Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines faserverstärkten thermoplastischen Verbundbauteils

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten thermoplastischen Verbundbauteils nach dem

Oberbegriff des Patentanspruchs 1, beispielsweise ein

Schalenelement eines Flugzeugrumpfes, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach dem Oberbegriff des

Patentanspruchs 9.

Faserverstärkte Verbundbauteile wie Schalenelemente eines Flugzeugrumpfes, weisen bekanntermaßen eine Hinterbaustruktur bestehend aus einer Vielzahl von Längsversteifungen, die

unmittelbar an einem Hautfeld angebunden sind, und einer Vielzahl von Umfangsversteifungen auf, die über Beschläge bzw. Clips an dem Hautfeld angebunden und zusätzlich über Abstützelemente bzw.

Cleats an den Längsversteifungen abgestützt sind.

Die Herstellung derartiger Rumpfsegmente erfolgt entweder in Differenzialbauweise oder in Integralbauweise. Bei der

Differenzialbauweise werden die einzelnen Komponenten separat voneinander gefertigt und anschließend zum Gesamtbauteil montiert. Nachteilig an dieser Bauweise sind insbesondere die zeit- und kostenintensive Montage des Gesamtbauteils. Des Weiteren erfordert die Differenzialbauweise eine Vielzahl von Verbindungselementen zur Verbindung der Bauteilkomponenten untereinander. Die

Integralbauweise, bei der die Einzelkomponenten integral als ein Gesamtbauteil gefertigt werden, zeichnet sich durch einen

reduzierten Montageaufwand und aufgrund der Steigerung des

Integrationsgrades durch einen erhöhten Fertigungsaufwand auf. Zur Reduzierung des Fertigungsaufwandes schlägt beispielsweise das Patent US 6,613,258 Bl vor, eine Rumpftonne aus faserverstärkten thermoplastischen Verbundmaterialien herzustellen. Dabei werden ausgehärtete Längsversteifungen in Vertiefungen eines

zylindrischen Kerns gelegt. Anschließend wird der Kern um seine Längsachse in Rotation versetzt und ein bahnartiges Laminat auf dem Kern abgewickelt. Das Ablegen des Laminates erfolgt über einen Ablegekopf mittels Temperatur- und Druckbeaufschlagung, wodurch die Thermoplastmatrix aufgeschmolzen und das Laminat fest mit den Längsversteifungen verschweißt wird. Nachteilig an dieser Lösung sind jedoch die sehr engen Fertigungstoleranzen der Rumpftonnen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten thermoplastischen

Verbundbauteils, das die vorgenannten Nachteile beseitigt und einen optimalen Kompromiss zwischen dem Fertigungsaufwand, dem Montageaufwand und der Fertigungstoleranz bildet, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens zu schaffen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den

Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9.

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten thermoplastischen Verbundbauteils, das aus einer Vielzahl von Bauteilkomponenten besteht und beispielsweise ein mit Versteifungselementen verstärktes Schalenelement eines Flugzeuges ist, werden die Bauteilkomponenten mittels einer die Geometrie des Verbundbauteils abbildenden Werkzeugform zueinander positioniert. Erfindungsgemäß werden die Bauteilkomponenten kontinuierlich in Vorschubrichtung bewegt und abschnittsweise über einen in

Vorschubrichtung und in Gegenrichtung verfahrbaren Pressstempel miteinander verbunden. Das erfindungsgemäße Verfahren schafft einen optimalen Kompromiss zwischen dem Montageaufwand, dem

Fertigungsaufwand und den Fertigungstoleranzen. Zwar wird durch die Schalenbauweise der Fertigungsaufwand gegenüber der

gewickelten Tonnenbauweise gesteigert, jedoch erlaubt die

Schalenbauweise einen verbesserten Toleranzausgleich. Die

erfindungsgemäße Lösung vereinigt verschiedene Technologien wie das Pressen und Schweißen von thermoplastischen Bauteilen in einem kontinuierlichen Produktionsprozess zur Herstellung von

Großbauteilen. Durch die kontinuierliche Bewegung der Bauteilkomponenten in Vorschubrichtung und durch die

Verfahrbarkeit des Pressstempels in Vorschub- und in Gegenrichtung kann der Pressstempel entsprechend kompakt ausgeführt sein. Die Bauteilgröße ist quasi losgelöst von der Größe des Pressstempels, so dass beliebig bzw. nahezu beliebig große thermoplastische Verbundbauteile mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden können.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird der

Pressstempel zum Verbinden der Bauteilkomponenten aus einer

Startposition in Vorschubrichtung der Bauteilkomponenten verfahren und anschließend nach dem Verbinden der Bauteilkomponenten in Gegenrichtung bewegt. Hierdurch wird der Pressstempel quasi im Kreis geführt, was eine verhältnismäßig einfache Steuerung ermöglicht. Die Bewegung des Pressstempels in Vorschub- und in Gegenrichtung ist besonders einfach ausführbar, wenn der

Pressstempel nach dem Anheben zurück zur Startposition bewegt wird.

Die Bewegung des Pressstempels in Vorschubrichtung richtet sich insbesondere nach seiner Erstreckung in Vorschubrichtung. Vorzugsweise hat der Pressstempel in Vorschubrichtung eine

Erstreckung, die größer ist als ein Vorschubweg. Hierdurch wird gewährleistet, dass sich beim Pressen überlappende Pressbereiche ergeben, so dass sichergestellt ist, dass die Bauteilkomponenten über das gesamte Verbundbauteil miteinander verschweißt bzw.

verklebt werden.

Bei einem Ausführungsbeispiel wird zumindest eine der

Bauteilkomponenten, beispielsweise ein Laminat zur Herstellung des Hautfeldes, kontinuierlich vor dem Pressvorgang abgelegt.

Hierdurch entfällt die Lagerung der jeweiligen Bauteilkomponenten, so dass lange Durchlaufzeiten durch Transfer zwischen

unterschiedlichen Fertigungsmitteln nicht notwendig sind. Dabei ist es vorteilhaft, wenn zumindest eine Bauteilkomponente vor dem Ablegen derart erwärmt wird, dass ihre Thermoplastmatrix

aufgeschmolzen ist. Vorzugsweise werden zumindest einige der Bauteilkomponenten im erstarrten (Thermoplast „härtet" nicht wie Duroplast aus.) Zustand auf der Werkzeugform abgelegt. Dies erleichtert

insbesondere die Handhabung der Bauteilkomponenten und deren Positionierung auf der Werkzeugform.

Zur Erzielung einer definierten Polymerstruktur ist es vorteilhaft, wenn die Bauteilkomponenten beim Verbinden durch den Pressstempel kontrolliert abgekühlt werden.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung eines faserverstärkten thermoplastischen Verbundbauteils hat eine

Werkzeugform zur Positionierung einzelner Bauteilkomponenten zueinander, die in eine Vorschubrichtung bewegbar ist, und einen in Vorschubrichtung und in Gegenrichtung verfahrbaren Pressstempel zum Verschweißen der Bauteilkomponenten. Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt die kontinuierliche Fertigung von

Großbauteilen, wie beispielsweise Schalenelemente für einen

Flugzeugrumpf, die über eine Hinterbaustruktur verstärkt sind. Dabei ist die Vorrichtung sehr kompakt ausführbar, da sich der Pressstempel aufgrund seiner in Vorschubrichtung und in

Gegenrichtung gegebenen Verfahrbarkeit nicht über die gesamte Erstreckung der Werkzeugform in Vorschubrichtung erstrecken muss. Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt die Bewegung des

Pressstempels quasi in einer Kreisbahn, so dass der Pressstempel an sich nur einen Bruchteil der Erstreckung der Werkzeugform in Längsrichtung aufzuweisen hat. Dabei kann die Kompaktheit des Pressstempels weiter gesteigert werden, wenn dieser auch in

Querrichtung bewegbar ist.

Zur Erreichung von hohen Konsolidierungsgraden ist es vorteilhaft, wenn in der Werkzeugform im Bereich der

aufzunehmenden Bauteilkomponenten zumindest jeweils eine

Heizeinrichtung, beispielsweise eine Induktionsschweißeinrichtung, angeordnet ist. Sonstige vorteilhafte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.

Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand schematischer Darstellungen näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäßen

Vorrichtung und

Figur 2 ein erfindungsgemäßes Verfahren.

In den Figuren tragen gleiche konstruktive Elemente die gleichen Bezugsziffern, wobei aus Gründen der Übersichtlichkeit bei mehreren gleichen konstruktiven Elementen in einer Figur lediglich ein Element mit einer Bezugsziffer versehen ist.

Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur

Herstellung eines faserverstärkten, beispielsweise mit

Kohlenstofffasern verstärkten, Schalenelementes 2 auf

Thermoplastbasis zur Herstellung eines Flugzeugrumpfes. Das

Schalenelement 2 besteht aus einem faserverstärkten

thermoplastischen Hautfeld 4 und einer Vielzahl von integralen faserverstärkten thermoplastischen Längsversteifungen 6 zur

Verstärkung des Hautfeldes 4. Weitere Versteifungen wie

Umfangsversteifungen sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt. Diese können ebenfalls integral mit dem Hautfeld 4 ausgebildet oder nachträglich angebunden werden.

Die Vorrichtung 1 hat eine untere Werkzeugform 8 sowie einen oberen Pressstempel 10. Die Werkzeugform 8 ist in Längsrichtung verfahrbar und hat eine der Geometrie des Flugzeugrumpfes

entsprechende konkave Oberfläche 12 zum Ablegen von

Laminatschichten zur Bildung des Hautfeldes 4, in der eine

Vielzahl von sich in Längsrichtung der Werkzeugform 8 erstreckende Vertiefungen 14 zur Aufnahme der Längsversteifungen 6 ausgebildet ist. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Längsversteifungen 6 als Omega-Profile ausgebildet, die im Bereich ihrer Fußabschnitte 16 mit dem Hautfeld 4 verschweißt bzw.

verklebt sind. Zur Erzielung eines hohen Konsolidierungsgrades stützen sich die Fußabschnitte 16 auf jeweils einer in der

Werkzeugform 8 im Bereich der Vertiefungen 14 angeordneten

Heizeinrichtung 18, beispielsweise eine

Induktionsschweißeinrichtung, ab .

Der Pressstempel 10 hat eine zur Oberfläche 12 der

Werkzeugform 8 komplementär geformte konvexe Gegenfläche 20, die sich im Wesentlichen über die gesamte Breite der Oberfläche 12 erstreckt, so dass das Hautfeld 4 in einem Pressschritt in

Querrichtung vollständig zwischen dem Presstempel 10 und der Werkzeugform 8 eingespannt werden kann. Er ist über zumindest eine Zylinderkolbenanordnung 22 orthogonal zur Werkzeugform 8

verfahrbar. Darüber hinaus ist der Pressstempel 10 in

Vorschubrichtung und in Gegenrichtung der Werkzeugform 8

verfahrbar. Zur Erreichung einer kontrollierten Abkühlung weist der Pressstempel 10 eine nicht gezeigte Heizeinrichtung,

beispielsweise eine Induktionsheizeinrichtung, auf.

Im Folgenden wird anhand von Figur 2 ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Schalenelementes 2 für einen Flugzeugrumpf bzw. zur Ansteuerung der Vorrichtung 1 beschrieben: Zuerst werden die voll- oder teilkonsolidierten faserverstärkten thermoplastischen Längsversteifungen 6 in den Vertiefungen 14 der Werkzeugform 8 positioniert. Dann wird das faserverstärktes thermoplastisches Laminat zur Bildung des Hautfelds 4 auf die Oberfläche 12 und somit über die Fußabschnitte 16 der

Längsversteifungen 6 kontinuierlich zugeführt. Die

Laminatschichten wurden zuvor derart in einem nicht dargestellten Ofen erwärmt, dass ihre Thermoplastmatrix beim Ablegen auf der Werkzeugform 8 eine für den Pressformvorgang geeignete Viskosität besitzt. Der Pressstempel ist auf eine der erwünschten

Materialeigenschaften des Thermoplasten angepasste Temperatur erwärmt und führt aus seiner Startposition eine Senkbewegung 24 in Richtung der abgelegten aufgeschmolzenen Laminatschichten aus, so dass diese durch Druck- und Temperaturbeaufschlagung mit den Fußabschnitten 16 der Längsversteifungen 6 verschweißt werden und sich zudem konturnah auf der Oberfläche 12 ablegen und dort erstarren. Dabei werden zumindest die zu verschweissenden

Kontaktstellen des Hautfeldes 4 und der Längsversteifungen 6 über die Induktionsschweißeinrichtungen 18 kontrolliert erhitzt um die Verschweissung zu fördern. Dann werden die Werkzeugform 8 und der Pressstempel 10 in Längsrichtung L bzw. Vorschubrichtung 26 mit der gleichen Geschwindigkeit bewegt, so dass der relative

Geschwindigkeitsunterschied zwischen der Werkzeugform 8 und des sich in die gleiche Richtung bewegenden Pressstempels 10 gleich Null ist. Nach einer definierten Anpresszeit wird der Pressstempel 10 derart angesteuert, dass er eine Hebebewegung 28 in Richtung weg von der Werkzeugform 8 ausführt. Die Werkzeugform 8 führt unverändert eine kontinuierliche Vorschubbewegung in Längsrichtung L aus. Nach dem Anheben des Pressstempels 10 wird dieser über eine Bewegung 30 in Gegenrichtung zurück zu seiner Startposition geführt. Nach dem Erreichen seiner Startposition hat der

Pressstempel 10 quasi eine Kreisbewegung beschrieben, die solange wiederholt wird, bis das Hautfeld 4 über seine gesamte Länge mit den Längsversteifungen 6 verschweißt ist. Dabei wird der

Pressstempel 10 bei der Gegenbewegung 30 um den gleichen Betrag fortbewegt wie bei der Vorschubbewegung 26. Jedoch entspricht die Bewegung in Vorschubrichtung 26 des Pressstempels 10 einem

Bruchteil seiner körperlichen Erstreckung in Vorschubrichtung 26, so dass bei jeder Kreisbewegung zwischen dem Pressstempel 10 und dem Hautfeld 4 Überlappungsbereiche gebildet werden und zumindest kleine Bereiche, wenn nicht jeder Hautfeldabschnitt zweimal temperatur- und druckbeaufschlagt wird. Nach dem Verschweißen des Hautfeldes 4 mit den Längsversteifungen 6 wird das Schalenelement 2 der Werkzeugform 8 entnommen bzw. die benötigte Hautfeldlänge von dem die Presse kontinuierlich verlassenden Hautfeldstrang abgetrennt und einer evtl. weiteren mechanischen Bearbeitung zur Glättung von Bauteilkanten, Einbringen von Fensterausschnitten, Türausschnitten und dergleichen zugeführt. Offenbart ist ein Verfahren zur Herstellung eines

faserverstärkten thermoplastischen Verbundbauteils aus einer Vielzahl von Bauteilkomponenten, die kontinuierlich in

Vorschubrichtung bewegt werden und abschnittsweise über einen in Vorschubrichtung und in Gegenrichtung verfahrbaren Pressstempel miteinander verbunden werden, sowie eine Vorrichtung zur

Durchführung des Verfahrens.

Bezugszeichenliste Vorrichtung

Schalenelement

Hautfeld

Längsversteifung

Werkzeugform

Pressstempel

konkave Oberfläche

Vertiefung

Fußabschnitt

Heizeinrichtung

konvexe Gegenfläche

Zylinderkolbenanordnung

Senkbewegung

Bewegung in Vorschubrichtung

Hebebewegung

Gegenbewegung in Gegenrichtung Längsrichtung/Vorschubrichtung