile entfernt bzw. abgezogen.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Wickelkern
3: erste (innere) Vakuumfolie
4: Dichtmittel
5: Bauteil (Rumpfsektion)
6: Außenform
7: zweite (äußere) Vakuumfolie
8: Wickelkernlängsachse
9: Druckplatte (gekrümmt)
10: Druckplatte (gekrümmt)
11: Zwischenraum (unterer)
12: Innenfläche (Außenform)
13: (oberer) Bereich
14: Pfeil
15: Wickelkernsegment
16: Wickelkernsegment
17: Wickelkernsegment
18: Wickelkernsegment
19: Wickelkernsegment
20: Wickelkernsegment
21: Längsflansch
22: Längsflansch
23: Schraubverbindung
24: Vertiefung
25: Versteifungsprofil
26: Stützkörper
27: Versteifungsprofil
28: Stützkörper
29: Stützkörper

Claims

Verfahren zur Herstellung einer einstückigen Rumpfsektion für ein Flugzeug aus einem Faserverbundwerkstoff, umfassend die folgenden Schritte: a) Anlegen einer ersten Vakuumfolie (3) an einen stabilen Wickelkern (2) und Evakuieren eines ersten wickelkernseitigen Volumens unter der ersten Vakuumfolie (3), b) schichtweises Ablegen der Rumpfsektion (5) auf dem Wickelkern (2) mittels Umwickeln desselben, c) Belüften des wickelkernseitigen Volumens unter der ersten Vakuumfolie (3), d) Anlegen einer im Vergleich zu dem stabilen Wickelkern instabilen Außenform (6) an die Rumpfsektion (5), wobei der Wickelkern (2) die Außenform (6) stabilisiert, e) Anlegen einer zweiten Vakuumfolie (7) an die Außenform (6) und Evakuieren eines Volumens zwischen der ersten und der zweiten Vakuumfolie (3, 7), um die Rumpfsektion (5) an die Außenform (6) heranzuziehen und vom Wickelkern (2) zumindest bereichsweise abzulösen, f) Aushärten der gesamten Anordnung in einem Autoklaven zur Herstellung der fertigen Rumpfsektion.
Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Ablegen der Rumpfsektion (5) eine Vielzahl von Versteifungselementen (25, 27), insbesondere Stringer, in Vertiefungen (24) im Wickelkern (2) eingelegt werden, wobei die Vertiefungen (24) im Wesentlichen parallel zu einer Wickelkernlängsachse (8) verlaufen.
Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Versteifungselemente (25, 27) Stützkörper (26, 28, 29) angeordnet werden.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Aushärtung der Rumpfsektion (5) im Autoklaven der Wickelkern (2) zum Entformen der Rumpfsektion (5) nach Innen zusammen gefahren wird.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenform (6) durch das Zusammenfügen von mindestens zwei gekrümmten Druckplatten (9, 10) entlang von Längsflanschen (21, 22) gebildet wird.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Vakuumfolie (3) beim Anlegen an den Wickelkern (2) mittels eines Dichtmittels (4), insbesondere mittels eines Doppelklebebandes, abgedichtet wird.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Vakuumfolie (7) mittels des Dichtmittels (4) gegen die erste Vakuumfolie (3) und den Wickelkern (2) abgedichtet wird.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das schichtweise Ablegen der Rumpfsektion (5) mit mindestens einem, auf den Wickelkern (2) abgelegten bandförmigen Prepreg-Material erfolgt, das mit Kohlefasern gebildet ist, die mit einem aushärtbaren Epoxydharz imprägniert sind.
Vorrichtung (1), insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach Maßgabe der Patentansprüche 1 bis 8, umfassend: a) einen von einer ersten Vakuumfolie (3) druckdicht umgebenen stabilen Wickelkern (2) zum Ablegen einer Rumpfsektion (5), b) eine die auf dem Wickelkern (2) abgelegte Rumpfsektion (5) umschließende im Vergleich zu dem stabilen Wickelkern (2) instabile Außenform (6), wobei der Wickelkern (2) die Außenform (6) stabilisiert, c) eine zweite Vakuumfolie (7), die die Außenform (6) druckdicht umschließt, und d) mindestens ein Dichtmittel (4) zur Abdichtung der ersten und der zweiten Vakuumfolie (3, 7) gegenüber dem Wickelkern (2).
Vorrichtung (1) nach Patentanspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Dichtmittel (4) mindestens ein Doppelklebeband ist.
Vorrichtung (1) nach Patentanspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Wickelkern (2) eine Vielzahl von parallel zu einer Wickelkernlängsachse (8) verlaufende Vertiefungen (24) zur Aufnahme von Versteifungsprofilen (25, 27) aufweist.
Vorrichtung (1) nach einem der Patentansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Wickelkern (2) mit mindestens drei, nach Innen verfahrbaren Wickelkernsegmenten (15–20) gebildet ist, um die Rumpfsektion (5) entformen zu können.
Vorrichtung (1) nach einem der Patentansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenform (6) aus mindestens zwei gekrümmten Druckplatten (9, 10) gebildet ist, die entlang von Längsflanschen (21, 22) verbindbar sind.
Vorrichtung (1) nach einem der Patenansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die gekrümmten Druckplatten (9, 10) aus einem Faserverbundmaterial gebildet sind und der Wickelkern (2) aus einer eine geringe Wärmedehnung aufweisenden Metalllegierung, insbesondere aus einer Nickel₃₆-Legierung, gebildet ist.