 | Kleineberg M. Präzisionsfertigung komplexer CFK-Profile am Beispiel Rumpfspant / Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik, Braunschweig. - Köln: DLR, Bibliotheks- und Informationswesen, 2008. - V, 110 S.: Ill., graph. Darst. - (Forschungsbericht; 08-23). - ISSN 1434-8454
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1 Einleitung ................................................... 1
2 Allgemeine Funktion und Bauweise von Rumpfspanten ............ 5
2.1 Spantfunktion ........................................... 6
2.2 Spantbauweisen .......................................... 7
2.3 Zusammenfassung typischer Merkmale von
Spantsegmenten ..................................... 8
3 Fertigungsaspekte bei der Herstellung von CFK-
Spantsegmenten ............................................... 9
3.1 Formwerkzeugkonzepte für
Hochleistungsfaserverbundprofile ........................ 9
3.1.1 Aluminium Formwerkzeuge ......................... 10
3.1.2 Faserverbund-Formwerkzeuge ...................... 11
3.1.3 Nickel-Galvano-Formwerkzeuge .................... 13
3.1.4 Stahl Formwerkzeuge ............................. 15
3.1.5 Einweg-Formwerkzeugmembrane ..................... 16
3.1.6 Wiederverwendbare Formwerkzeugmembrane .......... 17
3.2 Fertigungsverfahren für
Hochleistungsfaserverbundprofile ....................... 18
3.2.1 Prepreg-Verfahren ............................... 20
3.2.2 RFI-Verfahren ................................... 22
3.2.3 SLI-Verfahren ................................... 23
3.2.4 VAP®-Verfahren (MVI-VAP) ........................ 25
3.2.5 QuickStep-Verfahren ............................. 27
3.2.6 RTM / Pressen RTM ............................... 28
3.2.7 Pultrusions-Verfahren ........................... 31
3.3 Laminatspezifische Gütekriterien für
Faserverbundbauteile ................................... 32
3.3.1 Porengehalt ..................................... 32
3.3.2 Faservolumengehalt .............................. 32
3.3.3 Faserausrichtung ................................ 33
3.3.4 Faser-Matrix-Haftung ............................ 34
3.3.5 Schlagzähigkeit ................................. 34
3.4 Grundlagen des "Spring-In" Effektes bei
Faserverbundbauteilen .................................. 34
3.4.1 Wärmeausdehnungsbedingter "Spring-In" Effekt .... 38
3.4.2 Vernetzungsreaktionsbedingter "Spring-In"
Effekt .......................................... 40
3.4.3 Feuchtebedingte "Spring-In" Effekte ............. 41
3.4.4 Geometrieabhängige "Spring-In" Effekte .......... 41
3.4.5 Fertigungsbedingte "Spring-In" Effekte .......... 41
4 Zielsetzung der Arbeit ...................................... 44
4.1 Problemstellung ........................................ 44
4.2 Innovativer Lösungsansatz .............................. 44
5 Analyse der "Spring-In" Problematik am LCF-
Rumpfspantsegment ........................................... 46
5.1 "Spring-In" Analyse realer LCF Spantsegmente aus CFK ... 46
5.2 Herstellung und Analyse L-förmiger CFK-
Probenkörper ........................................... 48
5.2.1 Versuchsaufbau zur Herstellung von
Probenkörpern ................................... 48
5.2.2 Probenfertigung mit variierten
Prozessparametern ............................... 51
5.2.3 Vermessung der Proben ........................... 53
5.2.4 Auswertung der Ergebnisse ....................... 53
5.3 Simulation des "Spring-In" Effektes von L-
förmigen Probenkörpern ................................. 54
5.3.1 Identifikation der Werkstoff- und
Geometriedaten .................................. 54
5.3.2 Modellierung des L-förmigen Probenkörpers
in MSC Nastran .................................. 56
5.3.3 Identifikation der modifizierten
Ausdehnungskoeffizienten ........................ 57
5.4 Simulation der "Spring-In" Deformation von LCF-
Spantsegmenten ......................................... 58
5.4.1 Spantgeometrie / Laminataufbau .................. 58
5.4.2 Modellierung des LCF-Spantsegmentes ............. 59
5.4.3 Randbedingungen für die FEM Simulation .......... 60
5.4.4 Ergebnisse der Spantsegmentsimulation ........... 61
5.5 Auswertung der Ergebnisse .............................. 64
5.5.1 Auswertung der lokalen Winkeldeformation ........ 64
5.5.2 Auswertung der korrigierten, globalen
Radiusdeformation ............................... 64
5.5.3 Auswertung der Spannungsanalyse ................. 66
5.5.4 Zusammenfassung der Ergebnisse .................. 67
6 Optimiertes Produktionskonzept für LCF-Rumpfspantsegmente ... 69
6.1 Variation der Prozessstrategie ......................... 70
6.1.1 Schnelle Prozessierung .......................... 70
6.1.2 Normale (Zulassungskonforme) Prozessierung ...... 71
6.1.3 Laminatschonende Prozessierung .................. 72
6.2 Risikofaktoren beim Formwerkzeugkonzept ................ 72
6.2.1 Risikofaktor: Geometrische Abweichungen des
Spantsegmentes .................................. 72
6.2.2 Risikofaktor: Oberflächengüte des
Spantsegmentes .................................. 72
6.2.3 Risikofaktor: Thermische Kompatibilität ......... 73
6.3 Risikofaktoren beim Fertigungsansatzes ................. 73
6.3.1 Risikofaktor: Porosität ......................... 73
6.3.2 Risikofaktor Komplexe Faserarchitektur .......... 74
6.3.3 Risikofaktor: Faservolumengehalt ................ 74
6.4 Kostenfaktoren ......................................... 74
6.4.1 Nicht Wiederkehrende Kosten (NRC) ............... 75
6.4.2 Wiederkehrende Kosten (RC) ...................... 75
6.5 Vorauswahl geeigneter Fertigungskonzepte ............... 75
6.6 Detailanalyse der identifizierten Konzepte mit hohem
Potential .............................................. 77
6.6.1 Kosten für: Schnelle Prozessierung .............. 78
6.6.2 Kosten für: Normale Prozessierung ............... 79
6.6.3 Kosten für: Laminatschonende Prozessierung ...... 80
6.6.4 Zusammenfassung und Auswertung der Ergebnisse ... 81
6.7 Detailliertes Produktionskonzept für LCF-
Rumpfspantsegmente ..................................... 83
6.7.1 Basisprozess für das optimierte
Produktionskonzept .............................. 83
6.7.2 Konstruktive Gestaltung des Formwerkzeuges ...... 83
6.7.3 Konfiguration der Fertigungsanlage .............. 87
6.8 Ergebnis des optimierten Produktionskonzeptes .......... 87
7 Zusammenfassung und Ausblick ................................ 88
7.1 Zusammenfassung der Ergebnisse dieser Arbeit ........... 88
7.2 Ausblick ............................................... 89
Verzeichnis der verwendeten Abkürzungen ........................ 91
Abbildungsverzeichnis .......................................... 95
Tabellenverzeichnis ............................................ 96
Literaturverzeichnis .......................................... 106
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