Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines Bauele ments, insbesondere eines Luft-, Land- oder Wasserfahrzeugs oder eines Rotorblatts einer Windenergieanlage, bei dem man eine Anordnung aus Fasern und Kunststoff in eine Form einlegt und mit erhöhtem Druck und erhöhter Tem peratur beaufschlagt, wobei man eine Form verwendet, die mindestens eine Ausnehmung aufweist, in der man ein Verstärkungselement anordnet.

Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise aus DE 102017 113595 A1 be kannt.

Die Anordnung aus Fasern und Kunststoff bildet später die Haut oder Wand des Bauelements, die durch das Verstärkungselement, das auch als "Stringer" be zeichnet wird, verstärkt wird. Insbesondere dient das Verstärkungselement dazu, das Bauelement zu versteifen. Das Bauelement kann dann als Karosse rieelement oder Rumpfelement für eines der genannten Fahrzeuge verwendet werden. Wenn die Haut beispielsweise als Halbschale ausgebildet ist, dann kann man zwei derartige Halbschalen mit entgegengesetzter Orientierung zu sammensetzen, um einen Rumpf oder eine Kabine eines Flugzeugs zu bauen.

Wenn man die Anordnung aus Fasern und Kunststoff mit erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur beaufschlagt, dann schmilzt der Kunststoff auf und bildet einen innigen Verbund mit den Fasern. Nach dem Abkühlen und Erstarren des Kunststoffs ergibt sich dann ein mechanisch sehr stabiles Bauelement. Es ist dabei allerdings von einer gewissen Bedeutung, dass man bis zum Abkühlen der Haut einen gewissen Druck erzeugt und aufrecht erhält, der nicht nur auf die Anordnung aus Fasern und Kunststoff wirkt, sondern auch auf das Verstär kungselement.

Gleichzeitig möchte man aber die Kosten bei der Herstellung des Bauelements möglichst klein halten können. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Bauelement eines Luft-, Land oder Wasserfahrzeugs mit geringen Kosten zu erzeugen.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass man das Verstärkungselement gemeinsam mit einem Kern in die Ausnehmung einlegt, wobei man ein Differenzvolumen zwischen Ausnehmung und Kern zumindest in einem vorbestimmten Bereich um ein vorbestimmtes Maß kleiner wählt als ein in diesem Bereich angeordneter Abschnitt des Ver stärkungselements.

Bei der Herstellung des Bauelements verwendet man aus Kostengründen viel fach Stringer oder Verstärkungselemente, die als Halbzeug angeliefert werden. Derartige Verstärkungselemente haben relativ große Toleranzen, d.h. ihre Au ßenabmessungen unterscheiden sich merklich um mehrere Prozent. Ein ande res oder zusätzliches Problem ergibt sich aus unterschiedlichen Wärmeausdeh nungen zwischen dem Werkstoff und dem Material der Form und/oder des Kerns. Unabhängig von der Ursache kann dies dazu führen, dass der Druck auf das Verstärkungselement während des Beaufschlagens der Anordnung aus Fasern und Kunststoff absinkt oder sogar ganz verloren geht. Wenn man die Anordnung aus Fasern und Kunststoff, die im Folgenden kurz als "Haut" be zeichnet wird, mit erhöhter Temperatur beaufschlagt, führt dies nicht nur dazu, dass der Kunststoff der Haut aufschmilzt. Die erhöhte Temperatur pflanzt sich auch in das Verstärkungselement fort, so dass der dort angeordnete Kunststoff nun ebenfalls weich wird und einen zähflüssigen, Sirup ähnlichen Zustand er hält. In diesem Zustand muss ein gewisser Druck aufrechterhalten werden, um später eine gewünschte Form zu erhalten. Wenn man die Kavität, also das Differenzvolumen zwischen Ausnehmung und Kern, etwas kleiner wählt als das Verstärkungselement, wobei man dieses "kleiner" auf vorbestimmte Bereiche oder zumindest einen vorbestimmten Bereich des Verstärkungselements be schränken kann, dann wird das Halbzeug für das Verstärkungselement etwas gequetscht. Der zähflüssige Werkstoff des Verstärkungselements führt dazu, dass das Verstärkungselement dann unter einem hydrostatischen Druck steht. Damit wird eine gleichmäßige Druckverteilung erreicht. Zwar kann der Druck durch unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten etwas abnehmen, fällt aber nicht auf Null. Das Verstärkungselement und die Anordnung aus Fasern und Kunststoff stehen also stetig unter Druck.

Vorzugsweise weist das Differenzvolumen außerhalb des vorbestimmten Ab schnitts mindestens einen Verdrängungsbereich auf. Der Druck in der Ausneh mung sollte möglichst nicht zu groß werden. Dies lässt sich einerseits dadurch erreichen, dass man das "kleiner" des Differenzvolumens relativ genau auf den verwendeten Werkstoff des Verstärkungselements abstimmt. Dies ist jedoch bei großen Toleranzen des Verstärkungselements schwierig. Man kann nun einen Verdrängungsbereich vorsehen, in dem "überschüssiger Kunststoff" des Ver drängungselements verdrängt werden kann. Der Verdrängungsbereich muss allerdings nicht unbedingt in der Lage sein, das gesamte überschießende Volu men des Verstärkungselements aufzunehmen. Man kann durchaus in Kauf nehmen, dass ein kleiner Teil des Volumens des Verstärkungselements im Bereich der Anordnung aus Fasern und Kunststoff verbleibt und dort zu einer kleinen Verdickung führt.

Vorzugsweise ist zumindest ein Verdrängungsbereich auf einer Seite des Ver stärkungselements angeordnet, die von der Anordnung aus Fasern und Kunst stoff abgewandt ist. Bei der Beaufschlagung mit erhöhter Temperatur und er höhtem Druck wirkt zumindest der Druck von der Seite der Anordnung aus Fasern und Kunststoff auf das Verstärkungselement. Bis sich die erhöhte Tem peratur zu dem abgewandten Ende fortgepflanzt hat, vergeht eine gewisse Zeit. In dieser Zeit kann der Kunststoff des Verstärkungselements zwar zähfließend werden. Er kann auch in den Verdrängungsbereich ausweichen, muss hierbei aber einen Teil des Verstärkungselements passieren, das damit sozusagen eine Drossel bildet, die den Druck in der Ausnehmung aufrechterhält. Vorzugsweise ist der Verdrängungsbereich mit dem vorbestimmten Abschnitt über eine Drosselstelle verbunden. Diese Drosselstelle kann einfach in einer Querschnittsverengung bestehen. Sie erlaubt ein Ausweichen des Kunststoffs des Verstärkungselements in den Verdrängungsbereich, hält aber einen Druck im übrigen Differenzvolumen aufrecht.

Bevorzugterweise weist das Verstärkungselement eine Höhe auf und die Aus nehmung weist eine Tiefe auf, die kleiner ist als die Höhe. Die Höhe des Ver stärkungselements ist die Abmessung senkrecht zur Anordnung aus Fasern und Kunststoff. Wenn die Ausnehmung geringfügig weniger tief ist als diese Höhe, dann wird das Verstärkungselement gestaucht, wenn der erhöhte Druck aufge bracht wird.

Alternativ oder zusätzlich kann man ein Verstärkungselement verwenden, das einen von der Anordnung aus Fasern und Kunststoff abstehenden Steg aufweist und ein Abstand zwischen dem Kern und einer Wand der Ausnehmung im Be reich des Stegs kleiner ist als eine Dicke des Steges. Bei einer Beaufschlagung der Anordnung aus Fasern und Kunststoff mit erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur wird dann der Kern in die Ausnehmung gepresst und übt einen Druck auf den Steg aus.

Vorzugsweise kann man ein Verstärkungselement verwenden, das mindestens einen an der Anordnung aus Fasern und Kunststoff anliegenden ersten Schen kel aufweist, wobei die Ausnehmung einen ersten Teilbereich zur Aufnahme des ersten Schenkels aufweist und der erste Teilbereich eine Tiefe aufweist, die kleiner ist als eine Dicke des ersten Schenkels. Hier gilt das Gleiche wie beim Steg. Wenn die Anordnung aus Fasern und Kunststoff mit erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur beaufschlagt wird, wird der Schenkel in seiner Dickenrich tung komprimiert, also mit Druck beaufschlagt.

Hierbei ist bevorzugt, dass der erste Teilbereich eine erste Verlängerung in eine Richtung parallel zur Anordnung aus Fasern und Kunststoff aufweist, die eine Länge des ersten Teilbereichs über die Länge des ersten Schenkels hinaus verlängert, wobei die erste Verlängerung eine Tiefe aufweist, die kleiner ist als die Tiefe des ersten Teilbereichs außerhalb der Verlängerung. Die Verlängerung bildet dann ein Verdrängungsvolumen. Da die Verlängerung eine Tiefe aufweist, die kleiner ist als die Tiefe des ersten Teilbereichs außerhalb der Verlängerung, ist hier die oben genannte Drosselstelle vorhanden, die ein Vordringen eines Zuviel an Kunststoff des Verstärkungselements zwar erlaubt, aber diesem Vor dringen einen gewissen Widerstand entgegensetzt, so dass der hydrostatische Druck, der auf das Verstärkungselement wirkt, aufrechterhalten bleibt.

Vorzugsweise verwendet man ein Verstärkungselement, das an einem vom ersten Schenkel abgewandten Ende einen zweiten Schenkel aufweist, wobei die Ausnehmung einen zweiten Teilbereich zur Aufnahme des zweiten Schenkels aufweist und der zweite Teilbereich eine Tiefe aufweist, die kleiner ist als eine Dicke des zweiten Schenkels. Hier gilt das Gleiche wie für den ersten Schenkel.

Auch hier kann vorgesehen sein, dass der zweite Teilbereich eine zweite Ver längerung in eine Richtung parallel zur Anordnung aus Fasern und Kunststoff aufweist, die eine Länge des zweiten Teilbereichs über die Länge des zweiten Schenkels hinaus verlängert, wobei die zweite Verlängerung eine Tiefe auf weist, die kleiner ist als eine Tiefe des zweiten Teilbereichs außerhalb der Ver längerung.

Für die Durchführung eines derartigen Verfahrens kann man beispielsweise eine Form verwenden, in die man Prepregs einlegt. Als Prepregs kann man bei spielsweise unidirektionale Prepregs verwenden, also Prepregs, bei denen Kohlefasern oder andere Verstärkungsfasern, wie beispielsweise Glasfasern, alle in der gleichen Richtung verlaufen. Alternativ dazu kann man auch Prepregs verwenden, bei denen Verstärkungsfasern in unterschiedlichen Richtungen angeordnet sind, wobei vorzugsweise für jede Richtung eine eigene Faserlage vorgesehen ist. Um Verstärkungsfasern in unterschiedlichen Richtungen anzu ordnen, kann man auch mehrere unidirektionale Prepregs übereinander anord- nen und durch die Ausrichtung der Prepregs eine entsprechende Richtung der Verstärkungsfasern vorgeben.

Die Verstärkungsfasern sind bei einem Prepreg mit einem Kunststoff vorimpräg niert. Hierbei verwendet man vorzugsweise einen thermoplastischen Kunststoff, insbesondere Polyamid, beispielsweise PA6.

Für das Aufbringen der erhöhten Temperatur und des erhöhten Drucks verwen det man beispielsweise eine Membran, die einen Öldruckraum begrenzt. In den Öldruckraum kann man dann beispielsweise Öl mit erhöhter Temperatur, bei spielsweise in einem Bereich von 350° C bis 410° C, einspeisen. Man kann das Öl auch beispielsweise dazu verwenden, die Temperatur nach dem Aufheizen wieder abzusenken, indem man beispielsweise die Temperatur des Öls auf einen Temperaturbereich von beispielsweise 20° bis 40° C, insbesondere 30° C abkühlt.

Das Einlegen der Prepregs kann man beispielsweise mit Hilfe von Tape-Layern vornehmen.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbei spiels in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Hierin zeigt: die einzige Fig. eine schematische Darstellung einer Form zum Erzeugen eines Bauelements.

Eine Form 1 zum Erzeugen eines nur schematisch dargestellten Bauelements 2 weist ein Unterwerkzeug 3 und ein Oberwerkzeug 4 auf. Das Unterwerkzeug 3 weist eine Ausnehmung 5 auf.

Zum Erzeugen des Bauelements wird eine Anordnung 6 aus Fasern und Kunst stoff in das Unterwerkzeug 3 eingelegt. Die Anordnung 6 ist vorzugsweise durch so genannte Prepregs gebildet, bei denen Fasern bereits mit einem Kunststoff beaufschlagt sind. Als Fasern kann man vorzugsweise Kohlefasern oder andere hoch zugbeanspruchbare Fasern verwenden. Als Kunststoff wird vorzugsweise ein thermoplastischer Kunststoff verwendet, insbesondere Polyamid, beispiels weise PA6.

Die Fasern der Prepregs können unidirektional angeordnet sein, also alle in die gleiche Richtung verlaufen. Es ist aber auch möglich, Prepregs zu verwenden, bei denen mehrere Faserschichten vorhanden sind, deren Fasern in unter schiedliche Richtungen verlaufen. Man kann auch unidirektionale Prepregs verwenden, also Prepregs, bei denen alle Fasern in die gleiche Richtung verlau fen, und mehrere derartige Prepregs in unterschiedlichen Richtungen im Unter werkzeug 3 anordnen. Die Faserrichtung richtet sich nach der später gewünsch ten Belastbarkeit des Bauelements 2. Beispielsweise kann man aus dem Bau element 2 einen Rumpf oder eine Kabine eines Luft-, Land- oder Wasserfahr zeugs hersteilen.

Die Fig. zeigt eine Form 1, bei der das Bauelement eine im Wesentlichen ebene Ausbildung erhält. Man kann die Form 1 aber auch so ausgestalten, dass zu mindest leicht abgerundete Formen herstellbar sind, z.B. für eine Motorhaube. Auch kann man die Form 1 so ausgestalten, dass man schalenförmige Bauele mente 2 hersteilen kann.

Die oben genannten Prepregs können von Hand oder von Tape Layern in die Form 1 eingelegt werden. Die Dicke des Bauelements 2 kann dadurch einge stellt werden, dass man mehr oder weniger Prepregs verwendet.

In die Ausnehmung legt man darüber hinaus ein Verstärkungselement 7 ein, das im vorliegenden Fall Z-förmig ausgebildet ist und einen Steg 8 aufweist, der im Wesentlichen senkrecht von der Anordnung 6 aus Fasern und Kunststoff vor steht. Das Verstärkungselement 7 weist einen ersten Schenkel 9 auf, der an der Anordnung 6 aus Fasern und Kunststoff anliegt, und einen zweiten Schenkel 10 am anderen Ende des Verstärkungselements 7. Das Verstärkungselement 7 wird gemeinsam mit einem Kern 11 in die Ausneh mung 5 eingelegt.

Die Ausnehmung 5 weist einen ersten Teilbereich 12 zur Aufnahme des ersten Schenkels 9 auf. Der erste Teilbereich 12 weist eine erste Verlängerung 13 auf, die eine Länge 11 des ersten Teilbereichs über die Länge des ersten Schenkels 9 hinaus verlängert. Die erste Verlängerung 13 weist allerdings eine Tiefe auf, die kleiner ist als eine Tiefe t1 des ersten Teilbereichs 12 außerhalb der Verlän gerung 13.

Die Ausnehmung 5 weist darüber hinaus einen zweiten Teilbereich 14 zur Auf nahme des zweiten Schenkels 10 auf. Der zweite Teilbereich 14 weist eine Verlängerung 15 auf, die eine Länge I2 des zweiten Teilbereichs 14 über die Länge des zweiten Schenkels 10 hinaus verlängert. Die zweite Verlängerung 15 weist eine Tiefe auf, die kleiner ist als eine Tiefe t2 des zweiten Teilbereichs 14 außerhalb der Verlängerung.

Der Kern 11 hat ein Volumen, das kleiner ist als das Volumen der Ausnehmung 5. Dementsprechend ergibt sich, wenn der Kern 11 in die Ausnehmung 5 einge legt ist, ein Differenzvolumen oder eine Kavität. Theoretisch soll dieses Diffe renzvolumen mit dem Volumen des Verstärkungselements 7 übereinstimmen.

Man weicht allerdings von einer derartigen Bemessung ab und wählt das Diffe renzvolumen oder die Kavität für das Verstärkungselement bewusst etwas klei ner als das Volumen des Verstärkungselements 7. Damit ist es möglich, wäh rend des Aufheizens, also der Beaufschlagung mit erhöhter Temperatur, und vor allem auch während des Abkühlens, also während des Absenkens der Tempe ratur, einen stetigen Druck auf das sich bildende Bauelement 2 aus der Anord nung 6 aus Fasern und Kunststoff und dem Verstärkungselement 7 aufrechtzu erhalten. Durch Toleranzen in der Fertigung, also Toleranzen bei dem Verstär kungselement 7, wie auch durch unterschiedliche Wärmeausdehnungen zwi- schen Werkstoffen und Material des Unterwerkzeugs 3 und des Kerns 11 , kann dieser Druck im ungünstigen Fall verloren gehen oder so stark absinken, dass die gewünschte Qualität des Bauelements 2 nicht mehr garantiert werden kann.

Auch das Verstärkungselement kann mit dem oben angegebenen thermoplasti schen Kunststoff, wie Polyamid, ausgebildet sein. Wenn die Anordnung 6 aus Fasern und Kunststoff über das Oberwerkzeug 4 mit erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck beaufschlagt wird, was durch Pfeile 16 angedeutet ist, dann pflanzt sich die erhöhte Temperatur auch zum Verstärkungselement fort und führt dazu, dass das Flalbzeug des Verstärkungselements nun flüssig oder fließfähig wird. Auch wenn das Verstärkungselement 7 nur einen zähflüssigen oder Sirup ähnlichen Zustand erhält, ist es erforderlich, das Verstärkungsele ment 7 unter dem oben beschriebenen Druck zu halten. Dies wird dadurch erreicht, dass das Volumen des Verstärkungselements 7 zumindest abschnitts weise kleiner ist als das entsprechende Differenzvolumen zwischen dem Kern

11 und dem Unterwerkzeug 3. Dadurch wird das Flalbzeug des Verstärkungs elements 7 etwas "gequetscht" und das "gequetschte" Flalbzeug steht unter einem hydrostatischen Druck. Dies hat den Vorteil, dass man auf einfache Wei se eine gleichmäßige Druckverteilung erreichen kann. Der Druck kann durch unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten zwar etwas abnehmen, fällt aber nicht auf Null. Das entstehende Bauelement 2 steht also stetig unter Druck.

Die abschnittsweise Verkleinerung des Differenzvolumens kann man beispiels weise dadurch bewirken, dass man einen Abstand d1 zwischen dem Kern 11 und der gegenüberliegenden Wand 17 der Ausnehmung etwas kleiner wählt als die entsprechende Dicke des Steges 8 in diesem Bereich. Alternativ oder zu sätzlich kann vorgesehen sein, dass man die Tiefe t1 der ersten Ausnehmung

12 etwas kleiner wählt als die Dicke des ersten Schenkels 9. Weiterhin kann alternativ oder zusätzlich vorgesehen sein, dass man die Tiefe t2 der zweiten Ausnehmung 14 etwas kleiner wählt als die entsprechende Dicke des zweiten Schenkels 10. Wenn Material von den Schenkeln 9, 10 verdrängt wird, kann dieses verdrängte Material in die erste Verlängerung 13 bzw. die zweite Verlängerung 15 fließen. Da die erste Verlängerung 13 und die zweite Verlängerung 15 aber einen kleine ren Querschnitt haben als die entsprechenden Teilbereiche 12, 14, ergibt sich hier eine gewisse Drosselwirkung, so dass immer noch ein ausreichender Druck aufrechterhalten werden kann. Die Drosselwirkung kann nicht nur durch eine Verringerung der Tiefe der Verlängerungen 13, 15 erreicht werden, sondern auch durch eine andere Querschnittsverminderung.

Material, das aus dem Bereich des Stegs verdrängt wird, kann ebenfalls in einen Verdrängungsbereich verdrängt werden, der beispielsweise durch eine der Verlängerungen 13, 15 oder durch beide Verlängerungen 13, 15 gebildet wird. Dieses Material muss dann aber die Schenkel 9, 10 passieren, was wiede rum nur gegen einen erhöhten Widerstand möglich ist.

Die Beaufschlagung mit erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur erfolgt vor zugsweise über ein Öl, das in einem Öldruckraum im Oberwerkzeug 4 einge führt wird. Der Öldruckraum ist von der Anordnung 6 aus Fasern und Kunststoff, durch eine nicht näher dargestellte Membran getrennt. Das Öl kann beispiels weise eine Temperatur im Bereich von 350° C bis 410° C haben, wenn die erhöhte Temperatur gewünscht ist. Nach dem Pressen, also nach der Druckbe aufschlagung, kann eine Absenkung der Temperatur auf etwa 30° C erfolgen.

Die Membran kann auf der der Anordnung 6 zugewandten Seite relativ glatt sein, also beispielsweise R _z -Wert von unter 0,1 pm haben, so dass sich eine extrem glatte Oberfläche des Bauelements 2 ergibt.

Die Druck- und die Temperaturkurve beim Beaufschlagen der Anordnung aus Fasern und Kunststoff in der Form 1 sollte möglichst parallel ansteigen und möglichst parallel wieder abklingen.