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Dokumentenidentifikation DE69016989T2 07.09.1995
EP-Veröffentlichungsnummer 0436415
Titel Formgebungsverfahren für konvexe, nicht entfaltbare Profilteile aus Verbundwerkstoff.
Anmelder Aérospatiale Société Nationale Industrielle, Paris, FR
Erfinder Azzara, Sauveur Andre, F-78500 Sartrouville, FR;
Coutant, Herve Georges Frederic, F-78150 Le Chesnay, FR
Vertreter Ritter von Raffay und Kollegen, 20249 Hamburg
DE-Aktenzeichen 69016989
Vertragsstaaten BE, CH, DE, ES, GB, IT, LI, NL, SE
Sprache des Dokument Fr
EP-Anmeldetag 04.12.1990
EP-Aktenzeichen 904034410
EP-Offenlegungsdatum 10.07.1991
EP date of grant 15.02.1995
Veröffentlichungstag im Patentblatt 07.09.1995
IPC-Hauptklasse B29C 53/02
IPC-Nebenklasse B29C 53/08   B29C 57/06   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Formgebungsverfahren für konvexe, nicht entfaltbare Profilteile aus Verbundwerkstoff.

Verbundwerkstoffe werden in zahlreichen Industriesektoren, wie z.B. in der Luftfahrt, im Kraftfahrzeugbau und im Schienenfahrzeugbau, immer häufiger eingesetzt. Die besondere Struktur dieser Werkstoffe ermöglicht die Herstellung von Werkstücken mit sehr unterschiedlichen Formen und verleiht diesen Werkstücken dank der durchdachten Ausrichtung der in ihnen enthaltenen Fasern die gewünschten mechanischen Eigenschaften.

Das Verfahren gemäß der Erfindung bezieht sich insbesondere auf die Herstellung von aus Verbundwerkstoffen bestehenden Bauteilen für die Luftfahrt, deren Realisierung hochgradig kompliziert ist. Bei diesen Bauteilen handelt es sich um Werkstücke mit ausgeprägten Krümmungen, die nicht entfaltbare Formen aufweisen, wie z.B. die Rumpf werkrahmen von Flugzeugen, die Aussteifüngen von Türrahmen, die Auflageverstärkungen an den Rändern von Öffnungen usw.

Zur Realisierung derartiger Werkstücke besteht eine erste bekannte Lösung in der Herstellung einer rechtwinkligen, vorgefertigten Platte, indem in einer Richtung verlaufende Faserbänder bzw. mit Kunstharz vorimprägniertes faseriges Gewebe Kante an Kante und in aufeinanderfolgenden Lagen bzw. Bahnen aneinandergelegt (drapiert) werden. Anschließend schneidet man aus dieser Platte einen Rohling mit der Form des herzustellenden Werkstückes heraus. Um diesem Rohling den Querschnitt des Werkstückes zu verleihen, unterzieht man ihn mehreren formgebenden Arbeitsschritten, in deren Verlauf die nicht ebenen Abschnitte des Werkstückes mittels der geeigneten Vorrichtungen in die gewünschte Form gebracht werden.

Dieses bekannte Verfahren weist zahlreiche Nachteile auf. So entsteht beim Arbeitsschritt des Herausschneidens des Rohlings mit der Form des herzustellenden Werkstückes aus einer vorgefertigten Platte mit großen Abmessungen eine große Verschnittmenge, die um so größer ausfällt, je größer das herzustellende Werkstück ist.

Des weiteren führt dieses Verfahren zur Herstellung eines Werkstückes mit absolut anisotroper Aufteilung der Fasern. Dies kompliziert die Aufgabe der Konstruktions- und Entwicklungsbüros enorm, da diese beim Entwerfen des Werkstückes die Veränderungen der mechanischen Eigenschaften in Betracht ziehen müssen, die sich aus einer solchen Faseraufteilung ergeben. Außerdem führen die heterogene Aufteilung der Fasern und die Ausführung der formgebenden Arbeitsschritte an der ebenen vorgefertigten Bahn zu Querschnittsminderungen und Verlängerungen, die bei Faserprodukten in bestimmten Abschnitten schlecht aufgenommen werden, d.h. es bilden sich Falten usw. Und schließlich ist dieses Verfahren langwierig und schwer umzusetzen.

Gemäß einer Ausführung des bekannten Herstellungsverfahrens stellt man statt einer rechtwinkligen Platte durch Drapierung, aus der der Rohling herausgeschnitten wird, direkt einen Rohling durch Drapierung her, dessen Formen annähernd denen des herzustellenden Werkstückes entsprechen.

Wenn es dieses Verfahren auch gestattet, die Menge des anfallenden Verschnitts beträchtlich zu reduzieren, so wird dadurch doch die für das Drapieren benötigte Zeit erheblich verlängert, und die übrigen voranstehend aufgeführten Nachteile werden in keiner Weise behoben.

Im Dokument FR-A-2 635 484, das am 23.02.1990 veröffentlicht wurde, wird ein weiteres Verfahren zur Herstellung eines ebenen Rohlings beschrieben, der die Form des herzustellenden Werkstückes aufweist. Dieser Rohling basiert auf einer geradlinigen vorgefertigten Bahn, die aus einer ebenen, vorgefertigten Platte mit größeren Abmessungen herausgeschnitten wird. Dieses Verfahren besteht darin, die vorgefertigte Bahn in ihrer Ebene zu krümmen, beispielsweise mittels einer Maschine mit konischen Walzen. Dadurch erhält man ein Werkstück, bei dem die Aufteilung der Fasern über die gesamte Länge des Werkstückes homogen ist, bei einem Verschnittanteil, der praktisch gleich Null ist.

Um dem Werkstück seinen endgültigen Querschnitt zu geben, muß es jedoch im weiteren Verlauf mehreren formgebenden Arbeitsschritten unterzogen werden. Während dieser Arbeitsschritte werden die in bezug auf den Krümmungsradius des Werkstückes innen liegenden Abschnitte des Fasermaterials bei scheinbarer Verlängerung geformt, so daß sie anschließend unter Zugspannung stehen. Die außen auf dem Krümmungsradius liegenden Abschnitte, die zuvor beim Krümmen des Werkstückes in der Maschine mit den konischen Walzen deformiert wurden, werden im Gegensatz dazu bei scheinbarer Querschnittsminderung des Fasermaterials geformt und stehen dadurch unter Druck.

Bei den solcherart hergestellten Werkstücken flammen diese unter Druck stehenden Fasern aufgrund der zwischen ihnen bestehenden Reibungskräfte auf, und die Verminderung des Materials wird durch Wellung der Fasern absorbiert. Diese gewellten Fasern verlieren jedoch alle ihre Eigenschaften in bezug auf die Steifigkeit und Beständigkeit im laminierten Werkstück, so daß die verstärkte Verwendung von Verbindungs kunstharzen erforderlich wird. Daraus resultiert eine Verschlechterung der Eigenschaften, die bei Strukturbauteilen sehr bedauerlich ist.

Des weiteren erfordert dieses Verfahren wie auch die vorangegangenen eine Reihe relativ aufwendiger Zwischenstufen, wodurch sich die Herstellungszeit verlängert und die Kosten vergrößern.

Die Erfindung hat exakt ein neues Formgebungsverfahren für Profilteile aus Verbundmaterial zum Ziel, das es wie das im Dokument FR-A-88 10984 beschriebene Verfahren ermöglicht, den Verschnittanteil praktisch auf Null zu reduzieren, und das die Herstellung von Werkstücken ermöglicht, deren Fasern auf homogene und kontrollierte Weise angeordnet sind. Verlängerungen werden dabei streng auf das Mindestmaß begrenzt, damit bei den formgebenden Arbeitsschritten Querschnittsminderungen vermieden werden. Des weiteren soll es dieses Verfahren gestatten, die Anzahl der erforderlichen Zwischenstufen und die für die Herstellung eines solchen Werkstückes benötigte Zeit soweit wie möglich zu verringern.

Zu diesem Zweck wird ein Formgebungsverfahren für konvexe, nicht entfaltbare Profilteile aus Verbundwerkstoff vorgeschlagen, ausgehend von einer ebenen, vorgefertigten Bahn aus mit Harz vorimprägnierten Fasern, welche in mindestens zwei verschiedenen, nicht längs verlaufenden Richtungen ausgerichtet sind, dadurch gekennzeichnet, daß:

- die vorgefertigte Bahn in eine Formgebungsvorrichtung entsprechend einer zylindrischen Oberfläche eingelegt wird, welche eine geradlinige Mantellinie und eine konvexe Krümmung besitzt, die die Form des herzustellenden Werkstückes aufweist, wobei diese Vorrichtung ein Formgesenk umfaßt, das eine Profilfläche aufweist, deren Querschnitt das Gegenstück zum Querschnitt des herzustellenden Werkstückes ist; und

- die vorgefertigte Bahn gegen die Profilfläche des Formgesenks gepreßt wird.

Vorzugsweise drückt man mindestens einen Teil der vorgefertigten Bahn mit Hilfe eines aufblasbaren Balges gegen die Profilfläche, welcher auf der anderen Seite der vorgefertigten Bahn und in bezug auf die Profilfläche gegenüber mindestens einem zu verformenden Teil angesetzt wird.

In diesem Fall kann man die vorgefertigte Bahn entweder durch Aufblasen des aufblasbaren Balges oder durch Verformung des Balges nach dem Aufblasen mittels eines beweglichen Teiles der Formgebungsvorrichtung gegen die Profilfläche pressen.

Damit die vorgefertigte Bahn die Verformungen annimmt, ohne daß es während der Formgebung zu Abhebungen und Loslösungen kommt, wird diese Bahn vorzugsweise durch Druckeinwirkung oder durch Einbringen zwischen zwei Druckwalzen komprimiert, ehe sie in die Formgebungsvorrichtung eingebracht wird. Dieser mechanische Arbeitsschritt, mit dem auf die verklebten Schichten des vorgefertigten Bandes eingewirkt wird, führt zu Kohäsionsbindungen, die eine gute Beständigkeit dieser Bahn während des Formgebungsprozesses gewährleisten.

Im Sonderfall, daß das herzustellende Werkstück ein geschlossener Rahmen ist, werden die beiden Enden der vorgefertigten Bahnen mittels einer Naht, vorzugweise in Zickzackform, miteinander verbunden, ehe die Bahn in die Formgebungsvorrichtung eingebracht wird.

Im allgemeinen umfaßt die vorgefertigte Bahn mindestens einen Abschnitt, der nicht verformt wird, wobei es sich bei diesem Abschnitt in der Mehrzahl der Fälle um den Innenteil des herzustellenden Werkstückes handelt. Um diesen Abschnitt gegenüber dem Rest des Werkstückes zu isolieren, kann man ihn entweder durch mechanisches Festklemmen in der Formgebungsvorrichtung fixieren, während die vorgefertigte Bahn gegen die Profilfläche gedrückt wird, oder mindestens eine Längsnaht am Rand dieses nicht zu verformenden Abschnitts anbringen bzw. die vorgefertigte Bahn durch mindestens eine ergänzende Lage aus in Längsrichtung dieser Bahn ausgerichteten Fasern verstärken. Die Naht oder die ergänzende Lage werden angebracht, ehe die vorgefertigte Bahn in die Formgebungsvorrichtung eingebracht wird.

Nachfolgend werden verschiedene Möglichkeiten für die Umsetzung des Formgebungsverfahrens gemäß der Erfindung aufgeführt, wobei diese Aufzählung als nicht erschöpfend anzusehen ist. Unter Bezugnahme auf die im Anhang beigefügten Abbildungen gilt folgendes:

- Abbildung 1 ist eine schematische Darstellung einer ebenen vorgefertigten Bahn, die dafür geeignet ist, mittels des Formgebungsverfahrens gemäß der Erfindung bearbeitet zu werden.

- Anhand Abbildung 1a wird ersichtlich, daß die Fasern zweier übereinander liegender Lagen der vorgefertigten Bahn verschiedene Ausrichtungen zueinander einnehmen können.

- Die Abbildungen 2 und 3 sind Perspektivdarstellungen der jeweiligen Formen, die mittels dieser vorgefertigten Bahn in der Formgebungsvorrichtung erzeugt werden können, für den Fall, daß es sich bei dem herzustellenden Werkstück um einen offenen Rahmen (Abb. 2) oder einen geschlossenen Rahmen (Abb. 3) handelt.

- Die Abbildungen 4a bis 4c sind Schnittdarstellungen, aus denen auf schematische Weise die aufeinanderfolgenden Phasen einer ersten Etappe der Anwendung einer Formgebungsvorrichtung hervorgehen, die so entwickelt wurde, daß dem Fertigteil ein U- förmiger Querschnitt verliehen wird.

- Die Abbildungen 5a bis 5c sind Schnittdarstellungen, die mit den Abbildungen 4a bis 4c vergleichbar sind und eine mögliche Variante der Umsetzung dieser ersten Etappe veranschaulichen.

- Die Abbildungen 6a bis 6c sind Schnittdarstellungen, die mit den Abbildungen 4a bis 4c vergleichbar sind und eine zweite und abschließende Etappe der Formung eines Profilteiles mit U-förmigem Querschnitt veranschaulichen.

- Die Abbildungen 7 und 8 veranschaulichen in Perspektive den Verlauf der somit erhaltenenen Werkstücke, zum einen in Form eines offenen Rahmen und zum anderen in Form eines geschlossenen Rahmens.

- Abbildung 9 ist eine schematische Darstellung des Formgebungsprozesses eines gemäß der Erfindung hergestellten Werkstückes mit Querschnitt in Form eines Ω, dessen konkaver Teil nach außen zeigt.

- Abbildung 10 ist eine Perspektivdarstellung, anhand derer auf schematische Weise ein geschlossener Rahmen veranschaulicht wird, der durch Formgebung mit der in Abbildung 9 dargestellten Formgebungsvorrichtung hergestellt wurde.

- Abbildung 11 ist eine mit Abbildung 9 vergleichbare Ansicht, anhand derer der Formgebungsprozeß eines Werkstückes mit einem Querschnitt in Form eines Ω, dessen konkaver Teil nach innen gerichtet ist, veranschaulicht wird.

- Abbildung 12 ist die Perspektivdarstellung eines geschlossenen Rahmens, der mit Hilfe der in Abbildung 11 dargestellten Formgebungsvorrichtung hergestellt worden ist.

Wie in Abbildung 1 schematisch dargestellt, beginnt die Herstellung eines Profilteiles von konvexer und nicht entfaltbarer Form gemäß Erfindung mit der Herstellung einer ebenen vorgefertigten Bahn 10 von rechtwinkliger Form. Diese vorgefertigte Bahn kann direkt mit den gewünschten Abmessungen angefertigt werden oder aber aus einer vorgefertigten Platte mit größeren Abmessungen herausgeschnitten werden. Praktisch fällt in keinem dieser beiden Fälle Verschnitt an.

Auf herkömmliche Weise werden die vorgefertigte Bahn bzw. die vorgefertigte Platte durch Drapieren hergestellt, d.h. durch Übereinanderlegen einer bestimmten Anzahl von Lagen N1, N2, N3, N4 sowie zur Verstärkung dienender lokaler Zwischenlagen R1, R2 usw. in zu verformenden Abschnitten, wobei die Vliesfasern F1, F2, F3, F4 usw. eine Überkreuzform aufweisen und jede Lage in einer bestimmten Richtung aufgelegt wird, die von der Richtung der vorherigen Bahn abweicht. Wie in Abbildung 1 dargestellt, werden die Fasern F1 und F2 bzw. F3 und F4 zweier aufeinanderfolgender Lagen N1 und N2 bzw. N3 und N4 vorzugsweise in ein und demselben Abstandswinkel α ( α 0), allerdings in entgegengesetztem Sinn, zur Längsrichtung der vorgefertigten Bahn 10 aufgelegt. Desgleichen besteht die Möglichkeit, die Lagen in einem unterschiedlichen Ausrichtungswinkel aufzulegen, z.B. mit den in Abbildung 1a dargestellten Winkeln α und α', allerdings in entgegengesetztem Sinn, so daß man eine asymmetrische Überschneidung der Fasern bewirkt. Der Wert dieses Winkels α, der auf keinen Fall = 0 sein darf, wird in Abhängigkeit von den mechanischen Eigenschaften festgelegt die das herzustellende Werkstück aufweisen soll. Diese Eigenschaften sind des weiteren maßgeblich für die Anzahl der Lagen der vorgefertigten Bahn 10 und für die Art des Werkstoffes, aus dem die Fasern F1, F2 usw. bestehen, wobei diese Fasern für gewöhnlich aus ein und demselben Werkstoff bestehen. Als lediglich zur Veranschaulichung dienendes Beispiel kann der Winkel α etwa 45º betragen, und bei den Fasern F1, F2 usw. kann es sich um Kohlenstoff-, Glas-, Kevlarfasern usw. handeln.

Die Fasern der verschiedenen Lagen der vorgefertigten Bahn 10 werden mit Kunstharz vorimprägniert, wobei es sich bei diesem Kunstharz für gewöhnlich um ein polymerisierbares Harz handelt. Während des Drapierens befindet sich dieses Kunstharz üblicherweise in einer Polymerisationsphase, die der vorgefertigten Bahn eine ausreichende Haftung verleiht, um das Drapieren und die Bearbeitung der Lagen zu ermöglichen.

Gemäß einer nicht dargestellten Ausführung der Erfindung werden die Lagen aus Vliesfasern durch ein Gewebe aus vorimprägnierten Fasern ersetzt, die in einem Winkel mit dem annähernden Wert α ausgerichtet sind, so wie im vorangegangenen Beispiel dargelegt.

Damit die vorgefertigte Bahn 10 den während des Formgebungsprozesses auftretenden Verformungen ohne Auflösungs- oder Zerfallserscheinungen standhält, wird sie auf mechanischem Wege durch Druckanwendung an ihren gegenüberliegenden Oberflächen verdichtet. Diese Verdichtung läßt sich insbesondere durch Zusammendrücken oder durch Walzen der Bahn zwischen zwei Druckwalzen bewerkstelligen. Der mechanische Effekt dieses Zusammendrückens kommt zu den Kohäsionseigenschaften des Produktes hinzu und ermöglicht eine gute Klebeverbindung und Beständigkeit der vorgefertigten Bahn während des Formgebungsprozesses.

Wie in Abbildung 1 durch die Nummer 12 dargestellt, können eine oder mehrere in Längsrichtung verlaufende Nahtlinien an vorher festgelegten Abschnitten der vorgefertigten Bahn 10 angebracht werden, damit lokal ein Abschnitt P1 der Bahn vom Abschnitt P2 isoliert wird, wenn P1 während des Formgebungsprozesses nicht verformt werden darf. Des weiteren kann dieser Abschnitt durch Bahnen mit in einer Richtung verlaufenden Fasern verstärkt werden, die vor den formgebenden Arbeitsschritten längs zur Bahn aufgelegt werden.

Im dargestellten Beispiel, das die Herstellung eines Werkstückes mit U-förmigem Querschnitt veranschaulicht, befindet sich der isolierte Abschnitt P1 im unteren Teil der Abbildung 1, unterhalb der Nahtlinie 12, und er läuft beim fertiggestellten Werkstück (Abbildungen 7 und 8) in einen Flügel AI aus. Der gesamte Rest P2 der Bahn 10 unterläuft während des Formgebungsverfahrens eine Verformung, die zu einer scheinbaren Vergrößerung seines Durchmessers führt, wobei die Verlängerung auf das strenge Mindestmaß begrenzt ist, wie nachfolgend erläutert wird.

Die Nahtlinie 12 wird unter Verwendung von Garn desselben Materials wie die Fasern F1, F2 usw., aus denen die vorgefertigte Bahn 10 besteht, realisiert.

Gemäß einer nicht dargestellten Ausführung der Erfindung wird die Isolierung des nicht zu verformenden Abschnittes P1 der vorgefertigten Bahn 10 nicht durch eine oder mehrere Nähte gemäß Abbildung 1 erreicht, sondern dadurch, daß auf den entsprechenden Bereich der vorgefertigten Bahn eine oder mehrere Lagen mit Fasern aufgelegt werden, die in bezug auf die vorgefertigte Bahn in Längsrichtung verlaufen. Die Fasern dieser zusätzlichen Lagen, die von derselben Art wie die Fasern F1 und F2 sind, verhalten sich wie eine Zwinge und verhindern die Verformung des betreffenden Abschnitts P1 während der nachfolgenden Formgebungsprozesse.

Dasselbe Ergebnis kann ohne Nähte und ohne zusätzliche Längslagen von Fasern erreicht werden, indem der entsprechende Abschnitt der vorgefertigten Bahn auf mechanischem Wege fixiert wird, wenn die Bahn in die Formgebungsvorrichtung eingebracht wird. In bestimmten Fällen kann die letztgenannte Variante mit einer der voranstehend genannten kombiniert werden.

Wie auf sehr schematische Weise in Abbildung 2 dargestellt, wird die vorgefertigte Bahn 10, wenn sie für die Herstellung eines nicht geschlossenen Werkstückes verwendet wird, direkt in eine geeignete Formgebungsvorrichtung eingebracht, die eine zylindrische Oberfläche mit gerader Mantellinie und eine konvexe Krümmung von der Form des herzustellenden Werkstückes aufweist. Die Form dieser konvexen Krümmung mit gerader Mantellinie kann beliebig sein und insbesondere die geradlinigen Abschnitte sowie die mit verschiedenen Radien nach innen gekrümmten Bereiche umfassen. In der Mehrzahl der Fälle verläuft die Mantellinie dieser zylindrischen Fläche rechtwinklig zur Krümmung der Mantellinie, so wie in Abbildung 2 dargestellt.

Bei dem in Abbildung 3 dargestellten Fall, wo es sich bei dem herzustellenden Werkstück um ein geschlossenes Teil, wie z.B. um den geschlossenen Rahmen eines Flugzeugrumpfes, handelt, werden die beiden Enden der vorgefertigten Bahn 10 mittels einer oder mehrerer Nähte 14 miteinander verbunden, wobei diese Nähte beispielsweise in Zickzackform angebracht werden können. Die Nähte werden mit Garn realisiert, das mit dem Polymerisationsverfahren des Endproduktes kompatibel ist.

So wie für den Fall eines nicht geschlossenen Rahmens wird die vorgefertigte Bahn anschließend in eine geeignete Formgebungsvorrichtung mit zylindrischer Oberfläche, mit einer rechtwinkligen Mantellinie und einer konvexen Krümmung eingebracht, die die Form des herzustellenden Werkstückes aufweist.

In den Abbildungen 4a bis 4c ist eine erste Etappe der Anwendung einer Formgebungsvorrichtung dargestellt, die für die Herstellung eines Werkstückes mit U-förmigem Profil geeignet ist.

Die Formgebungsvorrichtung, die verallgemeinernd durch die Bezugsnummer 16 gekennzeichnet ist, umfaßt ein inneres, nicht verformbares Andruckteil 18, dessen äußere Oberfläche eine Zylinderform mit einer Mantellinienkrümmung aufweist, die parallel zur Innenoberfläche des herzustellenden Werkstückes verläuft.

Um den unteren Abschnitt des Innenandruckteils 18 herum befindet sich in einer Höhe, die der des Abschnittes P1 der vorgefertigten Bahn 10 entspricht, ein Unterlegklotz 20. Ein zunächst nicht aufgeblasener Balg 22 wird über dem Unterlegklotz 20 um das Andruckteil 18 herumgelegt. Die Stärke des Klotzes 20 entspricht der Dicke des Balges 22 im nicht aufgeblasenen Zustand. Die vorgefertigte Bahn 10 wird auf die voranstehend beschriebene Weise um den Unterlegklotz 20 und den aufblasbaren Balg 22 gelegt.

Um die vorgefertigte Bahn 10 herum und auf Höhe des Unterlegklotzes 20 wird ein Formgesenk 24 plaziert, das vorzugsweise gegen den Unterlegklotz 20 gedrückt wird, um den Abschnitt P1 während der Formgebung zu fixieren. Die obere Fläche des Formgesenks 24 sowie seine Innen- und Außenkanten geben eine Profilfläche 25 vor, die einer der Flächen des herzustellenden Profilteiles entspricht. Präziser ausgedrückt, weist diese Profilfläche einen konvexen Querschnitt in U-Form auf, der der konkaven Innenfläche des herzustellenden Werkstückes in U-Form entspricht.

Die in den Abbildungen 4a bis 4c dargestellte Formgebungsvorrichtung 16 umfaßt des weiteren eine festsitzende waagerechte Platte 26, die das Innenandruckteil 18 unmittelbar oberhalb der oberen Kanten der vorgefertigten Bahn 10 und des aufblasbaren Balges 22 umschließt.

In der Praxis wird zunächst die vorgefertigte Bahn 10 in das Formgesenk 24 eingebracht, danach der Balg 22 und daraufhin die Teile 18, 20 und 26, die diesen Balg von drei Seiten fixieren.

Die Formgebungsvorrichtung umfaßt des weiteren einen beweglichen Ring 28, der sich in vertikaler Richtung nach unten bewegt und der ursprünglich über der Innenfläche der Platte 26 sitzt. Dieser Ring 28 befindet sich etwas außerhalb des äußeren Randes des Formgesenks 24 und kann in seiner Form entweder zu der des Formgesenks passen oder aber entlang des äußeren Randes des Formgesenks gleiten.

Selbstverständlich bestehen bestimmte Komponenten der Formgebungsvorrichtung 16 aus mehreren Einzelteilen, damit diese Vorrichtung zusammengesetzt und wieder auseinandergebaut werden kann, so daß die vorgefertigte Bahn eingebracht werden kann und das fertige Formteil aus der Vorrichtung entnommen werden kann.

In der ersten Phase der Formgebung, die in den Abbildungen 4a bis 4c schrittweise dargestellt ist, wird das Werkstück durch Aufblasen des Balges 22 geformt. Zu diesem Zweck wird letzterer über eine Leitung 30 an eine Druckluftquelle (nicht dargestellt) angeschlossen.

Sobald man mit dem Aufblasen des Balges 22 beginnt (Abbildung 4b), wird dieser an drei Seiten durch das Innenandruckteil 18, den Unterlegklotz 20 und die obere Platte 26 fixiert. In Konsequenz dessen bewirkt das Aufblasen des Balges eine Verformung nach außen, so daß der Abschnitt P2 der vorgefertigten Bahn 10, der sich oberhalb des Abschnittes P2 befindet, schrittweise gegen die ebene obere Fläche des Formgesenks 24 gedrückt wird. Die vorgefertigte Bahn 10 wird nach und nach durch scheinbare Verlängerung in die gewünschte Profilform gedrückt, wobei die Fasern eine Lage einnehmen, die der beim Krümmen einer Bahn in ihrer Ebene mittels konischer Walzen entspricht, so wie im Dokument FR-A-88 10984 beschrieben.

Insbesondere ist es von Interesse, anzumerken, daß der obere Teil der vorgefertigten Bahn 10, der den äußeren Flügel AE des Profilteiles bilden soll (Abbildungen 7 und 8), nach Abschluß des Aufblasens des Balges 22 (Abbildung 4c) nach oben gefaltet ist und so gegen die zylindrische Innenfläche eines äußeren Andruckteiles 32 gedrückt wird, daß die Verlängerung dieses Abschnitts die Verlängerung des äußeren Flügels nur um die Stärke des Ringes 28 übersteigt.

In den Abbildungen 5a bis 5c ist eine Variante der Umsetzung der ersten Phase der Formgebung gemäß der Erfindung dargestellt. Bei dieser Variante umfaßt die Formgebungsvorrichtung ebenfalls ein inneres Andruckteil 18, einen Unterlegklotz 20, einen aufblasbaren Balg 22, ein Formgesenk 24, eine obere Platte 26, einen beweglichen Ring 28 und ein äußeres Andruckteil 32. Jedoch wird bei dieser Ausführung der Balg 22 vor Beginn des Formgebungsprozesses aufgeblasen, und die Platte 26 wird nicht fixiert, sondern sie ist beweglich und läßt sich nach unten verschieben, indem sie sich an das Formgesenk 24 annähert.

Somit erfolgt die Formgebung nicht durch das Aufblasen des Balges 22 sondern durch das Bewegen der Platte 26 nach unten, wie in den Abbildungen 5a bis 5c schrittweise dargestellt ist. Nach Abschluß dieser ersten Phase wird der mittlere Abschnitt der vorgefertigten Bahn 10 gegen die obere Fläche des Formgesenks 24 gedrückt und die Oberkante der vorgefertigten Bahn 10 ist nach oben ausgerichtet und wird gegen die innere Oberfläche des Andruckteiles 32 gedrückt (Abbildung 5c).

Nach Abschluß der ersten Formgebungsphase weist die vorgefertigte Bahn somit einen Querschnitt auf, der annähernd die Form eines Z hat, unabhängig von der Methode, wie man zu dieser Form gelangt ist. Um ein Werkstück zu erhalten, dessen Form einem U entspricht, ist es im Rahmen einer zweiten Phase erforderlich, unter Bezugnahme auf die Abbildungen 4c und 5c den oberen Rand der vorgefertigten Bahn 10 nach unten umzustülpen.

Bei der in den Abbildungen 6a bis 6c dargestellten Variante erfolgt dieser Arbeitsschritt dadurch, daß der bewegliche Ring 28 nach unten verschoben wird, nachdem der aufblasbare Balg 22 zumindest teilweise abgelassen wurde. Wie anhand der Abbildungen ersichtlich wird, gleitet der bewegliche Ring 28 innen am oberen Abschnitt der vorgefertigten Bahn 10 vorbei, welcher so gegen das äußeren Andruckteil 32 gedrückt wird, daß der Ring in dem Hohlraum in Kontakt mit der vorgefertigten Bahn tritt, der zwischen diesem oberen Abschnitt und dem mittleren Abschnitt gebildet wird, welcher gegen die obere Fläche des Formgesenks 24 gedrückt wird. Dadurch erfolgt ein schrittweises Nach-unten-Umstülpen des oberen Abschnitts der Bahn, ohne daß das Material zu irgendeinem Zeitpunkt über die Abmessungen hinaustritt, die dieser Abschnitt nach Abschluß der ersten Phase aufweist.

Nach Abschluß der zweiten Phase (Abbildung 6c) wird der obere Abschnitt der vorgefertigten Bahn 10 somit nach unten gegen den äußeren Rand des Formgesenks 24 gedrückt so daß sich der äußere Flügel AE des herzustellenden Werkstückes bildet.

Selbst auf Höhe des äußeren Flügels AE unterliegen die Fasern nur einer sehr begrenzten Querschnittsminderung.

Das Verfahren gemäß der Erfindung führt zum Verschwinden der Wellungen, die bei den bestehenden Verfahren erzeugt werden, und es ermöglicht den Übergang zur automatisierten Formung von Profilteilen komplexer Form. Des weiteren kommen die Vorzüge der verbesserten mechanischen Eigenschaften zur Geltung, die dadurch möglich werden, daß die Verformungen der Fasern so begrenzt wie möglich gehalten werden.

In den Abbildungen 7 und 8 ist der Verlauf der Profilteile PP1 und PP2 dargestellt, die mittels des Formgebungsverfahrens gemäß Erfindung realisiert wurden, wobei es sich in einem der Fälle um einen offenen und im anderen Fall um einen geschlossenen Rahmen handelt. Diese Werkstücke weisen beide einen U-förmigen Querschnitt auf sowie einen Innenflügel AI und einen Außenflügel AE, die auf die voranstehend beschriebene Weise hergestellt worden sind.

Um die fertiggestellten Werkstücke zu versteifen, werden sie auf die übliche Art und Weise in einen Trockenofen eingebracht, in dem die Polymerisation des Kunstharzes abgeschlossen wird.

Es läßt sich problemlos erkennen, daß das Formgebungsverfahren gemäß Erfindung nicht auf die Herstellung von Werkstücken mit U-förmigem Querschnitt beschränkt ist. Vielmehr können die Werkstücke des weiteren die Form eines L, eines Z, eines I, eines Ω usw. aufweisen, wobei diese nicht erschöpfende Aufzählung nur zur Veranschaulichung dient.

Die Herstellung eines Werkstückes mit der Form eines L erfolgt unter Verwendung einer Formgebungsvorrichtung, die derjenigen ähnelt, die in den Abbildungen 4a bis 4c und 5a bis 5c dargestellt ist, mit Ausnahme des beweglichen Ringes 28 und des äußeren Andruckteiles 32, die weggelassen werden können. Somit ist die Formgebung auf das Andrücken des oberen Teiles P2 der vorgefertigten Bahn 10 an den oberen Abschnitt des Formgesenks 24 beschränkt, das auf die eine oder andere der oben unter Bezugnahme auf die Abbildungen 4a bis 4c und 5a bis 5c beschriebenen Methoden erfolgt. Sobald diese Phase der Formgebung abgeschlossen ist, wird der gesamte obere Teil der vorgefertigten Bahn auf die obere Fläche des Formgesenks 24 umgeschlagen, so daß das Werkstück den gewünschten L-förmigen Querschnitt erhält.

Für den Fall, daß der Querschnitt des herzustellenden Werkstückes die Form eines Z aufweisen soll, entsprechen die Formgebungsvorrichtung und ihre Anwendung den voranstehend für die Herstellung von Werkstücken mit L-förmigem Querschnitt beschriebenen, wobei jedoch ein äußeres Andruckteil 32 hinzugefügt wird. Des weiteren ist die Breite des oberhalb des Formgesenks 24 befindlichen Abschnittes der vorgefertigten Bahn 10 größer als die obere Fläche des Formgesenks. Die Formgebung, die entweder durch Aufblasen des Balges 22 oder durch Verschieben der oberen Platte 26 erfolgt, bewirkt somit ein Andrücken des oberen Endes der vorgefertigten Bahn gegen die Innenfläche des äußeren Andruckteils, wodurch das Werkstück die gewünschte Z-Form erhält.

Um ein Werkstück mit der Form eines I zu erhalten, werden zwei symmetrische Werkstücke mit U-förmigem Querschnitt hergestellt, die anschließend Rückseite an Rückseite zusammengefügt werden.

Diese allgemeinen Formen des Querschnitts von Werkstücken, die mittels des Verfahrens gemäß Erfindung hergestellt werden, werden selbstverständlich nur aus Gründen der Veranschaulichung angegeben. Insbesondere kann es der Fall sein, daß die obere Fläche des Formgesenks 24 nicht absolut eben ist, um dem herzustellenden Werkstück eine spezielle Querschnittsform zu verleihen.

In Abbildung 9 ist auf sehr schematische Weise eine Formgebungsvorrichtung 16a dargestellt, die gemäß Erfindung die Herstellung konvexer, nicht entfaltbarer Profiltteile aus Verbundwerkstoff ermöglicht, die die Form eines Ω aufweisen, dessen konkaver Teil nach außen zeigt. Im linken und im rechten Teil der Abbildung 6 ist die Vorrichtung 16a vor bzw. nach dem Formgebungsschritt dargestellt.

Diese Formgebungsvorrichtung 16a umfaßt ein inneres Formgesenk 24a, das im Querschnitt eine äußere Profilfläche 25a aufweist, deren Form das Gegenstück zur Form des herzustellenden Werkstückes darstellt. Zunächst wird die vorgefertigte Bahn 10 in der weiter oben beschriebenen Position um das Formgesenk 24a herum plaziert, d.h. um eine zylindrische Fläche mit rechtwinkliger Mantellinie und einer konvexen Krümmung herum, die der Form des herzustellenden Werkstückes entspricht. Um die vorgefertigte Bahn 10 herum wird ein aufblasbarer Balg 22a plaziert, der zunächst nicht aufgeblasen ist, sowie des weiteren ein äußeres Andruckteil 32a, dessen Innenfläche eine zylindrische Form aufweist, die das Gegenstück zu der Form ist, die das aus der vorgefertigten Bahn 10 herzustellende Werkstück bei nahezu abgelassenem Balg 22a aufweist.

In diesem Fall wird die Formgebung dadurch erreicht, daß der Balg 22a aufgeblasen wird, so daß die vorgefertigte Bahn gegen das Formgesenk 24a gedrückt wird, so wie in der rechten Hälfte von Abbildung 9 dargestellt.

Um ein Werkstück mit einer solchen Form herzustellen, werden beide Seitenränder der Bahn 10 entweder durch eine Naht oder durch eine in Längsrichtung verlaufende Faserbahn fixiert, ehe die Bahn in die Formgebungsvorrichtung eingebracht wird. Allerdings wird mindestens einer dieser beiden Seitenränder im Innern der Formgebungsvorrichtung frei gelassen, damit sich die Fasern verformen können und gegen die Profilfläche des Formgesenks 24a drücken.

Bei Abschluß der Formgebung erhält man ein Profilteil, das insbesondere die Form eines offenen oder die eines geschlossenen Rahmens aufweisen kann, so wie in Abbildung 10 für PP3 dargestellt. Dieser Rahmen weist einen Querschnitt in Form eines Ω auf, dessen konkaver Teil nach außen zeigt.

Zur Herstellung eines Profilteiles, dessen Querschnitt die Form eines Ω mit nach innen zeigendem konkaven Teil aufweist, verwendet man eine Formgebungsvorrichtung 16b (Abbildung 11), die mit derjenigen vergleichbar ist, welche unter Bezugnahme auf die Abbildung 9 beschrieben wurde, allerdings mit dem Unterschied, daß die durch die einander gegenüber liegenden Flächen der Teile 24a und 32a gebildeten Formen ausgetauscht wurden.

Präziser ausgedrückt, umfaßt die Vorrichtung 16b gemäß Abbildung 11 ein inneres Andruckteil 19b mit einer zylindrischen Außenfläche, die eine rechtwinklige Mantellinie und eine konvexe Krümmung aufweist, die bei nahezu vollständig aufgeblasenem Balg 22 der konvexen Krümmung der vorgefertigten Bahn 10 entspricht, wenn diese in die Formgebungsvorrichtung eingebracht wird. Des weiteren umfaßt die Formgebungsvorrichtung 16b ein Formgesenk 24b, dessen Profilinnenfläche 25b das Gegenstück zur Außenfläche des herzustellenden Werkstückes darstellt.

Die Herstellung des Werkstückes entspricht ansonsten dem voranstehend unter Bezugnahme auf die Abbildung 9 beschriebenen Verfahren, d.h. die Formgebung erfolgt direkt durch Aufblasen des Balges 22b, der gegen das Andruckteil 18b und die vorgefertigte Bahn 10 drückt, so wie in der rechten Hälfte von Abbildung 11 dargestellt.

In Abbildung 12 ist ein Profilteil PP4 dargestellt, das mittels Formgebung durch die Vorrichtung 16b in Abbildung 11 hergestellt wurde.

Selbstverständlich wird die Formgebungsvorrichtung für die Herstellung von Werkstücken mit anderen Querschnitten an den jeweiligen Querschnitt angepaßt, ohne daß dadurch der Geltungsbereich der Erfindung verlassen wird.

Desgleichen ist anzumerken, daß die Verwendung eines oder mehrerer aufblasbarer Bälge zwar eine besonders vorteilhafte Variante der Umsetzung der Erfindung darstellt, jedoch nicht als Einschränkung verstanden werden darf. Das Formgebungsverfahren basiert vielmehr im wesentlichen auf der Verwendung geeigneter Bahnen aus vorimprägnierten, vorzugweise, jedoch nicht einschränkend, mit einem Winkel von annähernd α kreuzweise übereinander liegenden Fasern, die verformt werden, wenn in senkrechter Richtung Druck auf ihre Oberflächen ausgeübt wird. Diese Druckeinwirkung, die die Formung der Bahn ermöglicht, welche ursprünglich in zylindrischer Form eingebracht wurde, kann insbesondere auch durch Walzen oder durch direkte Ausübung von pneumatischem Druck auf die vorgefertigte Bahn erfolgen.

Wie bereits weiter oben erwähnt, ermöglicht das Formgebungsverfahren gemäß Erfindung eine schnelle, einfache und gegebenenfalls automatisierte Herstellung konvexer, nicht entfaltbarer Profilteile aus Verbundwerkstoff, wobei an der ursprünglichen vorgefertigten Bahn lediglich diejenigen Verformungen vorgenommen werden, die für die Formgebung unbedingt erforderlich sind, im Gegensatz zu den bestehenden Verfahren. Insbesondere verhindert dies das Aufflammen der Fasern, das zur Wellung der Fasern führt und bei den hergestellten laminierten Werkstücken den Verlust aller Eigenschaften in bezug auf die Steifigkeit und die Faserbeständigkeit bewirkt.

Desgleichen läßt sich feststellen, daß die Realisierung des Verfahrens gemäß Erfindung entweder auf kontinuierliche oder auf diskontinuierliche Weise erfolgen kann und daß die Formgebungsvorrichtung Heizelemente beinhalten kann, durch die der Produktionstakt erhöht werden kann.


Anspruch[de]

1. Formgebungsverfahren für konvexe, nicht entfaltbare Profilteile aus Verbundwerkstoff ausgehend von einer flachen, vorgefertigten Bahn (10), die aus mit Harz vorimprägnierten Fasern besteht, welche in mindestens zwei verschiedene, nicht längs verlaufende Richtungen ausgerichtet sind, dadurch gekennzeichnet, daß:

- die vorgefertigte Bahn in eine Formgebungsvorrichtung (16,16a,16b) entsprechend einer zylindrischen Oberfläche eingelegt wird, welche eine geradlinige Mantellinie und eine konvexe Leitkurve besitzt, die die Form des herzustellenden Werkstückes aufweist, wobei diese Vorrichtung ein Formgesenk (24, 24a, 24b) besitzt, die eine Profilfläche (25, 25a, 25b) aufweist, welche einen Komplementärquerschnitt des herzustellenden Werkstückes hat; und

- die Profilfläche des Formgesenks gegen die vorgefertigte Bahn (10) gepreßt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest teilweise die vorgefertigte Bahn (10) gegen die Profilfläche mit Hilfe eines aufblasbaren Balges (22, 22a, 22b) gedrückt wird, welcher auf der anderen Seite der vorgefertigten Bahn und in Bezug auf die Profilfläche gegenüber mindestens einem zu verformenden Teil (P2) dieser Bahn angebracht ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgefertigte Bahn (10) durch Aufblasen des aufblasbaren Balges (22, 22a, 22b) gegen die Profilfläche gepreßt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgefertigte Bahn (10) nach dem Aufblasen des Balges (22) durch Verformung desselben mit Hilfe eines beweglichen Teils (26) der Formgebungsvorrichtung gegen die Profiloberfläche gepreßt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man, nachdem ein mittlerer Teil der vorgefertigten Bahn (10) gegen die Profiloberfläche (25) mit Hilfe des aufblasbaren Balges (22) gepreßt wurde, einen äußeren Rand des Werkstückes durch Umkanten dieses Randes an der Profilfläche mit Hilfe eines beweglichen Ringes (28) der Formgebungsvorrichtung formt, wobei sich dieser Ring fast genau parallel in Bezug auf die genannte geradlinige Mantellinie verschiebt und das zu verformende Material entlang dieses beweglichen Ringes gleitet.

6. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß, bevor die vorgefertigte Bahn (10) in die Formgebungsvorrichtung (16, 16a, 16b) eingelegt wird, diese Bahn vorgepreßt wird.

7. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man, ausgehend davon, daß das herzustellende Werkstück ein geschlossener Rahmen ist, zwischen ihnen die beiden Enden der vorgefertigten Bahn (10) mit Hilfe von mindestens einer Naht (14) verbindet, bevor die genannte Bahn in die Formgebungsvorrichtung (16, 16a, 16b) eingelegt wird.

8. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgefertigte Bahn (10) mindestens einen nicht zu verformenden Abschnitt (P1) besitzt, der durch mechanisches Festklemmen in der Formgebungsvorrichtung (16, 16a, 16b) gehalten wird, während die vorgefertigte Bahn gegen die Profilfläche gepreßt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß vorgefertigte Bahn (10) mindestens einen nicht zu verformenden Abschnitt (P1) besitzt, an dem mindestens eine Längsnaht (12) angebracht wird, bevor die vorgefertigte Bahn in die Formgebungsvorrichtung eingelegt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgefertigte Bahn (10) mindestens einen nicht zu verformenden Abschnitt (P1) besitzt, welcher mit Hilfe von mindestens einer Lage aus in Bezug auf die vorgefertigte Bahn längs ausgerichteten Fasern verstärkt wird, bevor die vorgefertigte Bahn in die Formgebungsvorrichtung eingelegt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte, nicht zu verformende Abschnitt der vorgefertigten Bahn einem inneren Rand (Al) des herzustellenden Werkstückes entspricht, wobei die vorgefertigte Bahn nach außen gegen die Profilfläche (25) des Formgesenkes gepreßt wird.







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