DE102008022649A1

DE102008022649A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Vorbereitung von Oberflächen kohlestofffaserverstärkter Kunststoffe

Info

Publication number: DE102008022649A1
Application number: DE102008022649A
Authority: DE
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2008-05-07
Filing date: 2008-05-07
Publication date: 2009-11-12
Also published as: JP2011520624A; WO2009135922A1; ATE543609T1; RU2493955C2; US20110133358A1; RU2010145223A; US8715553B2; CN102015209A; BRPI0912532A2; CN102015209B; CA2723756A1; EP2303511A1; EP2303511B1

Abstract

Verfahren und Vorrichtung zur Vorbereitung von Kusntstoffoberflächen für die Weiterverarbeitung zu tragenden Strukturteile durch abrasiven Abtrag mittels eines in einem gasförmigen Fluid verteilten Strahlmittels, wobei das Strahlmittel aus Harnstoffharz besteht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Vorbereitung von Kunststoffoberflächen, vorzugsweise von Oberflächen kohlenstofffaserverstärkter Kunststoffe, für die Weiterverarbeitung zu tragenden Strukturteilen, insbesondere zu Tragflächen von Fluggeräten, durch abrasiven Abtrag der Oberfläche.
Derartig vorbereitete Oberflächen werden im modernen Flugzeugbau benötigt, um durch die Verarbeitung kohlenstofffaserverstärkter Kunststoffe leichtere Strukturen bauen zu können. Beispielsweise müssen die Klebeflächen der Ober- und Unterschale von Tragflächen sorgfältig vorbehandelt werden, bevor sie zum fertigen Flügel verklebt werden. Dabei sind zwischen den Schalen auch Spanten und Stringer einzulaminieren.
Die im Betrieb extrem belasteten Strukturteile dürfen nicht versagen. Erfahrungsgemäß sind Klebestellen jedoch häufig, aufgrund von Fehlstellen, die eine geringere Festigkeit aufweist als der Grundwerkstoff, Ursache für eine Schwächung des Strukturteils.
Zur Vermeidung solcher Fehlstellen werden die für die Weiterverarbeitung durch Kleben vorgesehenen Oberflächen herkömmlicherweise zunächst geschliffen. Es werden zudem aufwendige Qualitätssicherungsmaßnahmen getroffen, um das Schleifergeb nis zu kontrollieren. Beim Schleifen laminierter rauer Oberflächen besteht die Gefahr, dass die festigkeitsbestimmenden Fasern durch den Schleifprozess beschädigt werden. Hierfür sind optische Kontrollen erforderlich, da durchgeschliffene Fasern unzulässig sind. Zusätzlich wird eine Messung des Oberflächenwiderstandes vorgenommen.
Zur Ermittlung verunreinigter Stellen wird ein Vaterbreak-Test durchgeführt, der die unterschiedliche Oberflächenspannung geschliffener und verunreinigter Flächen nutzt, um eine Aussage über die Qualität des Schleifergebnisses zu treffen. Dabei wird die Klebefläche mit entionisiertem Wasser vollständig benetzt. Anschließend wird die Fläche senkrecht gestellt, damit das Wasser abfließen kann. Bei gut gereinigter Oberfläche fließt das Wasser gleichmäßig ab. An verschmutzten Stellen bilden sich Wasserperlen. Solche Stellen müssen nachgeschliffen werden. Zur Entfernung des Wassers bzw. einer Restfeuchtigkeit müssen die Teile anschließend in einem Ofen getrocknet werden.
Schon bei der Konstruktion der Strukturteile ist der für diese Bearbeitungsschritte notwendige Platzbedarf der Schleifmaschinen zu berücksichtigen. Besonders im Innenraum des Flügels kennen enge sackartiger Räume mit der Schleifmaschine nur schwer erreicht werden.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Verfahren und eine Vorrichtung zur Vorbereitung von Kunststoffoberflächen, beispielsweise von Oberflächen kohlenstofffaserverstärkter Kunststoffe, für die Weiterbehandlung zu tragender Strukturteilen, insbesondere zu Tragflächen von Fluggeräten, durch abrasiven Abtrag der Oberfläche zu schaffen, das die Gefahr der Durchtrennung von Fasern verringert und gleichzeitig eine höhere Festigkeit der Klebung bei geringerer Nacharbeit ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
Misst man die Zeit, die benötigt wird, um die Oberfläche üblicherweise bis auf die Faser abzutragen, d. h. zu zerstören, so reicht ein Bruchteil dieser Zeit, um eine für die Klebung ausreichende Behandlung der Oberfläche zu erzielen. Die Qualität dieser Oberfläche übertrifft dabei sogar die einer eingeschliffenen Oberfläche. Bei Bruchversuchen versagen die Bauteile nicht an der Klebestelle, sondern im Grundwerkstoff, so dass die Belastbarkeit der geklebten Strukturteile erhöht wird. Eine Verschmutzung der mechanisch gereinigten Oberfläche durch das Fluid wird dadurch vermieden, dass das gasförmige Fluid getrocknete und entölte Luft aufweist.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird als Strahlmittel Harnstoffharz eingesetzt. Harnstoffharz ist von seiner chemischen Zusammensetzung her weicher als herkömmliche Strahlmittel, wie beispielsweise Korund. Daher eignet sich Harnstoffharz insbesondere zur Behandlung von Kunststoffoberflächen, insbesondere Oberflächen kohlestofffaserverstärkter Kunststoffe.
Die Körner des Strahlmittels sind bei einer Ausführungsform scharfkantig.
Bei einer alternativen Ausführungsform werden abgerundete Körner aus Harnstoffharz verwendet.
Die Korngröße kann je nach Anwendung zwischen 0,01 mm und 1,80 mm liegen.
Bei einer möglichen Ausführungsform liegt die Dichte der aus Harnstoffharz bestehenden Körner zwischen 1 und 2,0 g/cm³. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform beträgt die Dichte der aus Harnstoffharz bestehenden Strahlkörner 1,5 g/cm³.
Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt die Härte der aus Harnstoffharz bestehenden Körner zwischen 3 und 4 Mohs, vorzugsweise bei 3,5 Mohs.
Bei einer möglichen Ausführungsform ist die Kornform der aus Harnstoffharz bestehenden Strahlmittelkörner unregelmäßig.
Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens beträgt das Schüttgewicht der aus Harnstoffharz bestehenden Strahlkörner bei etwa 0,75 kg/l.
Das erfindungsgemäßen Verfahren eignet sich zur Vorbereitung von beliebigen Kunststoffoberflächen. Insbesondere eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren zum Entlacken, Reinigung und Entgraten von Werkstücken mit einer minimalen Einwirkung auf das Werkstück.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform wird als Strahlmittel ein scharfkantiges Kornrundkorn, vorzugsweise in einem Korngrößenbereich zwischen 0 und 19 μm, beispielsweise zwischen 17 und 62 μm eingesetzt. Ein gleichmäßiges Arbeitsergebnis lässt sich dadurch erreichen, dass das Strahlmittel mittels eines Niederdruckstrahls, beispielsweise aus einem Druckkessel mit weniger als etwa 2,5 Bar auf die zu behandelnde Oberfläche gerichtet wird. Weiterhin kann das Strahlmittel mittels einer sogenannter Wirbelstrahldüse auf die zu behandelnde Oberfläche aufgebracht werden. Ein umlaufender Strahl der Wirbelstrahldüse verhindert die Bildung sogenannter unerwünschter ”hot spots”.
Mittels einer optischen Kontrolle kann das Arbeitsergebnis bzw. die Behandlung der Oberfläche geprüft werden, um eine ausreichenden Qualität der Oberfläche sicherzustellen. Bei einer möglichen Ausführungsform erfolgt die Behandlung mit dem Strahlmittel solange, bis fast eine wolkenfreie, matte behandelte Oberfläche erreicht wird. Bei einer möglichen Ausführungsform kann die behandelte Oberfläche nachbearbeitet werden, indem die behandelte Oberfläche zur Entfernung des Strahlmittels getrockneter und ölfreier Druckluft abgeblasen wird. Bei einer möglichen Ausführungsform erfolgt eine Messung eines Oberflächenwiderstandes und/oder eine optische Kontrolle anhand einer Vergleichsprobe zur Qualitätssicherung.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt die Behandlung der Oberfläche in einer klimatisierten, beispielsweise zugluftfreien, Umgebung.
Bevor die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelten Teile bzw. Werkstücke zur Weiterverarbeitung abtransportiert werden, wird die Oberfläche vakuumverpackt.
Eine statistische Stabilität des durch das erfindungsgemäße Verfahren erzielten Arbeitsergebnisses kann erhöht werden, indem das Strahlmittel nicht kreisförmig geführt wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann auch ein sogenanntes Halbzeug eingesetzt werden, das beispielsweise aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff besteht. Beispielsweise werden ”Prepregs” in einem Druckstrahlverfahren zum Verkleben beispielsweise mit Stringern auf Außenhäuten, Tiesverklebung, Rippenbeschlägen oder dergleichen vorbehandelt. Dabei wird ein geringer Materialabtrag erreicht, ohne dass die Messgenauigkeit des Bauteils beeinträchtigt wird. Die Oberfläche wird durch einen mechanischen Abtrag der Oberfläche gereinigt, wobei der Abtrag genau dosiert werden kann. Es besteht somit eine erhöhte Sicherheit gegenüber einer Verletzung von Fasern des Kunststoffes. Die Strahlbehandlung wird vorzugsweise trocken durchgeführt, wobei die Wirkung auf die Bauteiloberfläche im Wesentlichen durch die Wahl des Strahlmittels bestimmt wird. Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren wird als Strahlmittel Harnstoffharz eingesetzt. Auch die Oberflächenrauhigkeit wird in erster Linie durch das eingesetzte Strahlmittel und den Druck bestimmt. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann man eine Wirbelstrahldüse einsetzten. Die Speisung der Druckluft erfolgt vorzugsweise in einem Druckbereich zwischen 2 und 3 Bar bei Einsatz eines Druckstrahlkessels. Vorzugsweise wird die Druckluft mit einem Druck von 2,5 Bar eingespeist.

Claims

Verfahren zur Vorbereitung von Kunststoffoberflächen für die Weiterverarbeitung zu tragenden Strukturteilen durch abrasiven Abtrag mittels eines in einem gasförmigen Fluid verteilten Strahlmittels, wobei das Strahlmittel durch Harnstoffharz gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Körner des aus Harnstoffharz bestehenden Strahlmittels scharfkantig sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Körner des aus Harnstoffharz bestehenden Strahlmittels abgerundet sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Kornform der aus Harnstoffharz bestehenden Körner unregelmäßig ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Dichte der aus Harnstoffharz bestehenden Körner 1 bis 2 g/cm³ beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Härte der aus Harnstoffharz bestehenden Körner 3 bis 4 Mohs beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Schüttgewicht der aus Harnstoffharz bestehenden Körner 0,5–1 kg/l beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Korngröße der aus Harnstoffharz bestehenden Körner 0,10–1,80 mm beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die tragenden Strukturteile durch Tragflächen von Fluggeräten gebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Kunststoffoberflächen durch kohlestofffaserverstärkte Kunststoffe gebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das gasförmige Fluid durch Luft gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Strahlmittel mittels einer Wirbelstrahldüse auf die zu behandelnde Oberfläche aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die behandelte Oberfläche zur Entfernung des Strahlmittels mit getrockneter und ölfreier Druckluft abgeblasen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Behandlung der Oberfläche in einer klimatisierten Umgebung erfolgt.
Vorrichtung zur Vorbereitung von Kunststoffoberflächen für die Weiterverarbeitung zu Strukturteilen durch abrasiven Abtrag mittels eines in einem gasförmigen Fluid verteilten Strahlmittels, wobei das Strahlmittel zumindest teilweise aus Harnstoffharz besteht.