DE102004025378A1

DE102004025378A1 - Fensterrahmen für Flugzeuge

Info

Publication number: DE102004025378A1
Application number: DE102004025378A
Authority: DE
Inventors: Jens Dipl.-Ing. Bold
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2004-05-24
Filing date: 2004-05-24
Publication date: 2005-12-22
Anticipated expiration: 2024-05-25
Also published as: JP2008500231A; JP4842934B2; EP1748923A1; US20080191095A1; CN1956881A; DE602005006793D1; RU2376197C2; ATE395253T1; RU2006143857A; BRPI0511011A; CA2564167A1; WO2005115838A1; DE102004025378B4; EP1748923B1; US7819360B2; CN100447050C

Abstract

Ein Fensterrahmen zum Einbau in die Außenhaut eines Flugzeuges besteht aus wenigstens je einem äußeren Flansch, einem innere Flansch und einem senkrecht zu und zwischen diesen angeordneten vertikalen Flansch, wobei die Verbindung mit der Flugzeugstruktur über den äußeren Flansch erfolgt und wobei am inneren Flansch ein zu halterndes Fensterelement zur Anlage kommt, das über den vertikalen Flansch gehaltert wird. Der Fensterrahmen besteht aus einem mit unidirektional angeordneten Faserbündeln verstärkten Harz, wobei der Verlauf der Faserbündel in den drei Bereichen äußerer Flansch, innerer Flansch und vertikaler Flansch jeweils der mechanischen Belastungsrichtung folgt. Zur Herstellung wird ein aus unidirektional angeordneten Faserbündeln bestehendes Halbzeug in eine Formwerkzeug eingebracht, in das unter Druck und Temperatur Harz injiziert wird, und das so entstandene Bauteil wird anschließend im Formwerkzeug ausgehärtet.

Description

Die Erfindung betrifft einen Fensterrahmen zum Einbau in die Außenhaut eines Flugzeuges, bestehend aus wenigstens je einem äußeren Flansch, einem inneren Flansch und einem senkrecht zu und zwischen diesen angeordneten vertikalen Flansch, wobei die Verbindung mit der Flugzeugstruktur über den äußeren Flansch erfolgt und wobei am inneren Flansch ein zu halterndes Fensterelement zur Anlage kommt, das über den vertikalen Flansch gehaltert wird. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Fensterrahmens.

In den meisten der derzeit hergestellten und in Betrieb befindlichen Passagierflugzeuge sind Fensterrahmen aus Aluminium eingesetzt, die aus einem Teil bestehen, das durch Schmieden und Richten hergestellt wird. Das Bauteil gliedert sich dabei in insgesamt drei Bereiche: einen äußeren Flansch, einen inneren Flansch und einen senkrecht zu und zwischen diesen beiden angeordneten vertikalen Flansch. Die Fensterrahmen werden üblicherweise mit zwei Nietreihen über den äußeren Flansch mit der Flugzeugstruktur bzw. mit der Außenhaut des Flugzeuges verbunden. Am inneren Flansch liegt ein Fensterelement an, das seinerseits üblicherweise aus zwei Scheiben und einer dazwischen angeordneten Dichtung besteht und das über Niederhalter, die mit dem vertikalen Flansch verbunden sind, in seiner Position gehaltert wird.

Ein derartiger Fensterrahmen hat neben der Fixierung des Fensterelementes auch die Funktion, die Spannungsüberhöhungen aufzufangen, die am Rand des für das Fenster in die lastübertragende Außenhaut eingebrachten, vergleichsweise großen Ausschnittes auftreten. Der äußere Flansch des Fensterrahmens dient dabei einerseits der Verstärkung dieses Ausschnittes, anderseits werden über ihn der Rahmen und die Außenhaut mittels Nieten miteinander verbunden. Da die Herstellung der bekannten Aluminium-Fensterrahmen üblicherweise mittels Schmieden erfolgt, ist es nicht möglich, einen für die Nietkraftverteilung günstigen Querschnittsverlauf des Rahmenprofils zu erreichen, da die Schräge des Flansches maximal etwa 2 Winkelgrad betragen darf, um eine einfache Vernietung zu gewährleisten.

Der innere Flansch dient der Aufnahme des Fensterelementes, wobei hier eine Schräge den Einbau des Fensters vereinfacht. Gleichzeitig wird die durch den Innendruck, der in der Passagierkabine herrscht, entstehende Last über diesen Innenflansch auf die Außenhaut des Flugzeuges übertragen.

Der vertikale Flansch schließlich dient als Versteifungsrippe auf dem Rahmen, um so die Spannungen in der Außenhaut mit geringst möglichem Gewicht zu minimieren. An diesem vertikalen Flansch sind auch die Augbolzen befestigt, mit denen üblicherweise die Niederhalter oder Retainer für die Fensterelemente in ihrer Position gehalten werden. Gleichzeitig bildet der vertikale Flansch auch die Führung bei der Montage des Fensterelementes.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Fensterrahmen der eingangs genannten Art bereitzustellen, der eine beträchtliche Gewichtsersparnis im Vergleich zu den heute für diesen Verwendungszweck eingesetzten Fensterrahmen ermöglicht. Zugleich sollen die Kosten für die Herstellung eines solchen Fensterrahmens möglichst niedrig liegen. Weiterhin soll durch die Erfindung ein möglichst einfach und kostengünstig durchzuführendes Verfahren zur Herstellung eines solchen Fensterrahmens bereitgestellt werden.

Die Erfindung löst die erste Aufgabe, indem sie vorsieht, daß ein derartiger Fensterrahmen aus einem mit unidirektional angeordneten Faserbündeln verstärkten Harz besteht. Die Lösung der weiteren Aufgabe erfolgt durch ein Verfahren, bei dem ein aus unidirektional angeordneten Faserbündeln bestehendes Halbzeug in ein Formwerkzeug eingebracht wird, in das unter Druck und Temperatur Harz injiziert wird, und bei dem das so entstandene Bauteil anschließend im Formwerkzeug ausgehärtet wird.

Dadurch, daß die Erfindung die Verwendung eines in Faserverbundbauweise hergestellten Fensterrahmens mit einem belastungsgerechten Faserverlauf vorsieht, bei dem die Fasern gleichsam der Belastungsrichtung folgen, und der gegenüber den bislang eingesetzten Aluminium-Fensterrahmen eine Gewichtsersparnis von etwa 50 Prozent ermöglicht. Aufgrund seines erfindungsgemäß derart optimierten Lagenaufbaus weist der Fensterrahmen nach der Erfindung zugleich auch gegenüber Faserfensterrahmen, die aus einem Halbzeug mit quasi-isotropen Lagenaufbau hergestellt werden, einen nochmaligen Gewichtsvorteil von etwa 20 Prozent auf. Trotz dieses großen Gewichtseinsparungspotentials erhöhen sich die Kosten für ein solches Bauteil im Vergleich zu einem als Aluminium-Schmiedeteil hergestellten Fensterrahmen nicht.

Zugleich ist es möglich, den Faserfensterrahmen gemäß der Erfindung mit einer Toleranz von nur etwa 0,2 mm bei einer durchschnittlichen Wandstärke von 5 mm Dicke herzustellen, was einer Fertigungstoleranz von etwa 4 Prozent entspricht. Bei Aluminium-Schmiederahmen sind dagegen, bedingt durch das Fertigungsverfahren, Toleranzen von etwa 1,5 mm zu akzeptieren, was bei gleicher Wandstärke einer Fertigungstoleranz von etwa 30 Prozent entspricht. Damit werden durch die Erfindung nicht nur die Gewichtsschwankungen zwischen den einzelnen Fensterrahmen erheblich verringert, sondern es wird zugleich auch der Einbau des Rahmens in ein Flugzeug bzw. die Montage des Fensterelementes im Rahmen beträchtlich vereinfacht. Weitere Vorteile sind schließlich eine erhöhte Sicherheit sowie eine deutlich verbesserte thermische Isolierung der Fensterrahmen nach der Erfindung.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigen
1 einen Fensterrahmen in perspektivischer Darstellung,
2 einen Detailschnitt durch die Einbauposition eines Fensterrahmens gemäß 1,
3 einen Teil eines Formwerkzeuges zur Herstellung eines Fensterrahmens gemäß 1 in geöffneter Position,
4 das Formwerkzeug gemäß 3 in geschlossener Position,
5 und 6 eine Darstellung der Hauptrichtungen bei einem Fensterrahmen gemäß 1, wobei 6 eine Detaildarstellung des mit VI gekennzeichneten Bereiches in 5 ist.
7 die Richtungen eines belastungsgerechten Lagenaufbaus des Fensterrahmens gemäß 1 in prinzipieller Darstellung,
8 den Aufbau eines Preforms in einer Schnittdarstellung und
9-12 den Faserverlauf in unterschiedlichen Bereichen des Fensterrahmens gemäß 1.
Der in 1 dargestellte Fensterrahmen 1 ist in Faserbauweise hergestellt und weist, wie auch die bekannten Aluminium-Schmiederahmen, einen äußeren Flansch 2, einen inneren Flansch 3 sowie einen zwischen diesen beiden angeordneten vertikalen Flansch 4 auf. Im Gegensatz zu herkömmlichen Aluminium-Fensterrahmen weist der äußere Flansch 2 in diesem Fall jedoch einen gleichmäßig umlaufenden Rand auf. Ferner besitzt dieser äußere Flansch 2 im Gegensatz zum entsprechenden Aluminium-Schmiedeteil in unterschiedlichen radialen Bereichen eine unterschiedliche Dicke. Dies führt zu einer wesentlich besseren Materialausnutzung im Bereich der Vernietung und des Hautausschnittes. 2 verdeutlicht dies in einem Detailschnitt, in dem die Einbaulage eines solchen Fensterrahmens 1 in der Außenhaut 5 eines Flugzeuges dargestellt ist. Angedeutet sind in dieser Figur auch die Nietpositionen 6 für die Verbindung des Rahmens mit der Außenhaut 5 sowie zwei Fensterscheiben 7 und 8, die zusammen mit einer Dichtung 9 das Fensterelement bilden.
Der Fensterrahmen 1 wird mittels der sogenannten "Resin-Transfer-Moulding" oder RTM-Technologie hergestellt. Hierbei wird zunächst aus Fasern ein Formteil 10, das sogenannte Preform, hergestellt. Dieses wird anschließend in ein zweiteiliges Formwerkzeug 11 eingelegt, wie es in den 3 und 4 dargestellt ist. Innerhalb eines unteren Formwerkzeuges 12 und eines oberen Formwerkzeuges 13 sind dabei ein innerer Kern 14 und ein, in diesem Fall zweigeteilt ausgebildeter, äußerer Kern 15 angeordnet. Das Preform 10 wird zwischen die beiden Kerne 14 und 15 eingebracht, das Formwerkzeug 11 wird geschlossen und es wird unter Druck und Temperatur Harz in das Formwerkzeug injiziert. Das komplette Bauteil 1 wird anschließend innerhalb des Formwerkzeuges 11 ausgehärtet. Das Preform 10 kann entweder als ein komplettes Teil oder aber in der sogenannten Sub-Preform-Technik hergestellt werden, bei der der komplette Fensterrahmen 1 aus einzelnen Substruktur-Elementen oder Sub-Preforms zusammengesetzt wird.
In jedem Fall besteht das Preform 10 aus einzelnen Lagen, die aus unidirektional umlaufenden Faserbündeln aufgebaut sind. Entscheidend für die mit dem hier beschriebenen Fensterrahmen 1 erzielbare Gewichtsersparnis ist dabei die Richtung der einzelnen Faserlagen. Eine Lagenrichtung, die nicht umlaufend im Rahmen ist, könnte nicht die Gewichtsersparnis erzielen, wie sie mit der hier beschriebenen Anordnung erreicht wird. Die prinzipielle Lagenrichtung mit den Hauptrichtungen 0°, 45 und 90° ist in den 5 und 6 dargestellt. Die 0°-Richtung ist dabei die Umfangsrichtung des Fensterrahmens 1, die 90°-Richtung verläuft in radialer Richtung und die 45°-Richtung verläuft im Bereich des Überganges vom vertikalen Flansch 4 zum äußerem Flansch 2.
Der Faserverlauf ist detailliert in den 7 bis 12 dargestellt. Dabei zeigen zunächst 7 in prinzipieller Darstellung die Richtungen eines belastungsgerechten Lagenaufbaus des Fensterrahmens 1 und 8 einen Schnitt durch den Lagenaufbau der Faserbündel. In dieser Figur bezeichnen die Bezugszeichen 20 den 0°-Wickelkern im Innenflansch, 23 die Faserbündel mit einer ± 60°-Lage in allen Außenbereichen sowie die ± 60°-Lagen durchgehend vom äußeren Flansch 2 zum inneren Flansch 3, 24 die Faserbündel mit 0°- und 90°-Lagen im Bereich des vertikalen Flansches 4 und 25 die Faserbündel mit ±45°-Lagen im Bereich des äußeren Flansches 2. Diese Lagerichtungen sind an der Schnittstelle von äußerem Flansch 2, innerem Flansch 3 und vertikalem Flansch 4 gemessen. Um einen Faserverlauf zu erzielen, bei dem die Fasern der Belastungsrichtung folgen, wird für den Fensterrahmen 1 ein Aufbau gewählt, der sich wie folgt zusammensetzt:
äußerer Flansch 2:

– quasi-isotroper, radialer Aufbau im Bereich der Vernietung,

4

– 0°-Kern zur Hauptlastaufnahme,
– ±60°-Lagen an der Außenseite,

3

– 0°-Richtung vorherrschend,
– ±60°-Lagen an den Außenseiten,
– 90° zur Versteifung.

Wie aus den 9 bis 12 zu erkennen ist, in denen jeweils der im linken Teil der Figur gekennzeichnete Ausschnitt des Fensterrahmens 1 vergrößert dargestellt ist, ergibt sich damit für die jeweils gerade verlegte Faser der folgende Sachverhalt:
vertikaler Flansch 4:

– alle Fasern bleiben in der Richtung, in der sie gemessen wurden,

3

2

– 0°-Fasern bleiben in der Richtung, in der sie gemessen wurden (9),
– ±45°-Fasern ändern ihren Winkel zu ±60° (10),
– ±60°-Fasern ändern ihren Winkel zu ±70° (11).

12 zeigt schließlich noch die 90°-Faser in Radiusrichtung. Insgesamt ergibt sich hieraus ein quasi-isotrop, radial gerader Aufbau, bei dem die Fasern immer in Belastungsrichtung verlaufen und gerade sind.
Der auf diese Weise hergestellte Fensterrahmen 1 weist gegenüber herkömmlichen Aluminium-Fensterrahmen eine etwa 50-prozentige Gewichtsersparnis bei etwa gleichen Herstellungskosten auf. Seine Toleranzen liegen wesentlich niedriger als die Toleranzen der entsprechenden Aluminiumbauteile. Zugleich bietet der Rahmen eine höhere Sicherheit und eine bessere thermische Isolierung als herkömmliche Aluminium-Fensterrahmen.

Claims

Fensterrahmen zum Einbau in die Außenhaut eines Flugzeuges, bestehend aus wenigstens je einem äußeren Flansch, einem inneren Flansch und einem senkrecht zu und zwischen diesen angeordneten vertikalen Flansch, wobei die Verbindung mit der Flugzeugstruktur über den äußeren Flansch erfolgt und wobei am inneren Flansch ein zu halterndes Fensterelement zur Anlage kommt, das über den vertikalen Flansch gehaltert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Fensterrahmen (1) aus einem mit unidirektional angeordneten Faserbündeln (20, 23, 24, 25) verstärkten Harz besteht.
Fensterrahmen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verlauf der Faserbündel (20, 23, 24, 25) der mechanischen Belastungsrichtung folgt.
Fensterrahmen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verlauf der Faserbündel (20, 23, 24, 25) wie folgt gewählt ist: äußerer Flansch (2) – quasi-isotroper, radialer Aufbau im Bereich der Vernietung (6) innerer Flansch (3): – 0°-Richtung vorherrschend, – ±60°-Lagen an den Außenseiten, – 90° zur Versteifung. vertikaler Flansch (4): – 0°-Kern zur Hauptlastaufnahme, – ±60°-Lagen an der Außenseite,
Verfahren zur Herstellung eines Fensterrahmens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß ein aus unidirektional angeordneten Faserbündeln (20, 23, 24, 25) bestehendes Halbzeug (10) in ein Formwerkzeug (11) eingebracht wird, in das unter Druck und Temperatur Harz injiziert wird, und daß das so entstandene Bauteil (1) anschließend im Formwerkzeug (11) ausgehärtet wird.