Das zellulare Formwerkzeug

Kurzfassung

Das zellulare Formwerkzeug Um die herausragenden Eigenschaften von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen bzw. den daraus hergestellten Bauteilen maximal ausnutzen zu können, empfiehlt es sich, die Bauteile in Integralbauweise herzustellen. Allerdings konnte sich die Integralbauweise bisher nicht für den Bau großer Flugzeugstrukturen durchsetzen. Vielmehr konnte in den letzten Jahren in den Produktionsbetrieben eine zunehmende Skepsis gegenüber sehr großen und hochintegralen Faserverbundbauteilen beobachtet werden. Als mögliche Ursachen hierfür sind insbesondere die hohe Komplexität eines solchen Fertigungsprozesses sowie einzelne Negativbeispiele aus der Vergangenheit zu nennen. Auch die spezifischen Merkmale von Faserverbundwerkstoffen mit ihren vielen, oft widersprüchlichen Eigenschaften (z.B. thermische Dehnungskoeffizienten) und den sich daraus ergebenden Fertigungsproblemen tragen ihren Teil dazu bei. Zusätzlich verstärkt wird die Skepsis gegenüber großen und hochintegralen Faserverbundbauteilen durch das hohe wirtschaftliche Risiko, welches mit einem solchen Fertigungsprozess verbunden ist. So können die Kosten durch einzelne Fehler im Produktionsprozess und damit einhergehendem Ausschuss, bedingt durch die hohen Bauteilwerte, schnell im Bereich von mehreren 100.000 Euro liegen. Eine aktive Fehlerkorrektur ist in aktuellen Fertigungsprozessen nur eingeschränkt oder gar nicht möglich. Da die Vorteile von hochintegralen Faserverbundbauteilen trotz der gerade beschriebenen Skepsis nach wie vor unumstritten sind, soll diese Arbeit einen Beitrag dazu leisten, eine industrielle Fertigung von sehr großen und hochintegralen Faserverbundstrukturen zu ermöglichen. Hierzu wird im Folgenden eine neuartige Philosophie zur Gestaltung und Auslegung von Formwerkzeugen entwickelt, welche auch die Fertigung von sehr großen und hochintegralen Faserverbundbauteilen in einem industriellen Maßstab ermöglicht. Hierbei werden insbesondere die Aspekte des Erreichens einer hohen Fertigungsgenauigkeit (Ziel: shimfreie Montage) sowie eines zeitlich und energetisch optimierten Fertigungsverfahrens betrachtet. Kerngedanke der zellularen Formwerkzeuge ist es, die Fertigung von großen, hochintegralen Faserverbundstrukturen nicht durch ein großes, komplexes Formwerkzeug, sondern vielmehr durch eine Vielzahl kleiner, eigenständiger Werkzeugelemente durchführen zu lassen. Alle im Fertigungsprozess auftretenden Herausforderungen, wie das Toleranzmanagement oder das Aufheizen und Abkühlen, sollen dezentral auf Ebene der einzelnen Werkzeugelemente adressiert und gelöst werden. Zu Beginn dieser Ausarbeitung werden die wesentlichen Merkmale des zellularen Formwerkzeugs vorgestellt und erläutert. Anhand des Beispielbauteils, einer vollintegralen Flügelschale, wird das Konzept des zellularen Formwerkzeugs anschließend einer experimentellen Überprüfung unterzogen. Die experimentelle Überprüfung läuft hierbei in zwei Schritten ab. Erste Fertigungsversuche werden an einem vereinfachten Ausschnitt der Flügelschale durchgeführt. Auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse wird ein Formwerkzeug zur Fertigung eines Flügelschalenabschnitts in voller Komplexität konstruiert und experimentell erprobt. Abschließend erfolgt eine Bewertung der eingangs zum zellularen Formwerkzeug formulierten Thesen sowie ein Ausblick auf mögliche zukünftige Entwicklungen.