DE10007995C2 - Strukturbauteil, insbesondere für ein Flugzeug und Verfahren zur Herstellung eines Strukturbauteils - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Strukturbauteil, insbesondere für ein Flugzeug, welches aus mindestens einem Hautfeld besteht und Versteifungselemente aufweist und ein Verfah­ ren zur Herstellung eines Strukturbauteils.

Bei der derzeitigen Fertigung von großflächigen Strukturbauteilen, insbesondere Rumpfschalen für ein Flugzeug, werden Hautbleche bzw. Hautfelder mit Abmessungen von ca. 2,5 m × 10 m verwendet. Es wird für die Herstellung der Rumpfschale die ma­ ximal mögliche Größe verwendet, um die Anzahl der Längs- und Quernähte und damit das Gewicht des Flugzeugrumpfes zu minimieren. Die Minimierung des Strukturgewich­ tes spielt im Flugzeugbau bezüglich des Energiebedarfes und daher für die Wirtschaft­ lichkeit eines Flugzeuges eine wichtige Rolle. Eine Gewichtsminimierung bedingt eine strukturmechanische Optimierung und somit sind die Hautbleche je nach Beanspru­ chung unterschiedlich dick ausgeführt. Beispielsweise können Aufdickungen am Haut­ blech im Bereich der Stringeranbindung notwendig sein. Die unterschiedlichen Dickenbereiche des Hautbleches werden derzeit üblicherweise durch eine Blech/Blech- Vernietung oder Blech/Blech-Klebung oder mechanisches Fräsen oder durch Che­ misch-Abtragen erzeugt. Das Chemisch-Abtragen eines Hautblechs erfolgt durch Mas­ kieren der Bleche, Schneiden und partielles Entfernen der Maske und chemisches Abtragen der freigelegten Fläche. Zur Verstärkung des Hautblechs sind längsverlaufen­ de Stringer vorgesehen. Diese Rumpfhaut-Stringerverbindung wird üblicherweise mit­ tels Nieten oder Kleben hergestellt. Für den weiteren Verfahrensschritt - das Montieren der Spante - werden an Haut und Stringer Winkelelemente, sogenannte Clips, angenie­ tet.

Dieser recht aufwendige Fertigungsablauf zur Herstellung einer Rumpfschalenstruktur ist näher in den VDI-Fortschrittsberichten, Reihe 2: Fertigungstechnik Nr. 326 Disserta­ tion 07/94 von Dipl.-Ing. Peter Heider "Lasergerechte Konstruktion und lasergerechte Fertigungsmittel zum Schweißen großformatiger Strukturbauteile", S. 3 bis 5 beschrie­ ben.

In DE 198 44 035 C1 ist ein Verfahren zum Herstellen von großformatigen Strukturbau­ teilen sowie mögliche Bauweisen eines Strukturbauteils beschrieben, die das Verfahren Laserstrahlschweißen für das Aufbringen einer Versteifungstruktur auf das Hautfeld nutzen. Die in Flugzeuglängsrichtung verlaufenden Stringer werden auf das Hautfeld aufgeschweißt. Auch ist aus diesem Stand der Technik bekannt, Spante bzw. Spante­ lemente schweißgerecht auszubilden und somit das Strukturbauteil größtenteils als Schweißbauteil zu realisieren.

In DE-Z - Aluminium 57 (1981), 7, Seiten 479-484 aus dem Jahre 1981 wird über "Lö­ sungsansätze für den wirtschaftlichen Leichtbau von Flugzeugstrukturen" diskutiert, die einen allgemeinen Überblick über fortschrittliche Bauweisen, d. h. vor allem kostensen­ kende Bauweisen für Luftfahrtstrukturen unter Nutzung der zum damaligen Zeitpunkt möglichen Fertigungstechnologien darstellen. Durchgängig wird in diesem Artikel ein Umschwenken von einer konventionellen Bauweise (Zerspan- und Blechteile, gefügt mit einer Vielzahl von Verbindungselementen) zu Bauweisen mittels Superplastischen For­ men/Diffusionsschweißen (SPF/DB), Feinguss, Genauschmieden zur Schaffung von integral versteiften Blechstrukturen vorgeschlagen. Es ist zu entnehmen, dass es der Fachwelt ein Bedürfnis war, vorhandene gefräste Luftfahrtstrukturen durch andere Bauweisen zu ersetzen und sich von der spanenden Fertigung abzukehren.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Strukturbauteil zu schaffen, welches mit vereinfachten und wenig aufwendigen Fertigungsverfahren herstellbar ist und somit die Fertigungszeit und die Herstellkosten des Strukturbauteils optimiert werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Maß­ nahmen gelöst.

Ein Verfahren zur Herstellung eines Strukturbauteils ist im Anspruch 5 angegeben.

Dabei ist insbesondere von Vorteil, daß die Herstellung des Strukturbauteils mit dem angegebenen Verfahren prozeßoptimiert wird und aufwendige Verfahren zum zusätzli­ chen Verstärken bzw. Abtragen der Blechdicke, um ein gewichtssparendes Struktur­ bauteil zu erzielen, nicht mehr notwendig sind. Mit der Nutzung des Hochgeschwindigkeitsfräsens sind einfache, aber detailreiche Strukturbauteile, insbe­ sondere Schalenstrukturen zu realisieren. Auch ist durch Vermeidung von Fügestellen die Korrosionsgefahr gemindert.

Weiterhin ist es möglich, daß die Haut durch Dickenstufungen oder durch Anpassung der Aussteifungselemente dem jeweiligen Belastungsfall ohne großen Aufwand angepaßt wird.

Es kann die Teilevielfalt reduziert werden, was insbesondere im Produktionsablauf von Vorteil ist und den Aufwand für Disposition, Lagerlogistik, Vernetzung der Konstruktion, Fertigungsverfolgung und Qualitätssicherung vermindert.

Bei einer Bauteilauslegung sind nur wenige Teile zu ändern.

Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen 2 bis 4 sowie 6 bis 11 angegeben.

Stringer können gemäß der Ausbildung nach Anspruch 2 individuelle Dickenabstufun­ gen aufweisen. Die erfindungsgemäße Weiterbildung als Stegform mit möglichen Ab­ stufungen ist mittels spanender Verfahren leicht erreichbar.

Eine Vervollständigung des Strukturbauteils und Möglichkeiten zur Lasteinleitung in die Struktur ist mit der Maßnahme gemäß Anspruch 3 erreicht.

In Anspruch 4 ist eine vorteilhafte Verwendung des erfindungsgemäßen Strukturbau­ teils angegeben.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens in den Unteransprüchen 6 bis 11 ermögli­ chen eine weitgehende Automatisierung des Fertigungsprozesses. Eine lastenoptimier­ te Bauteilgestaltung bzw. -auslegung kann durch eine Prozeßsteuerung einfach umgesetzt werden. Durch den Einsatz der Verfahren Hochgeschwindigkeitsfräsen und Laserstrahlschweißen mit einer hohen Schweißprozeßgeschwindigkeit ist eine vorteil­ hafte Kombination erreicht, die erheblich den Fertigungsaufwand senken kann.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es wird nachste­ hend anhand der Figuren näher beschrieben. In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Es zeigt:

Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Strukturbauteil in einer Perspektivdarstellung,

Fig. 2 das Strukturbauteil gemäß Fig. 1 mit einem angefügten Spantelement und

Fig. 3 eine Darstellung eines Ausschnitts einer mit derzeitigen Fügeverfahren her­ gestellten Rumpfschalenstruktur.

In Fig. 1 ist ein großflächiges Strukturbauteil 1 ersichtlich. Das Strukturbauteil 1 be­ steht im wesentlichen aus einem Hautfeld 2, auf dem längs- und querverlaufende Ver­ steifungselemente 3 und 4 angeordnet sind. Vorgesehen ist, daß das Strukturbauteil 1 einteilig ausgebildet ist und mittels einer Hochgeschwindigkeitszerspanung aus einer vollen Platte gefräst wird. Die Abmaße eines solchen Halbzeuges können beispielsweise 10 m × 2,5 m × 35 mm betragen. Mit der Möglichkeit des Hochgeschwindigkeitsfräsens, welches durch eine deutliche Steigerung der Spindeldrehzahl sowie der Antriebslei­ stung gekennzeichnet ist, ist eine wesentlich höhere Zerspanungsleistung und damit eine Steigerung der Produktivität verbunden. Das Strukturbauteil 1 ist vorzugsweise für eine Verwendung als Flugzeugrumpfschale vorgesehen. Ein Bereich einer Flugzeug­ rumpfschale 10 nach dem bisherigen Stand der Technik zur Verdeutlichung des her­ kömmlichen Fertigungsprozesses ist in Fig. 3 dargestellt.

Mit dem erfindungsgemäßen Strukturbauteil 1 ist gegenüber der bekannten Lösung eine Verminderung von Herstellkosten und Fertigungsaufwand erreicht. Die längsverlau­ fenden, bei einer Anwendung für ein Flugzeug in Flugzeuglängsrichtung verlaufenden Versteifungselemente 3 sind als Stringer ausgebildet. Der Stringerabstand auf dem Hautfeld 2 kann minimiert werden, was es ermöglicht, schlankere Stringergeometrien anzuwenden und damit Gewichtsvorteile gegenüber eines herkömmlichen Strukturbau­ teils und eine Verbesserung der Rißstoppeigenschaften zu erreichen. Quer zu den Stringern 3 sind Aussteifungselemente 4 vorgesehen, die zur Versteifung des Struktur­ bauteils dienen und beispielsweise ermöglichen, daß die Stringerknicklänge reduziert werden kann und die akustischen Eigenschaften eines Hautfeldes verbessert werden.

Die Aussteifungselemente 4 sind als Stegstützen 5 oder 6 ausgebildet, die unterschied­ liche Steghöhen aufweisen können. So ist der Steg 5 mit einer geringen Steghöhe und der Steg 6 mit einer höheren Steghöhe ausgeführt, wobei eine belastungsabhängige Auslegung die Bauteilgeometrie bestimmt. Mit der Anwendung des Hochgeschwindig­ keitsfräsens ist auch eine numerische Steuerung des Zerspanungsprozesses und eine weitgehend automatisch ablaufende Fertigung zur Bauteilherstellung möglich. Mit einer individuell dem Lastfall angepaßten Bauteilgeometrie können am Strukturbauteil 1 durch Verstärkungen 9A bzw. Abtragungen 9B im Hautfeld 2 und durch Dicken- und Höhenabstufungen der Versteifungselemente 3, 4, 5 und 6 Anpassungen bzw. Ände­ rungen unaufwendig vorgenommen werden, die nach dem üblichen Herstellverfahren für Schalenbauteile 10 (siehe Fig. 3) nur mit einem großen Herstellaufwand und einer großen Teilevielfalt erreichbar wären.

Die durch die Auslegung definierte Bauteilgeometrie kann in einer bevorzugten Ausge­ staltung rechnerunterstützt entstehen und die geometrischen Daten können für die Generierung des NC-Programmes für den Fertigungsprozeß genutzt werden, wenn mög­ lich ebenfalls automatisiert. Eine Fertigung des Strukturbauteils 1 auf einer NC- gesteuerten Fräsmaschine ist somit ohne einen Montageaufwand und ohne eine Viel­ zahl von Bauteilen realisierbar und die lastenoptimierte Bauteilgestaltung ist durch die Prozeßsteuerung einfach umsetzbar.

Als weiteres quer verlaufendes Aussteifungselement 4 ist ein Spantsteg 7 vorgesehen, der gleichzeitig eine Anschlußfläche 7A für ein anzufügendes Element aufweist. In der nachfolgenden Fig. 2 ist ersichtlich, daß ein Spantelement 8 auf den Spantsteg 7 auf­ gesetzt werden kann. Das Spantelement 8 kann bevorzugt als Strangpreßteil ausgebil­ det sein. Möglich ist aber auch, daß dieses Element ebenfalls durch einen Zerspanungsprozeß hergestellt ist, beispielsweise durch Fräsen aus einer vollen Platte. Als Fügeverbindung zwischen dem Spantsteg und dem Spantelement kann das bereits aus dem Stand der Technik bekannte Laserstrahlschweißen Anwendung finden.

Durch eine Kombination der Verfahren Hochgeschwindigkeitsfräsen und Laserstrahl­ schweißen ist es möglich, den Herstellungsprozeß für Strukturbauteile erheblich zu ver­ einfachen.

In Fig. 3 ist eine aus dem Stand der Technik bekannte Flugzeugrumpfschale 10 darge­ stellt. In dem gezeigten Ausschnitt sind die auf einem Hautfeld 11 aufgesetzten Stringer 12 ersichtlich. Die Stringer 12 können angenietet oder aufgeklebt werden. Vor dem Klebevorgang müssen alle Einzelteile eine spezielle Klebevorbehandlung erhalten. Sie werden entfettet, gereinigt, gebeizt, in Chromsäure anodisiert und anschließend gepri­ mert. Das Kleben und Aushärten erfolgt unter Temperatur und Zeiteinfluß in einem Au­ toklaven. Danach müssen die Bauteile gereinigt und überflüssiger Klebstoff entfernt werden. Weiterhin müssen die Klebefugen gegen Korrosion geschützt werden, was mit­ tels einer Dichtmittelraupe realisiert wird, die noch eine weitere Schutzschicht gegen aggressive Medien erhält.

Für den Nietvorgang ist es ebenfalls notwendig, eine recht aufwendige Bauteilvorberei­ tung zum Oberflächenschutz durchzuführen. Das Hautblech 11 und die Stringer 12 müssen anodisiert, grundiert, an den Fügeflächen mit Aktivator gereinigt und mit Dichtmittel versehen werden. Dann erst kann der eigentliche Nietvorgang ausgeführt werden. Die Nieten sind beispielhaft mit dem Bezugszeichen 15 gekennzeichnet. Nach Herstellung der Rumpfhaut-Stringerverbindung werden Winkelelemente, sogenannte Clips 13 an die Stringer 12 und an das Hautfeld 11 angenietet. Bei diesen Nietvorgän­ gen sind die bereits genannten aufwendigen Vorbereitungsmaßnahmen ebenfalls auszu­ führen. In einem weiteren Montagevorgang werden Spante in die Rumpfschale 10 eingebracht. Gezeigt ist ein Spant 14, der an die Winkelelemente 13 angenietet wird, wobei zumindest in bestimmten Bereichen der Rumpfunterschale ebenfalls die aufwen­ digen Vorbereitungsmaßnahmen und ein Einbringen von Dichtmittel notwendig sind.

Claims (11)

1. Strukturbauteil (1), insbesondere für ein Flugzeug, welches aus mindestens einem Hautblech (2) besteht und Versteifungselemente (3, 4) aufweist, die Versteifungs­ elemente in Längsrichtung als Stringer (3) und in Querrichtung als Aussteifungsele­ mente (4) ausgebildet sind und mit dem Hautblech (2) ein einheitliches Bauteil bilden, dadurch gekennzeichnet, daß das Strukturbauteil (1) aus einem Halbzeug gefertigt und als Frästeil ausgebildet ist, das Hautblech (2) Verstärkungen (9A) und/oder Abtragungen (9B) aufweist und die Aussteifungselemente (4) Stegstützen (5, 6) bilden, die belastungsabhängig unterschiedliche Steghöhen aufweisen.

2. Strukturbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stringer (3) stegförmig ausgebildet sind.

3. Strukturbauteil nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Aussteifungselemente (4) Spantstege (7) bilden, an die zur Vervollständigung des Spantes ein Spantelement (8) anfügbar ist.

4. Strukturbauteil nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Strukturbauteil (1) zur Herstellung einer Rumpfschale eines Flugzeu­ ges verwendet wird.

5. Verfahren zur Herstellung eines Strukturbauteils (1), wobei aus einem als Platte aus­ gebildeten Halbzeug entsprechend der Auslegungsvorgaben des Strukturbauteils (1) ein Hautblech (2) mit längs und quer verlaufenden Versteifungselementen (3, 4) spa­ nend gefertigt wird und als Verfahren das Hochgeschwindigkeitsfräsen eingesetzt wird und wobei der Spanprozeß über eine numerische Steuerung gesteuert wird und die Bauteilgeometrie in numerischer Form zur Steuerung des Zerspanungsprozesses abgerufen wird, wobei mittels Verstärkungen (9A) und/oder Abtragungen (9B) im Hautfeld (2) sowie eine individuelle Anpassung der Versteifungselemente (3, 4) (Di­ cken- bzw. Höhenabstufungen) das Bauteil lastenoptimiert gestaltet und die Bauteil­ geometrie damit definiert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung mit einer Großflächenfräsmaschine ausgeführt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Versteifungselemente (3, 4) zum einen Stringer (3) bilden und zum anderen quer zur Stringerrichtung Stegstützen (5, 6) und/oder Spantstege (7) vorgesehen werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß an die Spantstege (7) ein Spantelement (8) angefügt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Spantelement (8) mittels Laserstrahlschweißen an die Spantstege (7) angefügt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Spantelement (8) mit dem Verfahren Strangpressen hergestellt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Spantelement (8) mit einem Zerspanungsprozeß aus einer vollen Platte hergestellt wird.