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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft Werkzeuge zur Herstellung faserverstärkter Bauteile in einem Autoklav- oder Ofenprozess. Mögliche Anwendungen sind die Fertigung von Bauteilen, bei denen ein Temperatureintrag und/oder die Ableitung von Wärme im Wesentlichen über das Umgebungsmedium erfolgt. Hierzu gehören beispielsweise viele große Schalenstrukturen im Flugzeugbau wie Rumpf-, Flügel- und Leitwerksschalen.
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Hintergrund der Erfindung
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Bei der Herstellung von Faserverbundwerkstoffen wird eine Mehrzahl an Lagen aus Fasermaterial übereinander geschichtet und anschließend ausgehärtet was auch als Konsolidieren bezeichnet wird. Das Aushärten wird ermöglicht durch ein Matrixmaterial. Dieses kann reaktives Harz sein (thermoset) oder ein nicht reaktiver schmelzbarer Kunststoff findet Verwendung (Thermoplast). Entweder befindet sich das Matrixmaterial bereits auf den Fasern (so genannte Prepregs) oder das Matrixmaterial wird in das Fasermaterial injiziert.
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Die Lagen aus Fasermaterial können auf einer Werkzeugoberfläche abgelegt werden, beispielsweise in Form von Prepregs. Dies kann händisch oder mit automatisierten Ablegeeinheiten erfolgen. Diese Werkzeugoberfläche bildet die Kontur des zu fertigenden Bauteils ab und ist auf der Unterseite durch eine Versteifungsstruktur gestützt, um seine Form auch bei Ablegen, Transport, Aushärtung und Reinigung zu bewahren. Diese Versteifungsstruktur wird auch als Eierkarton oder Rippenwald bezeichnet und wird in der Regel fachwerkartig oder aus kreuzweise miteinander verschweißten Blechen mit Aussparungen, durch die eine fachwerkartige Struktur entsteht, gebildet. Als Material kommt dabei oft ein hinsichtlich seiner Wärmeausdehnung optimierter Stahl zum Einsatz, beispielsweise Invar-Derivate. Die Bauweise des Werkzeugs ermöglicht eine Fertigung aus vergleichsweise günstigen Blechzuschnitten. Als Material kann auch CFK verwendet werden. Weiter werden CFK-Stabkonstruktionen verwendet. All diese Bauweisen können im Autoklavprozess, bei dem die Bauteile in einem grob zylinderförmigen Strömungskanal, einem mit Überdruck beaufschlagtem zylindrischen Behälter, positioniert werden dazu führen, dass die unmittelbare Umgebung des Werkzeugs und die Unterstruktur weniger schnell umströmt werden, als ungestörte Bereiche fern des Bauteils. Ursache für diese schlechtere Umströming kann ein hoher Widerstandbeiwert zur Strömung in Folge der Rippen- und/oder Blechkonstruktion sein. Der dadurch bedingte verringerte Wärmeübergang in bzw. aus dem Bauteil bremst den Aufheiz- und Abkühlvorgang. Zusätzlich ist die Wärmeleitfähigkeit von Invar-Legierungen relativ klein im Vergleich zu guten Wärmeleitern (-10-20 W/(mK) im Vergleich zu -350 W/(mK) für Kupfer). In Kombination kann dies dazu führen, dass besonders bei zusätzlicher Verwendung von dicken Druckstücken oder dicken Bauteilen Abkühlung und Aufheizung, besonders im Zentrum des Werkzeugs also in großer Entfernung von schnell umströmten Randbereichen oder in sehr dicken Bereichen von Tool oder Bauteil sehr langsam ablaufen.
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Dies kann zu sehr langen Aufheiz- und Abkühlphasen führen, da üblicherweise das langsamste, also das am weitesten hinter der Fluidtemperatur nacheilende Thermoelement am Bauteil ausschlaggebend für die Steuerung des Aushärtezyklus entscheidend ist. Dadurch kann eine Verlängerung der einzelnen Temperierungsphasen resultieren.
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Derzeit üblicherweise angewandte Gegenmaßnahmen nutzen in der Regel entweder aktive Heizelemente oder Leitbleche, die den Luftstrom höherer Geschwindigkeit an die Oberfläche zwingen und so den Wärmeübergang verbessern. Diese können eine Reihe von Nachteilen aufweisen wie eine nur lokale Verbesserung des Wärmeübergangs, technische Anfälligkeit und Mehraufwände während der Produktionsprozesse
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Beschreibung der Erfindung
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Es hat sich nun für den Fachmann völlig überraschend herausgestellt, dass ein Werkzeug zur Herstellung von Bauteilen aus Faserverbundwerkstoffen in temperierten Räumen umfassend eine Auflagefläche für ein Bauteil und eine Tragstruktur wobei zusätzlich eine Schicht auf der dem Werkzeug abgewandten Seite der Auflagefläche angebracht ist und die Schicht im Wesentlichen aus einem Material besteht, das gegenüber dem Material der Auflagefläche eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist den Nachteilen des Standes der Technik abhilft. Dabei können temperierte Räume Autoklaven, Öfen, Wärmeboxen, Warmluftzelte oder ähnliches sein. Die Schicht kann aus Kupfer oder Aluminium sein. Kupfer ist erfindungsgemäß bevorzugt. Durch die Erfindung wird ein Werkzeug für die Fertigung von Faserverbundbauteilen bereitgestellt, dessen mechanische und funktionale Eigenschaften zwar wie bei herkömmlichen Werkzeugen durch eine Konstruktion aus Metallen ausreichender Eigenschaften für die Anforderungen der Fertigung erreicht werden. Es erlaubt eine Verbesserung von Wärmeeintrag, Wärmeabführung und Temperaturverteilung durch Verwendung eines im Vergleich zum strukturellen Material besseren Wärmeleiters. Weiter wird die Verteilung und Einbringung bzw. der Abtransport der Wärme verbessert. Durch die Erfindung wird eine Verbesserung der Wärmeein- und -ableitung und zur Reduzierung der Temperaturunterschiede in der Fläche erreicht. Durch den erhöhten Wärmefluss in bzw. aus dem Werkzeug bei gleichen Bedingungen im Fluid und einen verringerten absoluten Temperaturunterschied über die Fläche des Bauteils werden die Aufheiz- und Abkühlphase verkürzt und die Qualität der Bauteile verbessert. Weiter können die Prozesszeiten verringert werden. Bevorzugt ist es, wenn zusätzlich eine Schicht auf der dem Werkzeug abgewandten Seite der Auflagefläche angebracht ist und die Schicht im Wesentlichen aus einem Material besteht, das gegenüber dem Material der Auflagefläche eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist und die Schicht nicht in allen Bereichen der Unterseite der Auflagefläche angebracht ist. Vorteilhaft wird die Schicht insbesondere oder nur in Bereichen vorgesehen, die einen höheren Bedarf an Wärmetransport haben, etwa besonders dicke Bereiche des Bauteils, kompliziert ausgeformte Bereiche. Durch eine solche lokale Verbesserung der Wärmeleitung durch Aufbringen eines besseren Wärmeleiters auf der Werkzeugunterseite, etwa in Bereichen großer Dicke oder in Bereichen mit Druckstücken auf der Bauteilseite erfordern solche Bereiche des Bauteils keine gegenüber den übrigen Bereichen des Bauteils stark verlängerte Aufenthaltszeit im temperierten Raum mehr. Bevorzugt ist es, wenn die Schicht in Bereichen der Unterseite der Auflagefläche angebracht ist, die zusammen genommen nicht mehr als 80% der Unterseite der Auflagefläche ausmachen. Weiter ist es bevorzugt, wenn die Schicht in Kantenbereichen so angebracht ist, dass sie über die Auflagefläche hinausragt, die Schicht zusätzlich an Teilen der Tragstruktur angebracht ist und mit der Schicht auf der Unterseite der Auflagefläche wärmeleitend verbunden ist, und/oder dass die Schicht zusätzlich in Form eines oder mehrerer Wärmetauscher an Teilen der Auflagefläche so angebracht ist, dass sie mit der Schicht auf der Unterseite der Auflagefläche wärmeleitend verbunden ist. Dadurch kommt es zu einer Vergrößerung der Flächen in schnell umströmten Bereichen, z.B. durch Vergrößerung der nicht vom Bauteil bedeckten Flächen am Rand der Struktur. Auch eine Ergänzung von als Wärmetauschern dienenden Strukturen über das ganze Bauteil oder in kritischen Bereichen ist von Vorteil, wie etwa am Rand des Werkzeugs oder auf dessen Oberseite (d.h. in schnell durchströmtes Volumen ragend), auf der Oberseite des Bauteils und/oder verwendeter Druckplatten, insbesondere wenn der Vakuumaufbau dies ermöglicht, in der Unterstruktur, insbesondere wenn diese schnell durchströmt wird. Möglich ist auch die Verwendung der Unterstruktur selbst sowie von an dieser angebrachten zusätzlichen Wärmetauschern durch Verbesserung von deren Wärmeleitfähigkeit, etwa durch die beschriebene Aufbringung eines besseren Wärmeleiters oder durch lokale (und damit für die Wärmeausdehnung des Gesamtwerkzeugs unkritische) Substitution des Materials der Unterstruktur. Für alle Varianten ist es von entscheidender Bedeutung, dass bei Einbringung der zusätzlichen Elemente deren eigene Wärmekapazität berücksichtigt wird, um einen positiven Effekt auf das Gesamtsystem abzusichern. Bevorzugt ist es weiter, wenn die Wärmeleitfähigkeit des Materials der Schicht gegenüber der Auflagefläche um wenigstens 200% erhöht ist, gemessen bei 180°C. Besonders bevorzugt ist es wenn die Schicht im Wesentlichen aus Kupfer oder Aluminium besteht. Bei großflächiger Verwendung ist ein Ausgleich der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten durch verschiedene Maßnahmen möglich, z.B. geringe Dicke/Steifigkeit im Vergleich zum strukturellen Stahl, lokale Schwächung durch Perforation oder Dehnungsfugen nachempfundene Bereiche, wobei diese mit möglichst hoch wärmeleitendem Material gefüllt werden sollten, etwa mit hoch gefüllten Polymeren. Auch Materialkombinationen sind möglich. Die Verbindung zwischen den hoch leitfähigen Elementen und dem niedrig leitfähigen Metall der Werkzeugstruktur kann dabei durch Maßnahmen wie hoch leitfähige Klebungen, Metall-MetallVerbindungen wie Löten, punktuelle Verbindung, z.B. Schrauben, in Verbindung mit Wärmeleitpaste.
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Ganz bevorzugt ist es, wenn im Fall von Wärmetauscherblechen diese so gestaltet sind, dass sie zusätzlich den Fluss des wärmetragenden Fluids in seiner Geschwindigkeit und/oder in seiner Richtung zu beeinflussen. Durch Verringerung des Fluidstroms kann eine verbesserte Wärmenutzung erreicht werden, da die Wärmeübertragung effektiver wird. Außerdem kann der Fluidstrom durch die Wärmetauscherbelche hin zu schlecht durchströmten Bereichen geleitet werden, um dort einen verbesserten Wärmeaustausch zu erreichen.
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Die oben beschriebenen Aspekte und weitere Aspekte, Merkmale und Vorteile der Erfindung können ebenfalls aus den Beispielen der Ausführungsformen entnommen werden, welche im Folgenden unter Bezugnahme auf die anhängenden Zeichnungen beschrieben werden.
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Figurenliste
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- 1 zeigt das Konsolidieren eines großen schalenartigen Faserverbundbauteils, 2 zeigt ein Schnitt durch Werkzeugunterstruktur, dem darauf positionierte Werkzeug mit Bauteil und dort vorherrschende Bereiche unterschiedlicher Strömungsgeschwindigkeiten des Wärmeträgerfluids, 3 und 4 zeigen vereinfachte Darstellungen erfindungsgemäßer Werkzeuge.
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In den Figuren werden gleiche Bezugszeichen für gleiche oder zumindest ähnliche Elemente, Komponenten oder Aspekte verwendet. Es wird angemerkt, dass im Folgenden Ausführungsformen im Detail beschrieben werden, die lediglich illustrative und nicht beschränkend sind.
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Detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt das Konsolidieren eines großen schalenartigen Faserverbundbauteils. Die Werkzeugunterstruktur (1) und das darauf positionierte Werkzeug mit Bauteil (2) werden in einen Autoklaven (4) positioniert. Durch das die Werkzeugunterstruktur (1) und Werkzeug samt Bauteil (2) umströmende Fluid (3) innerhalb des Autoklaven (4) erfolgen Wärmeeintrag bzw. -abtransport während Aufheiz- bzw. Abkühlphasen.
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2 zeigt ein Schnitt durch Werkzeugunterstruktur (1) und dem darauf positionierte Werkzeug mit Bauteil (2). Dargestellt sind unterschiedliche Bereiche in denen das Fluid bzw. das als Fluid verwendete Gas, etwa entstickstoffte Luft unterschiedlich schnell fließt: in oberflächenfernen Bereichen und Kantenbereichen (6) ist die Fließgeschwindigkeit des Fluids höher, als in Bereichen (5) der Substruktur des Wekzeugs und oberflächenah am Bauteil und Werkzeug. In den Bereichen (6) mit höherer Fließgeschwindigkeit des Fluids ist die Wärmeübertragung besser, als in den Bereichen (5).
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3 zeigt eine vereinfachte Darstellung erfindungsgemäßer Werkzeuge. Auf der Werkzeugunterstruktur (1) ist die Werkzeugfläche (8) angeordnet. Diese kann eine flächige Schicht (7) auf der Unterseite der Werkzeugfläche (8) sein. Weist dessen Material eine hohe Wärmeleitzahl auf, so kann der Wärmeeintrag verbessert werden. Auch durch eine Vergrößerung (9) stark umströmter Bereiche oder durch zusätzliche Wärmetauscher (10) aus einem Material mit hoher Wärmeleitzahl insbesondere in Bereichen hoher Strömungsgeschwindigkeit kann der Wärmeeintrag verbessert werden. Die flächige Schicht (7), eine Vergrößerung stark umströmter Bereiche (9) und zusätzliche Wärmetauscher (10) können einzeln, jeweils als Mehrzahl oder in Kombination miteinander vorgesehen werden.
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zeigt eine vereinfachte Darstellung weiterer Ausführungsformen erfindungsgemäßer Werkzeuge. Auf der Werkzeugunterstruktur (1) ist die Werkzeugfläche (8) angeordnet. Diese kann eine Mehrzahl flächiger Schichten (7) aus einem Material mit hoher Wärmeleitzahl auf der Unterseite der Werkzeugfläche (8) aufweisen. Diese können insbesondere in Bereichen angeordnet sein, in denen die Substruktur den Wärmeeintrag erschwert oder aufgrund der Konstruktion des Bauteils einen besonders hohen Wärmeeintrag erfordert. In Bereichen sein, in denen die Substruktur den Wärmeeintrag erschwert kann eine Schicht (11) aus einem Material mit hoher Wärmeleitzahl auf der Substruktur (1) selbst angeordnet sein. Weiter können in Bereichen der Substruktur des Werkzeugs, in denen eine geringere Stömungsgeschwindigkeit des Wärme tragenden Fluids vorherrscht, ebenfalls zusätzliche Wärmetauscher (12) aus einem Material mit hoher Wärmeleitzahl vorgesehen sein. Durch all das kann der Wärmeeintrag verbessert werden. Die Mehrzahl flächiger Schichten (7), eine Schicht (11) auf der Substruktur (1) selbst und Wärmetauscher (12) in Bereichen der Substruktur des Werkzeugs können einzeln, jeweils als Mehrzahl oder in Kombination miteinander vorgesehen werden.
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Während die Erfindung illustriert und beschrieben wurde im Detail in den Zeichnungen und der vorangegangenen Beschreibung, ist es beabsichtigt, dass derartige Illustrationen und Beschreibungen lediglich illustrativ oder exemplarisch und nicht restriktiv sind, so dass die Erfindung nicht durch die offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist. In den Ansprüchen schließt das Wort „aufweisend“ nicht andere Elemente aus und der unbestimmte Artikel „ein“ schließt eine Mehrzahl nicht aus.
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Alleinig der Umstand, dass bestimmte Merkmale in verschiedenen abhängigen Ansprüchen genannt sind, beschränkt nicht den Gegenstand der Erfindung. Auch Kombinationen dieser Merkmale können vorteilhaft eingesetzt werden. Die Bezugszeichen in den Ansprüchen sollen nicht den Umfang der Ansprüche beschränken.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Werkzeugunterstruktur
- 2
- Werkzeug mit Bauteil
- 3
- Fluid
- 4
- Autoklav
- 5
- Bereiche der Substruktur des Werkzeugs
- 6
- Bereiche mit höherer Fließgeschwindigkeit des Fluids
- 7
- flächige Schicht
- 8
- Werkzeugfläche
- 9
- Vergrößerung stark umströmter Bereiche
- 10
- Wärmetauscher in stark umströmten Bereichen
- 11
- Schicht auf der Substruktur
- 12
- Wärmetauscher im Bereich der Substruktur