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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines Bauteils, insbesondere eines Land-, Wasser- oder Luftfahrzeugs oder eines Rotorblatts einer Windenergieanlage, bei dem man eine Anordnung aus Fasern und Kunststoff in eine Form einlegt und mit erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur beaufschlagt, wobei man eine Form verwendet, die mindestens eine Ausnehmung aufweist, in der man ein Verstärkungselement anordnet.
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Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Bauteils, insbesondere eines Land-, Wasser- oder Luftfahrzeugs oder eines Rotorblatts einer Windenergieanlage, mit einer Form, die eine Anlagefläche und eine Ausnehmung in der Anlagefläche aufweist, wobei der Anlagefläche benachbart eine Presskrafterzeugungseinrichtung angeordnet ist.
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Wenn die Anordnung aus Fasern und Kunststoff mit erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur beaufschlagt wird, schmilzt der Kunststoff auf und bildet dann eine Wand oder „Haut“, die durch einen faserverstärkten Kunststoff gebildet ist. Wenn diese Haut beispielsweise als Halbschale ausgebildet ist, dann kann man zwei derartige Halbschalen verwenden, um einen Rumpf oder eine Kabine eines Fahrzeugs zu bauen.
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Das Verstärkungselement dient dazu, diese Haut zu verstärken, insbesondere zu versteifen. Das Verstärkungselement ist ebenfalls aus Fasern und Kunststoff gebildet.
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Wenn nun die Anordnung aus Fasern und Kunststoff in der Form mit erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur beaufschlagt wird, dann schmilzt nicht nur der Kunststoff der Anordnung auf, sondern auch das Verstärkungselement wird thermisch beaufschlagt und erfährt eine Temperaturerhöhung, die bis zu einem Erweichen oder sogar Schmelzen des Kunststoffs des Verstärkungselements führen kann. Dies ist unkritisch, solange die Form der Ausnehmung der Form des Verstärkungselements entspricht.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, gewisse Freiheiten bei der Wahl eines Verstärkungselements zu haben.
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Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass man das Verstärkungselement gemeinsam mit einem Kern in der Ausnehmung anordnet.
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Der Kern stützt dann bei dem Beaufschlagen der Anordnung aus Fasern und Kunststoff das Verstärkungselement und verhindert, dass sich das Verstärkungselement über ein gewisses Maß hinaus verformt. In Abhängigkeit von der Wahl des Kerns kann man eine Verformung des Verstärkungselements relativ weitgehend verhindern. Wenn der Erzeugungsvorgang abgeschlossen ist, d.h. die Temperatur und der Druck abgesenkt worden sind, kann man die Haut mit dem Verstärkungselement aus der Form entnehmen und danach den Kern ebenfalls entnehmen. Als Fasern werden bevorzugterweise Kohlefasern verwendet. Auch die Verwendung von Glasfasern oder anderen hoch zugbeanspruchbaren Fasern ist möglich. Als Kunststoff wird bevorzugterweise ein thermoplastischer Kunststoff verwendet, insbesondere Polyamid, beispielsweise PA6. Dies gilt sowohl für die Anordnung aus Fasern und Kunststoff als auch für das Verstärkungselement.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass man einen Kern verwendet, der eine Querschnittsform aufweist, die an einen freien Querschnitt angepasst ist, der sich nach dem Einlegen des Verstärkungselements in die Ausnehmung ergibt. Je genauer die Querschnittsform der Form an den freien Querschnitt angepasst ist, desto geringer ist eine mögliche Verformung. Die Übereinstimmung von Querschnittsform und freiem Querschnitt muss allerdings nicht genau sein.
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Vorzugsweise verwendet man einen Kern mit einem veränderlichen Volumen. In vielen Fällen werden Verstärkungselemente, auch als „Stringer“ bezeichnet werden, verwendet, die als Halbzeug erhältlich sind. Derartige Stringer haben eine relativ große Toleranz, d.h. ihre Außenabmessungen unterscheiden sich merklich. Um auch bei relativ großen Unterschieden zwischen einzelnen Stringern das Erzeugen der Bauteile gleichartig vornehmen zu können, wird ein Kern mit einem veränderlichen Volumen verwendet. Durch das veränderliche Volumen des Kerns kann man Toleranzen bei verschiedenen Stringern Rechnung tragen. Auch hierbei ist bevorzugt, dass man einen Kern verwendet, der eine Querschnittsform aufweist, die an einen freien Querschnitt angepasst ist, der sich nach dem Einlegen des Verstärkungselements in die Ausnehmung ergibt. Je genauer die Querschnittsform der Form an den freien Querschnitt angepasst ist, desto geringer ist eine mögliche Verformung. So kann es beispielsweise bevorzugt sein, dass die Querschnittsform einer verkleinerten Kopie des freien Querschnitts entspricht, wobei sich zwischen Querschnittsform und freiem Querschnitt ein umlaufender Abstand ausbildet, der bereichsweise Größen zwischen 0,05 mm und 0,65 mm aufweist.
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Hierbei ist bevorzugt, dass man als Kern einen Körper mit einem Hohlraum verwendet, den man mit Druck beaufschlagt. Der Körper erstreckt sich parallel zu dem Verstärkungselement und hat dementsprechend eine gewisse Länge. Der Einfachheit halber wird ein derartiger Körper im Folgenden als „Schlauch“ bezeichnet. Wenn man den Schlauch mit Druck beaufschlagt, kann er das Verstärkungselement in der Ausnehmung unterstützen, so dass bei der Beaufschlagung der Anordnung aus Fasern und Kunststoff mit erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur eine Verformung des Verstärkungselements weitgehend auszuschließen ist.
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Vorzugsweise verwendet man einen Körper, der zumindest entlang seines Umfangs dehnbar ist. Der Körper kann also einen Querschnitt haben, der etwas kleiner ist als der freie Querschnitt. Wenn der Körper dann mit Druck beaufschlagt wird, dehnt er sich aus oder expandiert solange, bis er das Verstärkungselement mit Druck beaufschlagen kann. Dazu kann es bevorzugt sein, dass der Körper um etwa 0,2 % bis etwa 2,2%, insbesondere reversibel, gedehnt wird.
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Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass man einen Körper verwendet, der vor der Druckbeaufschlagung mindestens eine Falte aufweist, die sich entlang der Längserstreckung des Körpers erstreckt, was beispielsweise aber auch einen spiralförmigen Umlauf umfassen kann. Die Falte erlaubt dann eine Ausdehnung des Körpers über seine Dehnbarkeit hinaus oder, wenn der Körper selbst nicht dehnbar ist, erlaubt die Falte überhaupt eine Ausdehnung. Damit kann man sicherstellen, dass sich der Körper oder Schlauch an die Innenseite der Ausnehmung und an das Verstärkungselement anlegt und das Verstärkungselement mit Druck beaufschlagt.
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Bevorzugterweise verwendet man einen Körper, der durch ein Innenhochdruck-Umformverfahren hergestellt ist. Bei einem Innenhochdruck-Umformverfahren wird der Körper in eine Form eingelegt, die später die Außenform des Körpers definiert. Durch eine Beaufschlagung des Hohlraums mit Druck wird der Körper dann expandiert und erhält die gewünschte Außenform.
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Bevorzugterweise verwendet man einen Kern aus einem Metall. Ein Metall ist gegenüber einer erhöhten Temperatur widerstandsfähig und in der Regel auch druckstabil. Sofern der Kern aus Metall innerhalb des Pressvorgangs, also während der Zeit in dem man die Anordnung aus Fasern und Kunststoff mit erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur beaufschlagt, gedehnt werden soll, ist es bevorzugt, den innerhalb der Form und den (entsprechend) innerhalb des Hohlraums wirkenden Druck, sowie die Wandstärken des Körpers und dessen notwendige Dehnung derart aufeinander abstimmt, dass der Kern im Hook'schen Bereich verformt wird.
Alternativ dazu kann man einen Kern aus einem Kunststoff verwenden, dessen Schmelztemperatur größer ist als die erhöhte Temperatur. Ein Kunststoff hat den Vorteil, dass er in der Regel leichter formbar ist und somit leichter an die Form des freien Querschnitts angepasst werden kann.
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Vorzugsweise ordnet man eine Stützleiste zwischen dem Kern und der Anordnung aus Fasern und Kunststoff an. Die Stützleiste kann unverformbar sein. Man kann eine Stützleiste verwenden, die an eine Geometrie angepasst ist, die sich im Bereich der Verbindung von Anordnung aus Fasern und Kunststoff und Verstärkungselement ergibt. Hier entsteht vielfach ein Zwickel. Eine Stärkung bzw. eine Abstützung des Zwickels wirkt einer Delaminierung entgegen, insbesondere wenn die Anordnung aus Fasern und Kunststoff im unverpressten Zustand mehrere einzelnen Lagen umfasst, also beispielsweise aus übereinander angeordneten Prepregs oder Organoblechen gebildet ist.
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Dabei kann es bevorzugt sein, dass die Stützleiste als Spanneinrichtung ausgebildet ist. Die Stützleiste kann dabei mit dem Kern verbunden sein oder von dem Kern separat ausgebildet sein. Die Spanneinrichtung weist bevorzugt wenigstens ein Federelement auf, was beispielsweise aus textilem Material aus einem hitzebeständigen Werkstoff ausgebildet ist oder alternativ einen mit einem hitzbeständigen Material ummantelten elastischen Kern umfasst. Das Vorsehen einer derartigen Stützleiste begünstigt die Sicherstellung einer gewünschten Druckverteilung im Bauteil-Erzeugungsprozess. Es ist selbstverständlich, dass die Vorrichtung mehrere Stützleisten auch mit Wirkung in unterschiedlichen Raumrichtungen umfassen kann.
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Bevorzugterweise verwendet man einen Kern, der eine Ausformung aufweist, die in einen Zwickel zwischen dem Verstärkungselement und der Anordnung aus Fasern und Kunststoff hineinragt. Eine derartige Ausformung kann auch an einem Schlauch vorgesehen sein, insbesondere dann, wenn er durch das oben genannte Innenhochdruck-Umformverfahren hergestellt worden ist. Der Schlauch kann dann also positive und negative Radien an seinem Außenumfang aufweisen.
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Für die Durchführung eines derartigen Verfahrens kann man beispielsweise eine Form verwenden, in die man Prepregs einlegt. Als Prepregs kann man beispielsweise unidirektionale Prepregs verwenden, also Prepregs, bei denen Kohlefasern oder andere Verstärkungsfasern, wie beispielsweise Glas- oder Kohlefasern, 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 anzuordnen, kann man auch mehrere unidirektionale Prepregs übereinander anordnen und durch die Ausrichtung der Prepregs eine entsprechende Richtung der Verstärkungsfasern vorgeben.
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Die Verstärkungsfasern sind bei einem Prepreg mit einem Kunststoff vorimprägniert. Hierbei verwendet man vorzugsweise einen thermoplastischen Kunststoff, insbesondere Polyamid, beispielsweise PA6.
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Für das Aufbringen der erhöhten Temperatur und des erhöhten Drucks verwendet man beispielsweise eine Membran, die einen Öldruckraum begrenzt. In den Öldruckraum kann man dann beispielsweise Öl mit erhöhter Temperatur, beispielsweise in einem Bereich von 330° 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.
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Das Einlegen der Prepregs kann man beispielsweise mit Hilfe von Tape-Layern vornehmen.
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Die Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass ein verformbarer Kern in der Ausnehmung angeordnet ist.
Man kann nun bei der Beaufschlagung der Anordnung aus Fasern und Kunststoff das Verstärkungselement durch den Kern stützen und so verhindern, dass sich das Verstärkungselement über ein gewisses Maß hinaus verformt. Der Kern kann dabei vorzugsweise elastisch verformbar sein, d.h. er kann nach der Beaufschlagung der Anordnung aus Fasern und Kunststoff, bei der er sich verformt oder bei der er verformt wird, wieder seine ursprüngliche Form annehmen.
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Vorzugsweise ist der Kern zu mindestens 80 % aus einem Metall gebildet. Ein Metall widersteht der hohen Temperatur und ist in der Regel auch ausreichend druckbeständig.
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Vorzugsweise ist der Kern expandierbar. Bei der Beaufschlagung der Anordnung aus Fasern und Kunststoff mit erhöhtem Druck kann der Kern expandiert werden, also sein Volumen etwas vergrößern, um auch die sonst nicht beaufschlagte Seite des Verstärkungselements wiederum mit Druck zu beaufschlagen. Das Verstärkungselement wird dann ebenfalls von mehreren oder sogar von allen Seiten mit erhöhtem Druck beaufschlagt, wobei der Druck nicht unbedingt auf allen Seiten gleich sein muss. Wichtig ist, dass im gesamten Grenzbereich zwischen Form, Kern und (dazwischen angeordneten) zu erzeugendem Bauteil der Aufbau und die Aufrechterhaltung wirksamen Drucks ermöglicht ist.
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Hierbei ist bevorzugt, dass der Kern einen Hohlraum aufweist, der durch eine Druckbeaufschlagungseinrichtung mit einem Druckmedium beaufschlagbar ist. Als Druckmedium kommt beispielsweise eine Flüssigkeit, wie Öl, in Betracht. Vorzugsweise handelt es sich dabei um ein inkompressibles Druckmedium.
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Auch ist von Vorteil, wenn der Kern in der Ausnehmung beweglich ist und einen Druckanschluss aufweist. Man kann dann den Kern gemeinsam mit dem Halbzeug des Verstärkungselements in die Form einlegen und danach über den Druckanschluss eine Verbindung des Hohlraums mit der Druckbeaufschlagungseinrichtung herstellen. Die Handhabung des Kerns wird dadurch flexibel. Man kann auch unterschiedliche Kerne, beispielsweise mit unterschiedlichen Querschnittsformen, verwenden, also einen austauschbaren Kern vorsehen.
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Zudem kann es bevorzugt sein, wenn die Vorrichtung eine Handhabungseinrichtung zur Bewegung des Kerns aufweist. Dies kann dann besonders vorteilhaft sein, wenn die Vorrichtung zur Erzeugung besonders großer Bauteile, beispielsweise mit Längen von 10 Metern bis 30 Metern, ausgelegt ist. Der Kern muss dann nicht unbedingt mit bei Bildung der Anordnung aus Fasern und Kunststoff mit in die Form „eingelegt“ werden, sondern kann auch anschließend in den einen freien Querschnitt „eingeschoben“ werden. Ist der Kern beispielsweise expandierbar gestaltet und weist dabei geringe Wandstärken auf, ist es vorteilhaft, wenn die Handhabungseinrichtung derart ausgebildet ist, dass sie auf den Hohlraum einwirken kann. Dazu kann sie ein Stabilisierungselement, wie eine Stange umfassen. Alternativ dazu kann es vorteilhaft sein, wenn die Handhabungsvorrichtung eine Steuereinrichtung umfasst oder mit einer Steuereinrichtung in Wirkverbindung steht, mittels der ein im Hohlraum des Kerns wirkender Druck derart steuerbar ist, dass die Form des Kerns während des Einbringens („Einschiebens“) stabil haltbar ist.
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Vorzugsweise weist die Druckbeaufschlagungseinrichtung eine Temperiereinrichtung für das Druckmedium auf. Wenn das Druckmedium eine erhöhte Temperatur erhält, dann wird auch das Verstärkungselement mit erhöhter Temperatur beaufschlagt. Dies kann man vorteilhafterweise dazu nutzen, den Kunststoff des Verstärkungselements mit aufzuschmelzen, um beispielsweise die Fertigungszeiten kurz zu halten. Die Wärmeübertragung vom Kern auf das Verstärkungselement erfolgt schneller als eine Wärmeübertragung von Seiten der Anlagefläche her.
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Vorzugsweise weist die Presskrafterzeugungseinrichtung einen Druckraum auf, der auf seiner der Anlagefläche gegenüberliegenden Seite durch eine Membran begrenzt ist, wobei eine Steuereinrichtung vorgesehen ist, die einen Druck im Hohlraum und einen Druck im Druckraum aufeinander abstimmt. Dies lässt sich beispielsweise dadurch erreichen, dass man für den Hohlraum und den Druckraum das gleiche Druckmedium verwendet, beispielsweise Öl oder eine andere Flüssigkeit. Die Drücke im Hohlraum und im Druckraum müssen nicht unbedingt gleich sein. Sie können beispielsweise auch auf ein vorbestimmtes Verhältnis zueinander eingestellt werden. Dabei können sich im Druckraum und im Hohlraum bevorzugt Drücke im Bereich zwischen etwa 1,5 bar und 50 bar, ganz bevorzugt zwischen etwa 2 bar und 30 bar ausbilden.
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Vorzugsweise weist mindestens ein den Hohlraum begrenzender Wandabschnitt eine Dicke im Bereich von 0,05 mm bis 0,65 mm auf. Dies ist zwar eine relativ geringe Wandstärke. Sie erlaubt aber eine ausreichende Verformung des Kerns, um den Kern zu expandieren. Die bei der Expansion auftretende Volumenvergrößerung kann relativ klein sein. Sie liegt im Bereich von 0,2 % bis 2,2 %.
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Dabei kann fallweise bevorzugt sein, wenn ein erster, den Hohlraum begrenzender Wandabschnitt und ein zweiter den Hohlraum begrenzender Wandabschnitt in ihrer Dicke unterschiedlich ausgebildet sind. Dabei fällt die Dicke wenigstens eines Wandabschnitts in den Bereich von 0,05 mm bis 0,65 mm. Dabei sollte die Wandstärke des Kerns in Richtung eines Verstärkungselementes stärker sein als in Richtung der Form.
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Der Kern kann einen Hohlraum oder mehrere, voneinander separierte Hohlräume umfassen. Sofern mehrere voneinander separierte Hohlräume ausgebildet sind, können die Hohlräume mit unterschiedlichen Drücken beaufschlagt werden. Am Kern ist dann abschnittsweise eine unterschiedlich starke Expansion einstellbar. Auch ist es denkbar, dass eine gleich starke Expansion verschiedener Abschnitte des Kerns einstellbar ist, auch wenn die verschiedenen Abschnitte unterschiedliche Dicken der die ihnen zugehörigen Hohlräume begrenzenden Wandabschnitte aufweisen.
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Vorzugsweise weist der Kern einen nach außen vorstehenden Vorsprung auf. In manchen Fällen ergibt sich bei der Anlage des Halbzeugs des Verstärkungselements an die Anordnung aus Fasern und Kunststoff ein Zwickel, in den der Vorsprung eintreten kann, um das Verstärkungselement auch hier abzustützen. Eine Stärkung bzw. eine Abstützung des Zwickels wirkt einer Delaminierung entgegen, insbesondere wenn die Anordnung aus Fasern und Kunststoff im unverpressten Zustand mehrere einzelnen Lagen umfasst, also beispielsweise aus übereinander angeordneten Prepregs oder Orangoblechen gebildet ist. Der Schlauch kann dann also positive und negative Radien an seinem Außenumfang aufweisen. Wichtig ist, wie bereits erwähnt, dass im gesamten Grenzbereich zwischen Form, Kern und (dazwischen angeordneten) zu erzeugendem Bauteil der Aufbau und die Aufrechterhaltung wirksamen Drucks ermöglicht ist.
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Auch ist von Vorteil, wenn der Kern eine unverformbare Stützleiste aufweist. Dies bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Stützleiste bei einer Druckbeaufschlagung mit dem Druck im Druckraum oder im Hohlraum und bei einer Temperatur, mit der die Anordnung aus Fasern und Kunststoff beaufschlagt wird, sich um weniger als 0,05 % verformt.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Hierin zeigen:
- 1 eine erste Ausführungsform eines Kerns,
- 2 eine zweite Ausführungsform eines Kerns,
- 3 eine dritte Ausführungsform eines Kerns mit Stützleiste,
- 4 eine zweite Form eines Verstärkungselements mit einer vierten Form eines Kerns,
- 5 die zweite Ausführungsform des Verstärkungselements mit einer fünften Form eines Kerns und
- 6 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Vorgehensweise beim Einführen und Entnehmen des Kerns.
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1 zeigt schematisch eine Form 1, in die man eine Anordnung 2 aus Fasern und Kunststoff einlegt und diese Anordnung dann mit erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur beaufschlagt. Dies ist durch Pfeile 3 angedeutet.
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Bei der Anordnung 2 aus Fasern und Kunststoff handelt es sich vorzugsweise um ein oder mehrere Prepregs, d.h. Fasern aus Kohlenstoff (Kohlefasern) oder anderen hochzugfesten Fasern, die mit einem Kunststoff, vorzugsweise einem thermoplastischen Kunststoff, insbesondere Polyamid, z.B. PA6 versehen sind. Die Fasern 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 unterschiedliche Richtungen verlaufen. Man kann auch unidirektionale Prepregs verwenden, also Prepregs, bei denen alle Fasern in die gleiche Richtung verlaufen, und die mehreren Prepregs in unterschiedlichen Richtungen in der Form 1 anordnen. Die Faserrichtung richtet sich nach der später gewünschten Belastbarkeit des Bauteils. Beispielsweise kann man aus dem Bauteil einen Rumpf oder eine Kabine eines Land-, Wasser- oder Luftfahrzeugs herstellen.
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Die Form 1 weist eine Anlagefläche 1a auf, an der die Anordnung 2 aus Fasern und Kunststoff angelegt wird. In vielen Fällen wird es zweckmäßig sein, die Anlagefläche 1a in Schwerkraftrichtung unterhalb der Anordnung 2 aus Fasern und Kunststoff anzuordnen. Die Anlagefläche 1a weist eine Ausnehmung 1b auf, in der ein Verstärkungselement 4 angeordnet ist. Ein derartiges Verstärkungselement 4 wird auch als „Stringer“ bezeichnet. Im vorliegenden Fall der 1 ist das Verstärkungselement Z-förmig.
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Die Beaufschlagung der Anordnung 2 aus Fasern und Kunststoff mit erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur erfolgt zweckmäßigerweise über eine Membran 8, die einen Druckraum (nicht näher dargestellt) begrenzt, in den ein Druckmedium, beispielsweise Öl, mit einem erhöhten Druck und einer erhöhten Temperatur eingespeist werden kann. Die Membran 8 ist auf der der Anlagefläche 1a gegenüberliegenden Seite der Anordnung 2 aus Fasern und Kunststoff angeordnet. Die Membran 8 ist nur in 1 dargestellt, kann bei den anderen Ausführungsformen aber ebenfalls vorhanden sein.
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Das Verstärkungselement 4 weist einen ersten Schenkel 5 auf, der an der Anordnung 2 aus Fasern und Kunststoff anliegt. Die Erläuterung zu vereinfachen, wird diese Anordnung 2 kurz als „Haut 2a“ bezeichnet. Das Verstärkungselement 4 weist einen Steg 6 auf, der sich senkrecht zur Haut 2a erstreckt. Am von der Haut 2a abgewandten Ende des Steges 6 ist ein weiterer Schenkel 7 angeordnet. Die Ausnehmung in der Form 1 hat eine Tiefe, die dem Abstand der jeweils äußeren Seiten der Schenkel 5, 7 entspricht. Die Ausnehmung 1a weist Vertiefungen 9, 10 auf, die an die Schenkel 5, 7 angepasst sind.
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Wenn nun die Haut 2a mit erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur beaufschlagt wird, dann wird auch das Verstärkungselement 4 erhitzt, was dazu führen kann, dass es nicht mehr formstabil bleibt, sondern fließfähig wird. Um eine Verformung zu vermeiden, ist ein Kern 11 mit einem Hohlraum 12 vorgesehen, der mit einem Druck p beaufschlagt werden kann. Die Druckbeaufschlagung erfolgt zweckmäßigerweise von einem Ende 13 des Kerns 11 her, wie dies in 6 dargestellt ist.
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Vor einer Beaufschlagung des Hohlraums 12 mit Druck befindet sich eine Wand 14 des Kerns mehr oder weniger unkontrolliert in der Ausnehmung 1a, d.h. Sie hat keine definierte Position. Wenn der Hohlraum 12 allerdings mit Druck p beaufschlagt worden ist, dann legt sich die Wand an das Verstärkungselement 4 an, wie dies mit dem Bezugszeichen 14a dargestellt ist.
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Der Kern 11 hat also ein veränderliches Volumen. Damit ist es möglich, die gleiche Verfahrensweise zu verwenden, auch wenn Verstärkungselemente 4 verwendet werden, die sich voneinander unterscheiden. Hier gibt es durchaus Bautoleranzen im Bereich von 5 bis 10 %.
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Der Kern 11 ist hier als „Schlauch“ ausgebildet, also als Körper mit Hohlraum 12, der zumindest in Umfangsrichtung dehnbar ist. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine nicht näher dargestellte Falte vorgesehen sein, die sich entlang der Längserstreckung des Körpers erstreckt. Der Kern 11 kann aus einem dünnen Metall gebildet sein, das in gewissem Maße entsprechend dem Hook'schen Gesetz elastisch dehnbar ist. Ein derartiger Schlauch kann durch ein Innenhochdruck-Umformverfahren hergestellt werden. „Elastisch“ heißt im vorliegenden Fall, dass sich das Volumen des Kerns bei Beaufschlagung mit Druck vergrößert und wieder verkleinert, wenn der Druck p abgesenkt wird.
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In einem Bereich 15 weist das Verstärkungselement 4 einen Vorsprung 16 auf, der in einen Zwickel zwischen der Wand 14a und der Haut 2a hineinragt. Bei einem derartigen Verstärkungselement 4 kann man erreichen, dass das Verstärkungselement 4 durch den Kern 11 vollflächig mit Druck beaufschlagt wird. Allerdings ist ein derartiges Verstärkungselement 4 mit Ausformung 16 nur mit einem gewissen Aufwand herzustellen und damit entsprechend teuer.
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2 zeigt eine alternative Ausgestaltung, bei der gleiche und funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen worden sind.
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In diesem Fall weist der Kern 11 im Bereich 15 eine Ausformung 17 auf, die in den Zwickel zwischen dem Verstärkungselement 4 und der Haut 2a hineinragt. Ansonsten ist die Vorgehensweise gleich. Der Schlauch mit seinem Hohlraum 12 wird gemeinsam mit dem Verstärkungselement 4 in die Ausnehmung 8 der Form 1 eingelegt. Danach wird die Anordnung 2 aus Fasern und Kunststoff in die Form eingelegt, um später die Haut 2a zu bilden und die Haut 2a wird mit erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur beaufschlagt. Gleichzeitig wird der Hohlraum 12 mit dem Druck p beaufschlagt, so dass das Verstärkungselement 4 abgestützt ist und sich praktisch nicht verformen kann.
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3 zeigt eine dritte Variante, bei der gleiche und funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. Hier ist zwischen dem Kern 11 und der Haut 2a eine Stützleiste 18 angeordnet. Die Stützleiste 18 kann unverformbar ausgebildet sein. Sie weist eine Ausformung 19 auf, die in den Zwickel zwischen dem Verstärkungselement 4 und der Haut 2a hineinragt.
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In den 1 bis 3 ist ein Z-förmiges Verstärkungselement 4 dargestellt. Die 4 und 5 zeigen ein Ω-förmiges Verstärkungselement 4, das gemeinsam mit der Haut 2a einen Hohlraum umschließt, in dem der Kern 11 angeordnet ist. Auch hier weist der Kern 11 wieder einen Hohlraum 12 auf, der mit einem Druck p beaufschlagt werden kann, um beim Heizen und Pressen der Haut 2a eine Verformung des Verstärkungselements 4 zu verhindern.
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4b zeigt einen vergrößerten Ausschnitt des Bereichs 15 aus 4a. Man kann erkennen, dass das Verstärkungselement 4 mit einer Ausformung versehen ist, die in einen Zwickel zwischen dem Kern 11 und der Haut 2a hineinragt.
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5b zeigt eine Vergrößerung des Bereichs 15 aus 5a. Man kann hier erkennen, dass der Kern 11 eine Ausformung 17 aufweist, die in den Zwickel zwischen dem Verstärkungselement 4 und der Haut 2a hineinragt.
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Da es bei den Ausgestaltungen nach 4 und 5 jeweils zwei Berührungsbereiche zwischen einem Verstärkungselement 4 und der Haut 2a gibt, kann der jeweils andere Berührungsbereich entsprechend ausgebildet sein.
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6 zeigt schematisch die Vorgehensweise, wie man den Kern 11 in das Verstärkungselement einführt. Hierzu ist beispielsweise ein Handhabungsstab 19 vorgesehen, der zusammen mit dem Kern 11 in den Hohlraum 12 eingeführt wird. Der Handhabungsstab 19 kann dann aus dem Kern 11 herausgezogen werden. Der Kern 11 weist am Ende 13 einen Gewindeanschluss 14 auf, so dass er druckdicht mit einer Druckquelle verbunden werden kann, sobald er vollständig in das Verstärkungselement 4 eingeführt worden ist. An diesem Ende kann dann der Druck p aufgebracht werden.
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Nach Beendigung des Herstellungsvorgangs, also wenn die Temperatur und der Druck abgesenkt worden ist und das Bauteil aus der Form 1 entnommen worden ist, kann man den Kern 11 herausziehen.
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Das Bauteil kann durchaus eine Länge von mehreren Metern aufweisen, beispielsweise eine Länge im Bereich von 10 bis 15 m oder mehr.
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Die Beaufschlagung mit erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur erfolgt vorzugsweise über ein Öl, das in einen Öldruckraum eingeführt wird. Der Öldruckraum ist von der Anordnung 2 aus Fasern und Kunststoff, also der Haut 2a, durch eine nicht näher dargestellte Membran getrennt. Das Öl kann eine Temperatur im Bereich von 350° C bis 410° C haben, wenn die erhöhte Temperatur gewünscht ist. Nach dem Pressen, also nach der Druckbeaufschlagung, kann eine Absenkung der Temperatur auf etwa 30° C erfolgen.
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Die oben genannten Prepregs können von Hand oder von Tape-Layern in die Form 1 eingelegt werden. Die Dicke der Haut 2a kann dadurch eingestellt werden, dass man mehr oder weniger Prepregs verwendet.
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Die oben genannte Membran kann einen Rz-Wert von unter 0,1 |jm haben, so dass sich eine extrem glatte Haut 2 ergibt.
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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.
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Man kann nun die durch die Pfeile 3 symbolisierte Druck- und Temperaturbeaufschlagung der Anordnung 2 aus Fasern und Kunststoff mit der Druckbeaufschlagung des Hohlraums 12 durch eine nicht näher dargestellte gemeinsame Steuereinrichtung steuern. Beispielsweise kann man die Drücke in dem Hohlraum 12 und in dem oben erwähnten Druckraum gleich groß machen oder man kann ein bestimmtes vorgegebenes Verhältnis zwischen diesen Drücken einstellen. So kann man beispielsweise dafür sorgen, dass der Druck im Druckraum immer um mindestens 5 % größer ist als der Druck im Hohlraum 12.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017113595 A1 [0003]