Integrales Hohlbauteil aus Faserverbundwerkstoff

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstel- lung eines integralen, d.h. einteiligen Hohlbauteils aus Faserverbundkunststoff und ein damit hergestelltes Hohlbauteil.

Hohlbauteile, wie solche im Stand der Technik bekannt sind, weisen herstellungsbedingt Naht-, respektive Fügungsstellen auf, da sie beispielsweise aus zwei Halbschalen zusammengesetzt sind. Diese Naht- bzw. Fügungsstellen können als Sollbruchstellen verstanden werden oder bilden Angriffspunkte bei hoher mechanischer Belastung. Durch die Notwendigkeit des Ver- bindens der Teilelemente mit Verbindungselementen, wie Schrau- ben oder Nieten oder dergleichen, erhöht sich das Gewicht der zusammengesetzten Hohlbauteile.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, Sollbruchstellen bzw. Angriffspunkte bei hoher mechanischer Belastung zu ver- meiden, insbesondere ein Hohlbauteil zur Verfugung zu stellen, das über hohe Druckfestigkeit und Steifigkeit über seinen gesamten Aufbau, bei gleichzeitig verringertem Gewicht, verfugt. Hierzu sollte insbesondere ein kostengünstiges und einfaches Verfahren angegeben werden.

Gegenstand der Erfindung ist somit ein Verfahren zur Herstellung eines einteiligen Hohlbauteils aus Faserverbundwerkstoff, welches die folgenden Schritte umfasst

- Umkleiden eines den Abmessungen des herzustellenden Hohlbauteils im Wesentlichen entsprechendes, an seiner Um- fangsflache mit Perforationen versehenen Mantelrohrs mit einem luftdichten, dehnbaren Schlauch,

- Ausbilden wenigstens einer Faserlage umfänglich über dem Schlauch,

Einbringen dieser Anordnung in eine den Abmessungen des

herzustellenden Hohlbauteils entsprechende Form,

Tränken der wenigstens einen Faserlage (8) mit einem Harzsystem,

Einpressen der so gebildeten Faser/Harz-Schicht in die Form durch Aufblasen des luftdichten Schlauchs und dann Aushärten des Harzsystems, unter Ausbildung des einteilig geformten Hohlbauteils.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung bedeutet der Begriff Faserlage eine einzelne aus Fasern gebildete Schicht, wohingegen Fasergelege für die Summe der übereinander abgelegten Faserlagen verwendet wird.

Das Aufblasen des luftdichten, dehnbaren Schlauchs erfolgt ü- ber das perforierte Mantelrohr, indem Luft in das Innere des Mantelrohres gepresst wird. Dadurch wird sichergestellt, dass die Lagen aus Faserharzsystem fest gegen die Wand der Form ge- drückt werden, so dass zum Einen ein fester Verbund der ausgehärteten faserverstärkten Harzmatrix sichergestellt ist und zum Anderen insbesondere die Außenseite des erzeugten Hohlbauteils eine sehr glatte Oberfläche erhält, so dass eine Nachbearbeitung des Hohlbauteils meist unterbleiben kann.

Die Aushärtung kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, beispielsweise in einem Ofen, und insbesondere ohne Autoklav hergestellt werden. Diese Vereinfachung des üblichen Herstellungsverfahrens, wie es aus der Infusionstechnik bekannt ist, wird durch die Anordnung des luftdichten, dehnbaren Schlauchs ermöglicht. Durch Aufblasen des Schlauches wird das Faserharzsystem mit einem Druck von ca. 10 bar gegen die Innenwand der Form gepresst. Das Verfahren ist damit nicht nur einfacher sondern auch kostengünstiger.

Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Ablage der Faserlage (n) verfügt das erzeugte Hohlbauteil über eine vollständig in sich geschlossene Struktur, wodurch insbesondere Angriffs-

punkte bei hoher mechanischer Belastung vermieden werden können. Aufwändige Verbindungstechniken, wie Kleben, Verschrauben oder auch Vernieten von Teilhohlbauteilen lassen sich vermeiden, wodurch die Fertigungskosten gesenkt werden und Gewicht des Hohlbauteils eingespart wird.

In geeigneter Weise wird die wenigstens eine Faserlage an den Rändern überlappend (etwa 2,5 cm) auf dem luftdichten, dehnbaren Schlauch bzw. dem Mantelrohr abgelegt. Bei dieser Arbeits- weise ist es möglich auch Prepregs zu verwenden, womit dann gegebenenfalls ein weiterer Imprägnierungs- bzw. Infiltrationsschritt mit Harz entfallen kann.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird jedoch die wenigstens eine Faserlage nahtlos, insbesondere durch Flechten, Weben oder Stricken, über dem luftdichten, dehnbaren Schlauch trocken abgelegt. Damit erzielt man ein Hohlbauteil von gleichförmiger Dicke über die gesamte Hohlbauteilwand, da an keiner Stelle Faserlagen über- läppt werden müssen. Das bringt eine weitere Gewichtsersparnis mit sich.

Die Harzmatrix selbst wird je nach beabsichtigter Verwendung des Hohlbauteils oder des Herstellungsverfahrens aus einem heiß oder kalt härtenden Harzsystem aufgebaut.

Geeignete heiß aushärtende Harzsysteme sind Epoxid-Harze mit einer deutlich niedrigen Viskosität von 20 bis 50 mPas bei Infusionstemperatur. Beispielhaft können RTM6 (von Hexcel) und 977-20 (von CYTEC) erwähnt werden.

Unter kalt aushärtenden Harzsystemen versteht man solche, wel ^¬ che bei niederen Temperaturen, vorzugsweise im Bereich der Raumtemperatur aushärten. Solche Harzsysteme lassen sich ohne wesentliche Zufuhr von Wärme, beispielsweise photoinitiiert, aushärten.

Zum Tränken der Faserlage (n) bzw. Fasergelege mit einem flüs-

sigen Harzsystem wird ein übliches Harzinfusionsverfahren durchgeführt, wie später erläutert. Um eine gleichmäßige Verteilung des Harzsystems zu gewährleisten sollte über der Infiltrationsseite des Fasergeleges ein Verteilergewebe angeord- net werden.

Bei einer weiteren Verfahrensvariante werden die das Fasergelege bildenden Faserlagen jeweils einzeln mit einem Harzfilm belegt, bevor die Anordnung in die Form eingebracht wird. Die- ser Harzfilm wird dann durch Erwärmen geschmolzen und das flüssige Harz in die Faserlage eindringen gelassen. Bei dieser Vorgehensweise müssen keine zusätzlichen Maßnahmen zur gleichmäßigen Infiltration der Faserlagen mit dem Harz vorgesehen werden.

Die Form zur Herstellung des Hohlbauteiles weist bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wenigstens an einer Endseite Mittel zur integralen Anformung eines Flansches auf, welche dann ebenfalls mit dem Fasergelege aus wenigstens einer Faserlage ausgerüstet werden. Der Flansch wird dann in einem Zuge mit dem Hohlbauteil hergestellt. Gegebenenfalls ist auch ein Anstauchen des Hohlbauteiles zur Herstellung des Flansches denkbar. In jedem Falle wird mit dieser Maßnahme eine deutlich verbesserte Stabilität des Hohlbautei- les, insbesondere auch an dessen Verbindungsstelle zu anderen Bauelementen, erzielt. Der angeformte Flansch kann mit Bohrungen, beispielsweise zum Verschrauben mit anderen Bauelementen, versehen werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Hohlbauteils ist insbesondere auch zum Aufbau von sogenannten Sand ^¬ wich-Strukturen geeignet. Dabei wird über einem ersten Faser ^¬ gelege, aufgebaut aus wenigstens einer Faserlage, ein Kernma ^¬ terial voll umfänglich angeordnet. Darüber wird dann ein wei- teres Fasergelege aus wenigstens einer Faserlage abgelegt. Es folgen die Schritte des Einlegens in die Form, des Tränkens mit Harz und des Aushärtens unter Anwendung von Druck (durch den aufgeblasenen Schlauch) und gegebenenfalls Wärme oder an-

derer Mittel, welche die Aushärtung initiieren.

Das Kernmaterial sollte erfindungsgemäß aus Materialien mit hoher Steifigkeit und hoher Druckfestigkeit ausgewählt werden. Schaumstoffe, welche solche Eigenschaften aufweisen, sind beispielsweise ROHACELL® (Evonik Röhm GmbH) und CONTICELL (Continental AG) , welche als solche in der Luft- und Raumfahrt, aber auch im Schiff- und Schienenfahrzeugbau als Kernwerkstoff in hoch belastbaren Sandwich-Konstruktionen Verwendung finden.

Bei den für die abgelegten Faserlagen verwendeten Fasern handelt es sich vorzugsweise um Fasern, welche aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Kohlenstoff-, Aramid-, Aluminiumoxid-, Aluminiumnitrid-, Mullit-, Siliciumcarbid-, Silicium- nitrid-, Bornitrid- oder Graphitfasern besteht. Es können auch Gemische aus diesen Fasern verwendet werden oder die Faserlagen untereinander sind aus den unterschiedlichen Fasern aufgebaut .

Der luftdichte, dehnbare Schlauch ist per se in sich geschlossen und kann beispielsweise eine Art Blase sein und ist bevorzugt ein Schlauch aus Silikon oder einem anderen geeigneten Material.

Die Erfindung betrifft auch die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Hohlbauteile, die sich dadurch auszeichnen, dass sie eine vollständig in sich geschlossene Struktur aufweisen, somit einteilig sind. Dessen Querschnitt ist nicht besonders beschränkt. Er kann vieleckig, tropfenför- mig, oval oder rund sein. Auch ist es denkbar, dass sich der Querschnitt über die Längserstreckung des Bauteils ändert, also zum Beispiel von rund in quadratisch übergeht.

Die Faserlagen sind zur Optimierung der Festigkeit des Bau- teils bidirektional und in ±45°-Ausrichtung abgelegt.

Die Erfindung wird nun anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen:

Figur 1 ein erfindungsgemäßes Hohlbauteil in einer bevorzugten Verwendung als Heckausleger für einen Helikopter;

Figur 2 einen Längsschnitt, welcher den Aufbau zur Herstellung eines Hohlbauteiles in Sandwich-Struktur gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;

Figur 3A bis 3G das erfindungsgemäße Fertigungskonzept im De- tail.

In Figur 1 ist anhand eines Heckauslegers für einen Helikopter ein Verbundhohlbauteil 10 dargestellt. Dieses weist an einem Endabschnitt 12 einen integral angeformten Flansch 11 auf, welcher mit Durchbohrungen 14 zur Verbindung mit anderen Bauelementen ausgerüstet ist.

Die folgende Beschreibung ist auf die Herstellung einer Sandwich-Struktur gerichtet. Jedoch sollen weder das erfindungsge- mäße Verfahren noch die Hohlbauteile selbst auf eine Sandwich- Struktur beschränkt sein. Es wird ausdrücklich festgehalten, dass die Hohlbauteile nur aus Faserverbundkunststoff, also ohne Kern, aufgebaut werden/sein können.

In der Figur 2 ist damit im Längsschnitt ein Aufbau zur Herstellung des erfindungsgemäßen Hohlbauteiles in Sandwich- Struktur dargestellt.

Die Figur 2 zeigt insbesondere ein Mantelrohr 4, das über sei- ne Mantelfläche Perforationen 5 aufweist. Auf diesem Mantelrohr 4 ist ein luftdichter, dehnbarer Schlauch 7 derart angeordnet, dass er über das Mantelrohr 4 aufgeblasen werden kann. über dem luftdichten Schlauch 7, ist ein erstes Fasergelege 8.1 aus wenigstens einer Faserlage 8 (nicht detailliert) abge- legt. Dieses Fasergelege 8.1 kann in bevorzugter Weise nahtlos durch beispielsweise Flechten um das Mantelrohr 4 und den luftdichten, dehnbaren Schlauch herum ausgebildet sein oder auch nicht. Darüber ist das Kernmaterial 3 für die Sandwich-

struktur des Verbund-Hohlbauteils 10 angeordnet und darüber das zweite äußere Fasergelege 8.2 aus wenigstens einer Faserlage (nicht detailliert) , welche erfindungsgemäß obligatorisch überlappend trocken, in Form eines Prepregs oder in einer be- sonderen Ausführungsform bevorzugt nahtlos, beispielsweise durch Flechten, Weben oder Stricken, ausgebildet ist. Die Fasergelege 8.1 und 8.2 können aus den gleichen Fasern oder je nach Verwendung des herzustellenden Hohlbauteils aus unterschiedlichen Fasern aufgebaut sein. Dieser gesamte Aufbau ist, wie gezeigt, in eine die Geometrie des Hohlbauteils bestimmende Form 6 eingebracht.

Die Harzinfiltration kann beispielsweise über die Endseiten 9 und 13 der Fasergelege 8.1 und 8.2 an dafür vorzusehenden (nicht gezeigten) Ansatzpunkten oder hinsichtlich des Fasergeleges 8.2 über nicht dargestellte Längsnuten oder dergleichen Ausnehmungen in der Form 6 vorgenommen werden. In geeigneter Weise wird zur Harzinfiltration der Fasergelege 8.1 und 8.2 ein Verteilergewebe zwischen der Form 6 und dem Fasergelege 8.2, respektive dem luftdichten, dehnbaren Schlauch 7 und dem Fasergelege 8.1 angeordnet, um eine gleichmäßige Infiltration mit Harz über die Fasergelege 8.1 und 8.2 zu gewährleisten. Diese Maßnahme ist in Figur 2 zur Vereinfachung der Darstellung nicht gezeigt.

Nachdem die Fasergelege 8.1 und 8.2 mit Harz infiltriert sind, wird über das Mantelrohr 4 bzw. die darin vorgesehenen Perforationen 5 Luft in das System eingepresst, wodurch der luftdichte, dehnbare Schlauch 7 aufgeblasen wird und damit der Aufbau aus mit Harz infiltriertem Fasergelege 8.1 und 8.2 und Kernmaterial 3 gegen die Innenwand der Form 6 gepresst wird. In diesem Zustand wird die Aushärtung des Harzes durchgeführt. Das Aushärten kann durch im Stand der Technik gängige Maßnahmen, wie Erwärmen in einem Ofen, durch Photoinitiierung, mit Hilfe von Mikrowellen, durch Induktion oder Elektronenstrahl- induktion bewirkt werden. Durch das Anpressen des Aufbaus durch den Schlauch 7 bei einem Druck von etwa 10 bar an die Innenwand der Form 6 wird die Außenhaut des so erzeugten Hohl-

bauteiles 10 besonders glatt und muss nicht notwendigerweise nachbearbeitet werden.

In den Figuren 3A bis 3G ist, wieder für eine Sandwich- Struktur, das erfindungsgemäße Fertigungskonzept detailliert dargestellt, wobei zu unterstellen ist, dass die Lagen pro Schritt übereinander zu liegen kommen. Man verwendet demzufolge ein Mantelrohr 4, das über seine Oberfläche verteilt Perforationen 5 aufweist (Fig. 3A) . über dieses Mantelrohr 4 mit Perforationen 5 wird der luftdichte, dehnbare Schlauch 7 angeordnet (Fig. 3B) . über dem Schlauch 7 wird das erste Fasergelege 8.1 aus wenigstens einer Faserlage (nicht detailliert) aufgebaut, vorzugsweise nahtlos durch Umflechten, Umstricken oder Umweben (Fig. 3C) . Das Fasergelege 8.1 wird dann mit der Schicht Kernmaterial 3 umgeben (Fig. 3D) und darauf wird schließlich das Fasergelege 8.2 aus wenigstens einer Faserlage, wieder vorzugsweise nahtlos, beispielsweise durch Umflechten, Umweben oder Umstricken ausgebildet (Fig. 3E) . Die Fasergelege bilden gewissermaßen einen Strumpf um die jeweils dar- unter liegende Lage.

Diese Anordnung wird dann in eine Form 6 (Fig. 3F) eingebracht. Die Form 6 besteht vorzugsweise aus zwei Halbschalen, welche um den vorgenannten Aufbau gelegt und beispielsweise durch Verklammern oder Verschrauben miteinander verbunden werden. Dieser Aufbau, wie er in Fig 3G dargestellt ist, wird dann, nach dem die Fasergelege 8.1 und 8.2 in einer dem Fachmann bekannten Weise mit Harz getränkt worden sind und der Schlauch 7 zum Setzen, respektive Verdichten der Fasergelege 8.1 und 8.2 aufgeblasen worden ist, zum Aushärten des Harzes beispielsweise in einen Ofen gegeben, welcher je nach dem verwendeten Harzsystem, wie solche eingangs beschrieben worden sind, auf die Aushärtungstemperatur erwärmt und dann auf Raumtemperatur zurück geführt wird. Wie bereits vorher erwähnt wurde, kann je nach verwendetem Harzsystem das Aushärten gegebenenfalls auch bei Raumtemperatur erfolgen oder durch Einwirken von Mikrowellen, durch Induktion oder durch Elektronen- strahlinduktion durchgeführt werden.

Nach diesem Prozessschritt wird die Form 6, das Mantelrohr 4 und der luftdichte, dehnbare Schlauch 7 entfernt.

Das Hohlbauteil 10, hier mit Sandwich-Struktur, das auf diese Weise hergestellt ist, weist die eingangs erwähnten gewünschten Eigenschaften auf, wie Leichtigkeit, hohe Steifigkeit und Druckfestigkeit sowie Stabilität bei höchster mechanischer Belastung, und verfügt aufgrund der erfindungsgemäßen Herstel- lungstechnik über eine glatte äußere Oberfläche, welche nicht notwendigerweise nachbearbeitet werden muss.