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Hintergrund
der Erfindung und Stand der Technik
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Haltevorrichtung gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 zum Halten eines Gegenstandes in Verbindung mit dem
Aushärten
des Gegenstandes.
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Die
Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Aushärten eines Gegenstandes gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 7.
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Die
Herstellung vieler Gegenstände
und Strukturelemente, wie beispielsweise Fahrzeuge, Schiffe und
Flugzeuge, aus Blech oder aus härtbaren Verbundmaterialien,
die Fasern enthalten, wie beispielsweise Glasfasern oder Kohlenstofffasern,
ist bekannt. Derartige Verbundmaterialien heben sich durch hohe
Festigkeit und relativ geringes Gewicht hervor. Diese Hervorhebungsmerkmale
führten
dazu, dass in der Luftfahrtindustrie zunehmend Gegenstände verwendet
werden, die solche Verbundmaterialien enthalten. Eine häufig verwendete
Gegenstandsart umfasst einen Zellenkern und einen Trägerrahmen,
der den Zellenkern umgibt und aus geklebten Kohlenstofffaserträgern besteht.
Der Zellenkern, der relativ biegsam ist, muss bei einem geringen
Druck geklebt werden, normalerweise im Bereich von 180 KPa. Hingegen
ist ein hoher Druck im Bereich von normalerweise 300-600 KPa vorgeschrieben,
wenn die Träger
an den Rahmen geklebt werden, um eine gute Klebeverbindung zu erzeugen.
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Bei
der zuvor beschriebenen Gegenstandsart ist es daher erforderlich,
dass die Träger
zuerst bei dem höheren
Druck aneinander geklebt werden, und dass der Zellenkern anschließend bei
dem geringeren Druck geklebt wird. Ein Werkzeug, das beim Aushärten von
Gegenständen
dieser Art verwendet werden kann, ist in der WO 01/47695 beschrieben.
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Weitere
Haltevorrichtungen, die beim Formen von Verbundmaterialien verwendet
werden, sind aus der US-A-5 993 184 und aus der US-A-5 597 435 bekannt.
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AUFGABE DER
ERFINDUNG
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Eine
Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Kosten und den Zeitaufwand
zu reduzieren, die mit der Montage solcher Gegenstände und
anderer Gegenstände,
bei denen die verwendeten Teile ein Aushärten bei verschiedenen Drücken erfordern,
einhergehen.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Diese
Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung
mit Hilfe einer Halteeinrichtung zum Halten eines Gegenstandes in
Verbindung mit dem Aushärten
des Gegenstandes in einem Drucktank gelöst, der einen Druck aufweist,
der gegenüber
dem atmosphärischen
Druck erhöht
ist. Die Haltevorrichtung umfasst ein oder mehrere Stützelemente,
welche die lateralen Flächen
des Gegenstandes ganz oder teilweise umgeben und derart angeordnet
sind, dass sie den Gegenstand während
des Aushärtens
stützen, wobei
sie einen unterschiedlichen Druck auf den Gegenstand ausüben.
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Wenigstens
eines der Stützelemente
ist in Bezug auf den Gegenstand derart angeordnet, dass das Stützelement
entlang seiner Länge
verschiedene Druckniveaus auf den Gegenstand ausübt, indem das Stützelement
entlang eines ersten Bereiches seiner Länge mit einem gegenüber dem
Drucktankdruck erhöhten
Druck gegen den Gegenstand drückt,
und in einem zweiten Bereich entlang seiner Länge mit einem gegenüber dem
Drucktankdruck geringeren Druck gegen den Gegenstand drückt. Das
Stützelement,
das entlang seiner Länge
verschiedene Druckniveaus auf den Gegenstand ausübt, kann fest in der Haltevorrichtung
mit einem Schwenkpunkt angeordnet sein, so dass das Stützelement
den erhöhten Druck
in dem ersten Bereich und den geringeren Druck in dem zweiten Bereich
ausübt.
Die Stützelemente,
die keine verschiedenen Druckniveaus auf den Gegenstand ausüben, sind
entlang ihrer gesamten Länge
anstoßend
an den Gegenstand angeordnet, und zwar im Wesentlichen ohne gegen
den Gegenstand zu drücken.
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Bei
einer spezifischen Ausführungsform
ist die Haltevorrichtung derart angeordnet, dass sie einen Gegenstand
hält, der
einen Kern und einen Trägerrahmen
umfasst, der die lateralen Flächen
eines Kerns umgibt und wenigstens zwei Träger aufweist, um den Kern an
den Trägerrahmen
und um die Träger
aneinander zu kleben. Die Stützelemente
werden dann so angeordnet, dass sie einen unterschiedlichen Druck
ausüben,
so dass sie die Träger
zueinander bei einem gegenüber
dem Drucktankdruck erhöhten
Druck drücken,
und anstoßend
an den Gegenstand angeordnet sind, und zwar im Wesentlichen ohne
auf diesen einen Druck dort auszuüben, wo der Kern an den Trägerrahmen
geklebt werden soll. Der erhöhte
Druck, der die Träger
zueinander drückt,
ist grob um das Zwei- bis Vierfache höher als der in dem Drucktank
vorherrschende Druck.
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Die
Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Aushärten eines Gegenstands, der
wenigstens einen Kern und einen Trägerrahmen umfasst, der einen
Kern umgibt und wenigstens zwei Träger aufweist, wobei der Kern
an den Trägerrahmen
geklebt wird, und wobei die Träger
des Trägerrahmens
aneinander geklebt werden. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet,
dass der nicht-ausgehärtete
Gegenstand auf einer Unterschicht angeordnet wird, dass Stützelemente
um den Gegenstand angeordnet werden, um diesen zusammenzuhalten,
dass die Stützelemente
dazu gebracht werden, einen unterschiedlichen Druck auf den Gegenstand
auszuüben, und
dass der nicht-ausgehärtete
Gegenstand auf seiner Unterschicht und mit den Stützelementen
einem Drucktank zum Aushärten
zugeführt
wird. Die Stützelemente
werden dazu gebracht, einen Druck, der höher als der Drucktankdruck
ist, auf die Flächen auszuüben, welche
die Träger
zueinander drücken und
anstoßend
an den Gegenstand angeordnet sind, ohne im Wesentlichen einen Druck
auf diejenigen Flächen
auszuüben,
an denen die Träger
an den Kern geklebt werden.
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Die
Haltevorrichtung und das Verfahren zum Aushärten eines Gegenstandes gemäß der Erfindung
erleichtern es sehr, einen Gegenstand zusammenzukleben, der einen
Kern aufweist, der an einem Trägerrahmen
aus zusammengeklebten Trägern
geklebt ist. Der Kern ist druckempfindlich und kann einen geringen
lateralen Druck aufnehmen, während er
einem Druck in der Größenordnung
von 180 KPa von oben standhalten kann. Zum Zusammenkleben der Träger ist
entsprechend ein signifikant höherer Druck
in der Größenordnung
von 300-600 KPa vorgeschrieben, um eine gute Klebeverbindung zu
erzielen. Trotz dieser gegenläufigen
Erfordernisse ermöglichen
die Vorrichtung und das Ver fahren gemäß der Erfindung ein Kleben
des Gegenstandes in einem einzelnen Schritt. Der Druck in dem Drucktank,
der somit in der Größenordnung
eines Maximalwertes von 180 KPa liegt, drückt von oben gegen den Trägerrahmen
und den Kern. Die Stützmittel,
die um den Gegenstand angeordnet sind, widerstehen dem Druck, der
sonst lateral auf den Gegenstand ausgeübt werden würde, mit Ausnahme derjenigen
Flächen,
bei denen ein solcher Druck vorgeschrieben ist, der gegenüber dem
Drucktankdruck erhöht
ist. Die Stützmittel üben den
vorgeschriebenen Druck auf diese Flächen aus. Bei der Haltevorrichtung
und bei dem Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung wird der Drucktankdruck somit dazu verwendet, verschiedene
Drücke
auf den Gegenstand auszuüben.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER FIGUREN
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1 zeigt
ein Beispiel einer Haltevorrichtung zum Halten eines Gegenstandes
in Verbindung mit einem Aushärten
desselben;
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2 zeigt
eine beispielhafte Ausführungsform
des in 1 dargestellten Gegenstandes;
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3 ist
eine schematische Ansicht eines Beispiels des in 2 dargestellten
Gegenstandes, der in einer Haltevorrichtung befestigt ist, die Stützelemente
enthält.
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BEVORZUGTE
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Gemäß 1 umfasst
eine Haltevorrichtung ein Basiselement 1, das bei dem dargestellten
Beispiel ein Bett mit einer oberen Bettstützeinrichtung bildet, die eine
Größe von beispielsweise
10 m2 aufweist. Das Basiselement 1 kann
aus Stahl oder aus einem anderen Metall oder einer anderen Metalllegierung
hergestellt sein, wie beispielsweise Aluminium, Nickel oder dergleichen,
und weist eine Dicke zwischen 5 und 50 mm auf, beispielsweise zwischen 20
und 25 mm.
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Ein
Zwischenelement 2 ist versetzbar an der Bettfläche des
Basiselementes 1 angeordnet, d.h. das Zwischenelement 2 ruht
lose auf dem Basiselement 1. Ein herzustellender Gegenstand
ist an der Oberseite des Zwischenelementes 2 angeordnet. Das
Zwischenelement 2 bildet ein Formelement für den Gegenstand 3,
d.h. das Zwischenelement 2 bildet eine Fläche mit
einer Form, die einer Fläche
des herzustellenden Gegenstands 3 entspricht, also Flächen gegenüber der
Fläche
des Zwischenelementes. Bei dem dargestellten Beispiel ist das Zwischenelement
2 im Vergleich zu dem Basiselement 1 relativ dünn und kann
Abmaße
von 2-7 mm aufweisen, beispielsweise zwischen 4 und 5 mm. Das Zwischenelement 2 kann
vorteilhaft eine obere Fläche
aufweisen, die im Wesentlichen parallel zu einer unteren Fläche des
Zwischenelementes angeordnet ist. Die obere Bettfläche des
Basiselementes 1 wird dann vorteilhaft ebenfalls eine Form
aufweisen, die der Form einer Fläche
des herzustellenden Gegenstands 3 entspricht. Das Zwischenelement 2 weist
alternativ eine obere Fläche
auf, auf welcher der herzustellende Gegenstand 3 ruht,
und eine untere Fläche,
wobei diese Flächen
nicht parallel sind. Beispielsweise kann die obere Fläche eine
konkave Form aufweisen, während
die untere Fläche
eben ist. Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform
sind die oberen und unteren Flächen
des Zwischenelementes im Wesentlichen eben, ebenso wie die obere
Fläche
des Basiselementes 1.
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Das
Zwischenelement 2 ist wenigstens teilweise aus einem Verbundmaterial
hergestellt, das beispielsweise Fasern und ein Kunststoffmaterial enthält. Derartige
Fasern können
beispielsweise aus Kohlenstofffasern, Glasfasern und/oder anderen
Mineralfasern bestehen. Das Kunststoffmaterial enthält einen
aushärtbaren
Kunststoff, wie beispielsweise einen Epoxidkunststoff.
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Die
Haltevorrichtung umfasst ferner Stützelemente 4, die
an dem Zwischenelement 2 befestigt werden können. Die
Stützelemente 4 bilden
gemeinsam einen Rahmen, der den herzustellenden Gegenstand 3 stützt. Die
Innenfläche
des Rahmens wird somit durch die Kontur der Umfangsfläche des
Gegenstands definiert. Die Stützelemente 4 können an
dem Zwischenelement 2 mit Hilfe von Verbindungselementen 6 befestigt
werden. Die Stützelemente 4 werden
entsprechend nur an dem Zwischenelement gehalten. Die Verbindungselemente 6 umfassen
beispielsweise eine Schraubverbindung mit einer Schraube und einer
Mutter, die auf die Schraube geschraubt ist. Die Schraube erstreckt
sich durch das Zwischenelement 2 und durch eines der Stützelemente 4 und
umfasst einen Schraubenkopf, der in dem Zwischenelement 2 versenkt
ist. Es fallen auch andere Verbindungselemente in den Schutzbereich der
vorliegenden Erfindung, beispielsweise eine einzelne Nicht-Schraubverbindung,
die sich durch ein Loch in dem Zwischenelement 2 und durch
eines der Stützelemente 4 mit
einer geeigneten Passung erstreckt. Es ist auch möglich, ein
oder mehrere der Stützelemente 4 an
dem Zwischenelement 2 mit Hilfe einer permanenteren Verbindung
zu befestigen, beispielsweise mittels Kleben. Jedes Stützelement 4 umfasst
eine Stützfläche 10,
die in Richtung der Umfangsfläche
des herzustellenden Gegenstands 3 gedreht ist. Die Stützfläche 10 umfasst
somit eine Kontur, die der Umfangskontur des herzustellenden Gegenstandes 3 entspricht.
Die Befestigung der Stützelemente 4 wird
unter Bezugnahme auf 3 nachfolgend genauer beschrieben.
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Die
Stützelemente 4 können auch
aus einem Verbundmaterial hergestellt sein, das Fasern und ein Kunststoffmaterial
enthält.
Die Fasern können
beispielsweise aus Kohlenstofffasern, Glasfasern und/oder mehreren
Mineralfasern bestehen, und das Kunststoffmaterial kann Epoxidharz
enthalten. Die Stützelemente 4 enthalten
vorteilhaft einen höheren Anteil
an Kunststoffmaterial als das Zwischenelement 2. Die Stützelemente 4 werden
geeignet unter Verwendung von Formen aus Metall hergestellt, wie beispielsweise
Aluminium oder Stahl.
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Die
Haltevorrichtung umfasst ferner Mittel zum Fördern von Gas weg von einem
Bereich oberhalb des Basiselementes 1. Diese Mittel umfassen Leitungen 19,
die eine Öffnung 20 in
der oberen Bettfläche
des Basiselementes 1 aufweisen und sich zu einer Pumpe 21 erstrecken.
Oberhalb der oberen Bettfläche
des Basiselementes 1 ist ferner ein im Wesentlichen leckagedichtes
Gewebe 22 vorgesehen. Das Gewebe 22 ist entlang
des Umfangs des Basiselementes 1 unter Verwendung einiger
Befestigungsmittel 23 befestigt, wie beispielsweise Klebeband. Das
Gewebe 22 bedeckt somit die Öffnungen 20, das Zwischenelement 2,
die Stützelemente 4 und
den herzustellenden Gegenstand 3. Wenn die Pumpe 21 betätigt wird,
wird das Gas, das zwischen dem Gewebe 22 und dem Basiselement 1 vorhanden
ist, weggefördert,
und es wird ein Vakuum erzeugt, woraufhin das Gewebe 22 dichtend
an dem herzustellenden Gegenstand 3 anliegt. Es sollte
klar sein, dass zusätzliche
Elemente zwischen dem Gegenstand 3 und dem Gewebe 22 angeordnet
werden können;
beispielsweise kann ein perforierter Kunststofffilm (nicht gezeigt)
am nächsten
an dem Gegenstand 3 angeordnet werden, und ein sogenanntes
Abreißgewebe (nicht
gezeigt) kann zwischen dem Gegenstand 3 und dem Gewebe 22 positioniert
werden. Bei einer Ausführungsform
kann die Haltevorrichtung zusammen mit ihrem Gegenstand 3 in
einem Dampfkessel zur Wärmebehandlung
angeordnet werden.
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In 2 besteht
der Gegenstand 3 aus einem Strukturelement für ein Flugzeug,
ein Fahrzeug, ein Boot, ein Gefäß oder eine
andere Vorrichtung wie beispielsweise eine Maschine oder ein Gebäude. Der Gegenstand
in 2 umfasst einen Kern 5 und einen Trägerrahmen 7,
der den Kern umgibt und aus Kohlenstofffaserträgern 8 besteht, die
aneinander geklebt sind. Um eine starke Klebeverbindung zwischen
den Trägern
zu erzeugen, muss der Klebstoff unter relativ hohem Druck ausgehärtet werden,
d.h. in einer Größenordnung
von 300-600 KPa.
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Der
Kern 5 ist in den Trägerrahmen 7 geklebt.
Der Kern umfasst charakteristisch eine Zellenstruktur, wie beispielsweise
eine Honigwabenstruktur, so dass das Gewicht des Gegenstands 3 auf
einem geringen Niveau gehalten werden kann. Der Kern ist charakteristisch
druckempfindlich. Bei einem Beispiel mit einem Phenolmatrix/Aramidfaserkern kann
der Kern einen sehr geringen Druck in Querrichtung aufnehmen. Der
Kern kann der Ausübung
eines Druckes in der Größenordnung
von 180 KPa von oben standhalten.
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In 3 umgeben
die Stützelemente 4a, 4b den
Gegenstand 3 vollständig.
Die Stützelemente 4b,
die anliegend an einen Abschnitt des Trägerrahmens 7 angeordnet
sind, der benachbart zum Kern entlang seiner gesamten gegenüberliegenden
Umfangsfläche
positioniert ist, sind in dem Zwischenelement 2 mit Hilfe
von zwei der zuvor beschriebenen Verbindungselemente 6 fixiert,
die in einem Abstand voneinander vorgesehen sind. Die Stützelemente 4b sind
in Bezug auf den Gegenstand derart befestigt, dass sie vor dem Aushärten fest
gegen den Gegenstand 3 anstoßen, ohne einen Druck auf den
Gegenstand auszuüben.
Während
des eigentlichen Aushärteprozesses
kann es jedoch vorkommen, dass ein gewisser Druck durch die Stützelemente 4b auf
den Gegenstand ausgeübt
wird, da sich der Klebstoff zwischen dem Kern und dem Trägerrahmen
während des
Aushärteprozesses
etwas ausdehnt. Die Stützelemente 4b,
die anstoßend
an einen Abschnitt des Trägerrahmens 7 angeordnet
sind, der eine Verbindung zwischen zwei Trägern 8 umschließt, sind
in der gleichen Art und Weise in der Unterschicht mit Hilfe von
zwei Verbindungselementen 6 fixiert, die voneinander beabstandet
sind. Die Stützelemente 4a,
die anstoßend
an einen Abschnitt eines Trägers 8 positioniert
sind, der entlang seiner gegenüberliegenden Umfangsfläche sowohl
benachbart zum Kern als auch zu einem gegenüberliegenden Träger 8 positioniert
ist, ist alternativ in dem Zwischenelement 2 angeordnet.
Diese Stützelemente 4a sind
in der Unterschicht mit Hilfe lediglich eines einzelnen Verbindungselementes 6 befestigt.
Dieses einzelne Verbindungselement 6 wirkt in diesem Fall
als ein Schwenkpunkt 9, um den das Stützelement 4a ein wenig
drehbar ist. Die Position des Schwenkpunktes 9 wird gemäß den Momentberechnungen
eines Fachmanns gewählt,
so dass das Stützelement 4a in
einem Bereich entlang seiner Länge,
wo der Träger
benachbart zum Stützelement
gegen den gegenüberliegenden
Träger
stößt, den
benachbarten Träger
gegen den gegenüberliegenden
Träger
drückt,
und entlang seiner restlichen Länge
an dem benachbarten Träger anliegt,
ohne einen Druck auf diesen auszuüben. Bei dem zuvor beschriebenem
Beispiel mit einem Phenolmatrix/Aramidfaserkern und einem Drucktankdruck von
180 KPa ist der Schwenkpunkt derart gewählt, dass der Druck, der auf
den zuvor beschriebenen Bereich ausgeübt wird, etwa dem Zwei- bis
Fünffachen des
Luftdrucks in dem Drucktank entspricht.
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Die
Herstellung des Gegenstands 3 kann beispielsweise in der
nachfolgend beschriebenen Art und Weise erfolgen. Das Zwischenelement 2 wird
auf dem Basiselement 1 platziert. Der Kern wird dann auf dem
Zwischenelement 2 angeordnet. Die nicht ausgehärteten Kohlenstofffaserträger werden
ebenfalls um den Umfang des Kerns angeordnet. Die Stützelemente 4 werden
dann um den Kern 5 und den Trägerrahmen 7 der Kohlenstofffaserträger 8 in
der unter Bezugnahme auf 3 beschriebenen Weise positioniert.
Das leckagedichte Gewebe 22 wird dann an der Oberseite
des Gegenstandes angeordnet und unter Verwendung einiger Befestigungsmittel 23 auf der
oberen Bettfläche
entlang des Umfangs des Basiselementes befestigt. Die Haltevorrichtung
wird dann einem Dampfkessel zugeführt. In dem Raum, der unterhalb
des Gewebes erzeugt wird, wird nun mit Hilfe der Pumpe 21 ein
Vakuum erzeugt, so dass das Gewebe dichtend auf dem Gegenstand anliegt. Die
Temperatur und der Druck in dem Dampfkessel werden nach und nach
erhöht.
Die Endniveaus zum Erzielen eines Aushärtens des Gegenstands 3 können beispielsweise
grob zwischen 2-6 bar, beispielsweise 6 bar Absolutdruck, und zwischen
150-200°C, beispielsweise
grob 180°C,
liegen. Nach Verstreichen einer geeigneten Zeitdauer in dem Dampfkessel,
beispielsweise nach zwei bis drei Stunden in Abhängigkeit von der Größe des Gegenstands,
werden der Druck und die Temperatur in dem Dampfkessel gesenkt,
und die Haltevorrichtung kann aus dem Dampfkessel entnommen werden.
Das Gewebe 22 wird dann entfernt, um den Gegenstand 3 freizulegen.
Der Gegenstand 3 wird dann aus der Haltevorrichtung entfernt
und ist für
eine Nachbehandlung bereit.
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Die
Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt, sondern
sie kann innerhalb des Schutzbereichs der nachfolgenden Ansprüche variiert
und modifiziert werden. Insbesondere sollte klar sein, dass die
Gegenstände 3,
die unter Verwendung der Haltevorrichtung hergestellt werden können, grundsätzlich eine
willkürliche
Form aufweisen können
und nicht auf die in der Beschreibung und in den Zeichnungen präsentierte
Form beschränkt
sind.