DE102006007429A1

DE102006007429A1 - Verfahren zum autoklavfreien Verkleben von Bauteilen für Luftfahrzeuge

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Publication number: DE102006007429A1
Application number: DE102006007429A
Authority: DE
Inventors: Heiner Dipl.-Ing. Nobis; Wilfried Dipl.-Ing. Röglin; Olaf Bischoff; Andreas Dipl.-Chem. Dr. Schröder
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2006-02-17
Filing date: 2006-02-17
Publication date: 2007-08-30
Anticipated expiration: 2026-02-18
Also published as: DE102006007429B4; EP1984241B1; WO2007093636A1; RU2008132424A; CN101384478A; ATE469024T1; CA2640314A1; JP2009526697A; BRPI0707947A2; US20100012268A1; EP1984241A1; RU2425778C2; DE602007006764D1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum autoklavfreien Verkleben von Bauteilen 2-6 zur Bildung von insbesondere großformatigen Strukturbauteilen 1 für Luftfahrzeuge mit den folgenden Schritten: - Aufbringen mindestens eines Klebefilms 16 im Bereich von Verbindungsstellen 15 der Bauteile 2-6, - Positionieren und Ausrichten der Bauteile 2-6 zueinander auf einer Unterstützungskonstruktion 7, - Abdecken der ausgerichteten Bauteile 2-6 mit einer Vakuumfolie 18 zur Bildung eines Vakuumsacks 28, - Anlegen eines Unterdrucks p<SUB>Innen</SUB> an den Vakuumsack 28, um durch den Umgebungsluftdruck p<SUB>Luftdruck</SUB> einen ausreichenden Anpressdruck auf die Bauteile 2-6 auszuüben, und - Aushärten des mindestens einen Klebefilms 16 zum endgültigen Verkleben der Bauteile 2-6, wobei das Aushärten des mindestens einen Klebefilms 16 bei einer Temperatur erfolgt, die oberhalb der Raumtemperatur liegt. Dadurch, dass die Aushärtung des mindestens einen Klebefilms 16 zur Verbindung der Bauteile 2-6 autoklavfrei in einem Vakuumsack 28 bei einem relativ geringen Luftdruck zwischen 70 kPa und 100 kPa erfolgt, entfällt der bislang erforderliche aufwändige Aufbau durch Abkleben von scharfkantigen Bauteilkanten und/oder Anordnen von Druckstücken zur Erhöhung des lokalen Anpressdrucks in bestimmten Bauteilbereichen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum autoklavfreien Verkleben einer Vielzahl von Bauteilen zur Bildung von insbesondere großformatigen Strukturbauteilen für Luftfahrzeuge.

Großformatige Strukturbauteile werden heutzutage im Flugzeugbau in vielen Fällen durch das Zusammenkleben von metallischen Bauteilen hergestellt, so dass zumindest die Anzahl der erforderlichen Nietverbindungen reduziert werden kann. Beispielsweise werden heutzutage komplette Rumpfschalen durch Aufkleben von Stringern und/oder Fensterausschnittverstärkungen (Doppler) auf Aluminiumlegierungsbleche hergestellt. Großformatige Flügelschalen können auf diese Art und Weise durch das Aufkleben von Stringern und/oder Querrippen in Zeit und Kosten sparender Weise hergestellt werden. Nicht nur monolithische Strukturen sondern auch Sandwichbauweisen in Blech – Wabe – Blech, können dadurch hergestellt werden.

Zum Verkleben der einzelnen Bauteile dienen Klebefilme mit einem Trägermaterial (Matte oder Gewebe), die mit einem Kunststoffmaterial auf der Basis eines Epoxydharzes oder dergleichen imprägniert sind.

Zur Bildung des großformatigen Strukturbauteils werden die Bauteile nach Maßgabe der vorbekannten Verfahren zunächst auf einer geeigneten Unterstützungskonstruktion zueinander positioniert und ausgerichtet. Zwischen den Bauteilen, die miteinander verklebt werden sollen, werden vorab die Klebefilme aufgebracht.

Bevor die gesamte Anordnung mit einer Vakuumfolie abgedeckt und in einem Autoklaven zur Aushärtung der Klebefilme eingebracht wird, müssen bei den vorbekannten Klebeverfahren insbesondere scharfkantige Bereiche bzw. Ab schnitte der Gesamtanordnung mit geeigneten Abdeckmitteln, beispielsweise mit Klebebändern oder dergleichen, gesichert werden. Hierdurch wird ein Durchstoßen der Vakuumfolie vermieden, wenn das gesamte Strukturbauteil zur endgültigen Aushärtung in einem Autoklaven mit Druck beaufschlagt wird. Weiterhin müssen bei den bekannten Klebeverfahren teilweise Silikondruckstücke zur Erhöhung der lokalen Flächenpressung eingesetzt werden. Um die Festigkeit der Klebeverbindungen durch Silikonverunreinigungen nicht zu beeinträchtigen, ist es beim Einsatz von Silikondruckstücken erforderlich, diese ihrerseits besonders sorgfältig mit einer geeigneten Trennfolie abzudecken. Etwaig erforderliche Heftstifte, die zur anfänglichen Fixierung der Bauteile zueinander dienen, müssen gleichfalls aufwändig mit geeigneten Mitteln abgedeckt werden, um ein Durchstoßen der Folie zu vermeiden. Erst ein derart vorbereiteter Aufbau kann mit der Folie abgedeckt werden und anschließend im Autoklaven zur Bildung des fertigen Strukturbauteils endgültig ausgehärtet werden. Die Aushärtung im Autoklaven ist aufgrund des für mechanisch hinreichend belastbare Klebeverbindungen erforderlichen hohen Anpressdrucks zwischen den Bauteilen erforderlich.

Nach Maßgabe der bekannten Fertigungsverfahren gestaltet sich die Vorbereitung der zueinander positionierten und ausgerichteten Bauteile für die anschließende Aushärtung des Gesamtaufbaus im Autoklaven extrem zeit- und daher kostenintensiv. Darüber hinaus erfordert die Verbringung des Aufbaus in den Autoklaven zur Aushärtung massive und daher schwere Unterstützungskonstruktionen, die aufgrund der im Autoklaven auftretenden Kräfte beispielsweise aus Stahl gefertigt werden müssen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein vereinfachtes Verfahren zur Herstellung von Klebeverbindungen an einem großformatigen Strukturbauteil zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den folgenden Schritten gelöst:

– Aufbringen mindestens eines Klebefilms im Bereich von Verbindungsstellen der Bauteile,
– Positionieren und Ausrichten der Bauteile zueinander auf einer Unterstüt zungskonstruktion,
– Abdecken der ausgerichteten Bauteile mit einer Vakuumfolie zur Bildung eines Vakuumsacks,
– Anlegen eines Unterdrucks an den Vakuumsack, um durch den Umgebungsluftdruck p_Luftdruck einen ausreichenden Anpressdruck auf die Bauteile auszuüben, und
– Aushärten des mindestens einen Klebefilms zum endgültigen Verkleben der Bauteile, wobei das Aushärten des mindestens einen Klebefilms bei einer Temperatur erfolgt, die oberhalb der Raumtemperatur liegt.

Da die Aushärtung nach Maßgabe des erfindungsgemäßen Verfahrens lediglich innerhalb eines durch die Vakuumfolie gebildeten Vakuumsacks und nicht unter einem Überdruck von bis zu 1000 KPa in einem Autoklaven erfolgt, müssen scharfkantige Bereiche vor dem Aufbringen der Vakuumfolie nicht mehr separat mit geeigneten Abdeckmitteln, wie zum Beispiel Klebebändern oder dergleichen, versehen werden, um eine Verletzung der Vakuumfolie und hierdurch bedingte Undichtigkeiten zu vermeiden. Durch den Fortfall der Abdeckmittel ergibt sich eine erhebliche Zeit- und Kostenersparnis.

Darüber hinaus ermöglicht die Aushärtung im Vakuumsack den Einsatz leichterer Unterstützungskonstruktionen, die beispielsweise vollständig aus Aluminiumwerkstoffen gebildet sein können.

Auch das ansonsten erforderliche Abkleben von Heftstiften, die üblicherweise zur Fixierung der Bauteile im Raum vorgesehen werden, kann ersatzlos entfallen. Ferner ist das Abkleben großflächiger Dopplerstrukturen entbehrlich.

Aufgrund der bei einer Aushärtung im Vakuumsack geringen Druckeinwirkung verringert sich die Neigung der Bauteile, sich gegeneinander zu verschieben. Zudem treten Setzungsbewegungen nur noch in einem geringeren Umfang auf. Gegebenenfalls kann daher die Anzahl der zur Bauteilfixierung erforderlichen Heftstifte bei ansonsten gleicher Fertigungstoleranz reduziert werden.

Weiterhin ist die Anordnung von Silikondruckstücken im Bereich von Stringerfüßen, wobei die Druckstücke ihrerseits mit einer Trennfolie zur Vermeidung von Kontaminationen der Klebeflächen durch Silikonabscheidungen versehen werden müssen, zur lokalen Erhöhung des Anpressdrucks nicht mehr erforderlich.

Zur Verbesserung des Klebeergebnisses bislang zumindest bereichsweise auf die Bauteile aufgelegte Belüftungsgewebe (so genanntes "Airweave" etc.) aus Nylon oder Polyester, sind ebenfalls nicht mehr oder nur in einem erheblich geringeren Ausmaß erforderlich.

Nach dem Abschluss des Klebevorgangs entfällt demzufolge auch die Entfernung der vorstehend erwähnten erforderlichen Abdeck- und Hilfsmittel.

Die bei der Aushärtung im Vakuumsack auftretenden geringeren Drücke verringern zugleich den Klebstoffaustritt in ungewünschten Zonen, wie zum Beispiel in Faltenbereichen der Vakuumfolie, wodurch sich wiederum der Nachbearbeitungsaufwand in der Form von Reinigungsarbeiten oder dergleichen verringert. Der reduzierte Nachbearbeitungsaufwand hat weiterhin zur Folge, dass weniger Reinigungshilfsmittel, wie zum Beispiel chemische Lösungsmittel, aggressive Kaltreiniger oder dergleichen, eingesetzt werden müssen, was insbesondere unter Umweltschutzgesichtspunkten von Bedeutung ist.

Die Aushärtung im Vakuumsack in einem Härtungsofen ist, im Vergleich zur Aushärtung in einem Autoklaven zudem weniger energieintensiv, wodurch dem Umweltschutz genüge getan wird und die Energiekosten minimiert werden.

Weiterhin kann das erfindungsgemäße Verfahren auch für vollwertige Reparaturen von Schadensstellen während des Betriebs des Flugzeugs eingesetzt werden. Hierbei ermöglicht die Aushärtung im Vakuumsack beispielsweise die Bereitstellung von mobilen und gegebenenfalls sogar im Freien (so genannter "field process") einsetzbaren Unterstützungskonstruktionen. In diesem Fall kann die erforderliche Aushärtungstemperatur in der Unterstützungskonstruktion beispielsweise durch ein transportables Heißluftgebläse erzeugt werden.

Die bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingesetzten modifizierten Aushärtungsparameter erlauben zudem die Anwendung des Verfahrens im Durchlaufprinzip, so dass großformatige Strukturbauteile kontinuierlich gefertigt werden können (Ofenstrasse).

Schließlich lassen sich mittels des Verfahrens die Fertigungstoleranzen verringern, da bei der Aushärtung im Vakuumsack im Vergleich zu einer Aushärtung im Autoklaven um einen Faktor von bis zu 10 geringere Anpresskräfte auftreten, sodass ein ungewünschtes Verschieben der zu verklebenden Bauteile zueinander weitgehend vermieden wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist hierbei nicht auf die Verklebung von Bauteilen aus Aluminiumlegierungen zur Bildung von großformatigen Strukturbauteilen im Flugzeugbau beschränkt zu sehen. Vielmehr können mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens auch beliebige Verbundwerkstoffe mit Aluminiumbauteilen und/oder Verbundbauteile direkt untereinander verklebt werden.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass die Aushärtung des mindestens einen Klebefilms bei einem Unterdruck zwischen 70 kPa und 100 kPa und bei einer Temperatur zwischen 115 °C und 125 °C, erfolgt.

Dadurch, dass die Verklebung der Bauteile mittels der Klebefilme bei einem relativ geringen Unterdruck und nur mäßigen Temperaturen erfolgt, ergibt sich ein erheblich vereinfachter Verfahrensablauf. Der Unterdruck zwischen 70 kPa und 100 kPa gewährleistet einen ausreichenden Anpressdruck der zu verklebenden Bauteile, auch wenn die Aushärtung lediglich im Vakuumsack und nicht in einem Autoklaven bei einem Überdruck von bis zu 1000 kPa erfolgt.

Nach Maßgabe einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt das Positionieren und Ausrichten der Bauteile zueinander auf der Unterstützungskonstruktion, wobei deren Oberflächengeometrie im Wesentlichen einer Oberflächengeometrie des aus den Bauteilen zusammen zu klebenden Strukturbauteils entspricht.

Der Einsatz einer Unterkonstruktion zum Positionieren, Ausrichten und anschließenden Verkleben der Bauteile miteinander erlaubt die Einhaltung enger Fertigungstoleranzen.

In Gemäßheit einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Vakuumfolie direkt auf die zusammen zu verklebenden Bauteile aufgelegt wird.

Hierdurch entfällt der bislang zeit- und kostenaufwändige Aufbau mit Abdeckstreifen, Trennfolien, Druckstücken und Druckstreifen zur Erhöhung des Anpressdrucks, um die Integrität der abschließend zur Bildung des Vakuumsacks auf die zu verklebenden Bauteile aufgebrachten Vakuumfolie zu erhalten.

Nach Maßgabe einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die Bauteile mit einer Aluminiumlegierung und/oder mit einem Verbundwerkstoff gebildet. Hierdurch ist eine Anwendung des Verfahrens auch bei großformatigen Strukturbauteilen, die zumindest teilweise mit Verbundwerkstoffen gebildet sind, möglich.

Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass der mindestens eine Klebefilm mit einem mit Epoxydharz imprägnierten Trägergewebe gebildet ist.

Diese Ausgestaltung gewährleistet eine hohe Maßhaltigkeit der herzustellenden Verklebungen zwischen den Bauteilen. Darüber hinaus sind die Klebefilme im Bereich der Verbindungsstellen leicht anzuwenden, das heißt aufzubringen bzw. aufzutragen.

In der Zeichnung zeigt:
1 Eine schematische Querschnittsdarstellung durch ein großformatiges Strukturbauteil,
2 Darstellung des bislang nach Maßgabe des Standes der Technik notwendigen, aufwändigen Aufbaus am Beispiel einer Verklebung eines Stringers mit einem Hautfeld im Autolaven, und
3 eine Querschnittsdarstellung durch einen vereinfachten Aufbau zur Schaffung derselben Verklebung nach Maßgabe des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Gleiche konstruktive Elemente weisen in der Zeichnung jeweils dieselben Bezugsziffern auf.
Die 1 zeigt eine Querschnittsdarstellung durch einen Aufbau mit einer Vielzahl von nach Maßgabe des erfindungsgemäßen Verfahrens miteinander zu verklebenden Bauteilen zur Herstellung eines großformatigen Strukturbauteils 1.
Bei dem großformatigen Strukturbauteil 1 kann es sich zum Beispiel um eine Landeklappe, eine Deckhaut für eine Tragfläche, ein Seitenleitwerk, ein Höhenleitwerk, ein Segment für eine Rumpfschale, beispielsweise mit einer Vielzahl von Fensterausschnitten, oder dergleichen handeln. Anhand der Darstellung der 1 soll nunmehr der Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens näher erläutert werden.
Zur Durchführung des Verfahrens werden die Bauteile 2, 3, 4, 5 sowie 6 auf einer Unterstützungskonstruktion 7 abgelegt, positioniert und zueinander ausgerichtet. Bei dem Bauteil 2 handelt es sich im gezeigten Ausführungsbeispiel der 1 um eine Hautschale aus einer Aluminiumlegierung, die mit den aufgelegten Bauteilen 3 bis 6 zur Versteifung verklebt werden soll. Die Bauteile 3 bis 6 sind so genannte Stringer oder Verstärkungsprofile mit einer im Wesentlichen Z-förmigen Querschnittsgeometrie, die unter anderem zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften einer Hautschale dienen. Die Stringer sind entsprechend zu dem für die Hautschale eingesetzten Material ebenfalls mit einer Aluminiumlegierung gebildet. Abweichend von dem verwendeten Aluminiumlegierungsmaterial können die Bauteile 2 bis 6 auch mit Verbundwerkstoffen, beispielsweise mit kohlefaserverstärkten Kunststoffen oder dergleichen gebildet sein. Die Bauteile 2 bis 6 können alternativ auch mit einem geschichteten Metall-Kunststoff-Verbundmaterial, wie zum Beispiel "Glare", gebildet sein.
Vor dem eigentlichen Verklebungsprozess werden an den erforderlichen Verbindungsstellen zwischen den Bauteilen 2 bis 6 die erforderlichen Klebefilme zur Herstellung der eigentlichen Verbindung aufgebracht.
Die in Rollenform vorliegenden Klebefilme sind mit einem Trägermaterial, zum Beispiel in der Form eines Nylon-Gewebes, das mit einem aushärtbaren Kunststoffmaterial vorimprägniert ist, gebildet. Zur Vorimprägnierung des Trägermaterials können beispielsweise vorgehärtete Epoxydharze als aushärtbares Kunststoffmaterial eingesetzt werden, die bei niedrigen Temperaturen gelagert werden, um eine vorzeitige Aushärtung zu vermeiden. Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind beispielsweise die folgenden Klebefilme einsetzbar:
Der Klebefilm EA9696.03NW der Firma Henkel, Bay Point, USA sowie der Klebefilm FM94M.03 der Firma Cytec Engineered Materials, Wrexham, UK. Der besseren zeichnerischen Übersichtlichkeit halber sind die Klebefilme zwischen den Bauteilen 2 bis 6 in der Darstellung der 1 nicht dargestellt.
Vor dem Aufbringen der Klebestellen werden die Verbindungsstellen zwischen den Bauteilen 2 bis 6 zur Erhöhung der Haftungswirkung und damit der erreichbaren mechanischen Belastbarkeit der Verklebung gegebenenfalls einer geeigneten Vorbehandlung, beispielsweise durch eine chemische Reinigung, alkalisches und saures Beizen, einem Anodisierverfahren sowie das Aufstreichen von Haftvermittlern (so genannten "Primern") oder dergleichen, unterzogen.
Die Unterstützungskonstruktion 7 ist auf den beiden Auflagern 8, 9 aufgenommen, wobei die Auflager 8, 9 fest oder verschiebbar mit der Unterstützungskonstruktion 7 verbunden sein können. Die horizontale Verschiebbarkeit des Auflagers 9 ermöglicht im gezeigten Ausführungsbeispiel der 1 unter anderem einen Ausgleich von mechanischen Spannungen, die bei Temperaturschwankungen zwischen den Bauteilen 2 bis 6 bzw. der Unterstützungskonstruktion 7 auftreten können. Die Auflager 8, 9 sind wiederum fest mit dem Untergrund 10 verbunden. Die Oberflächengeometrie der Unterstützungskonstruktion 7 ist vorzugsweise der Oberflächengeometrie des Strukturbauteils 1 möglichst genau angepasst, um eine hohe Maßhaltigkeit des herzustellenden großformatigen Strukturbauteils 1 zu gewährleisten.
Da die Aushärtung der zur Verbindung der Bauteile 2 bis 6 eingesetzten Klebefilme im Zuge des erfindungsgemäßen Verfahrens bei geringen Temperaturen zwischen 115 °C und 125 °C sowie bei einem Härtungsdruck zwischen 70 kPa und 100 kPa erfolgt, kann der gesamte Aufbau – im Gegensatz zu der Vorgehensweise bei den vorbekannten Verklebungsverfahren, die mit erheblich höheren Drücken und/oder Aushärtungstemperaturen im Autoklaven arbeiten – ohne Abdeckmittel (Klebestreifen, Airweave etc.) sowie Mittel zur Erhöhung des lokalen Anpressdrucks (Silikonstreifen bzw. Silikonblöcke etc.) im Bereich der zu verklebenden Bauteilen 2 bis 6 mit einer durchgehenden Vakuumfolie 11 abgedeckt werden. Die niedrigen Aushärtungsparameter erlauben eine abdeckmittelfreie und anpressmittelfreie Aushärtung des aus den Bauteilen 2 bis 6 gebildeten Aufbaus in einem Vakuumsack, wodurch sich ein erheblich einfacherer Fertigungsablauf ergibt.
Die Vakuumfolie 11 bildet zusammen mit einer Oberseite der Unterkonstruktion 7 einen gasdichten Vakuumsack 12, der nach Schaffung eines entsprechenden Unterdrucks P_Innen durch den Umgebungsluftdruck P_Luftdruck für einen ausreichenden Anpressdruck zwischen den zu verklebenden Bauteilen 2 bis 6 zur Herstellung einer mechanisch hoch belastbaren Klebeverbindung dient. Nach dem Aufbringen der Vakuumfolie 11 wird der auf diese Weise gebildete Vakuumsack 12 teilevakuiert, das heißt auf einen Innendruck p_Innen zwischen 70 kPa und 100 kPa gebracht, so dass der äußere Luftdruck p_Luftdruck den zur Erzielung einer optimalen Klebeverbindung zwischen den Bauteilen 2 bis 6 erforderlichen Anpressdruck erzeugt.
Der gesamte Vorgang der Aushärtung des die Klebeverbindung bildenden Klebefilms 16 erstreckt sich hierbei über einen Zeitraum zwischen 60 Minuten und 90 Minuten, wobei eine Temperatur zwischen 115 °C und 125 °C eingehalten wird. Die Verwendung eines Klebefilms 16, der niedrigere Aushärtungsparameter aufweist, ermöglicht hierbei die beschriebene Aushärtung des Aufbaus bzw. der Gesamtanordnung in einem Vakuumsack 12 bei relativ geringen Drücken zwischen 70 und 100 kPa im beschriebenen Temperaturintervall.
Die Aushärtung der Bauteile 2 bis 6 kann auch im Zuge des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem Autoklaven erfolgen. Hierzu wird der gesamte, aus den Bauteilen 2 bis 6, der Vakuumfolie 11 sowie der Unterstützungskonstruktion 7 gebildete Aufbau bzw. die gesamte Anordnung zur vollständigen Aushärtung der Klebefilme in den Autoklaven verbracht, wobei der Autoklav nur noch zur Schaffung der für einen ordnungsgemäßen Ablauf des Aushärtungsprozesses notwendigen Temperaturen zwischen 115 °C und 125 °C dient und nicht mehr mit einem energieintensiven Überdruck von bis zu 1000 KPa beaufschlagt wird. Vielmehr wird der Autoklav zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens drucklos, das heißt auf dem Niveau des Umgebungsluftdrucks betrieben. Auf diese Art und Weise können etwaig noch vorhandene Autoklaven auch bei der Durchführung des erfindungsgemäßen autoklavfreien Aushärtungsverfahrens weiter eingesetzt werden.
Besonders vorteilhaft wird der Aushärtungsprozess nach Maßgabe des erfindungsgemäßen Verfahrens jedoch in einem kontinuierlich arbeitenden Durchlaufofen erfolgen, wodurch eine stetige und daher kostengünstigere Fertigung der großformatigen Strukturbauteile für Flugzeuge ohne größere Produktionspausen ermöglicht wird.
Nach dem Abschluss des Aushärtungsprozesses kann die nicht wieder verwendbare Vakuumfolie 11 von den nunmehr verklebten Bauteilen 2 bis 6 abgehoben werden und das großformatige Strukturbauteil 1 weiteren Nachbearbeitungsschritten unterzogen werden. Der Nachbearbeitungsaufwand an dem Strukturbauteil 1 ist jedoch aufgrund der Anwendung des erfindungsgemäßen autoklavfreien Verfahrens erheblich reduziert, da – wie oben bereits dargelegt wurde – im Wesentlichen keine zusätzlichen Abdeckmittel wie zum Beispiel Abklebestreifen oder dergleichen, insbesondere an scharfkantigen Bereichen und Heftstiften, sowie keine Mittel zur Erhöhung des lokalen Anpressdrucks mehr erforderlich sind und demzufolge auch nicht mehr entfernt werden müssen.
Auch der Nachreinigungsaufwand an den verklebten Bauteilen 2 bis 6 reduziert sich bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens signifikant, da aufgrund der Vakuumaushärtung zwischen den zu verklebenden Bauteilen 2 bis 6 nur noch ein verringerter Anpressdruck auftritt, der einen undefinierten Klebstoffaustritt (so genannte "Spinnen") zwischen den zu verklebenden Bauteile 2 bis 6 weitgehend ausschließt. Auch die bislang in der Regel erforderliche arbeitsintensive Nachbearbeitung der Bauteile 2 bis 6 nach dem Aushärten des Klebefilms 16, beispielsweise durch Reinigungsarbeiten mit aggressiven Kaltreinigern, chemischen Aufrauhmitteln, Schleif- und/oder Poliermittel etc., kann im Wesentlichen ersatzlos entfallen.
Da die Aushärtung der zu verklebenden Bauteilen 2 bis 6 autoklavfrei, das heißt im Wesentlichen nur im Vakuumsack 12 bei relativ geringen Anpressdrücken erfolgt, kann die Unterstützungskonstruktion 7 statisch leichter ausgeführt werden. Die Verwendung einer relativ massiven, kostenintensiven und aufwändig zu fertigenden Unterstützungskonstruktion 7, beispielsweise aus Stahl, ist nicht mehr nötig.
Die 2 zeigt eine beispielhafte Darstellung des bislang notwendigen, aufwändigen Aufbaus, der zur Verklebung eines Stringers 13 mit einem Hautfeld 14 in einem Autolaven dient.
Zwischen dem Hautfeld 14 und dem Stringer 13 ist im Bereich einer Verbindungsstelle 15 ein Klebefilm 16 angeordnet, der die eigentliche mechanische Verbindung zwischen dem Hautfeld 14 und dem Stringer 13 bildet. Ein Heftstift 17 dient zur anfänglichen Fixierung der Position des Stringers 13 in Relation zum Hautfeld 14 bis zum Abschluss des Aushärtungsprozesses. Nach dem Abschluss des Aushärtungsprozesses kann der Heftstift 17 entfernt werden. Um ein Durchstoßen der Vakuumfolie 18 aufgrund der in einem Autoklaven 19 auf das Werkstück einwirkenden hohen Überdrücke zu vermeiden, ist der Heftstift 17 mit einem Klebeband 20 abgedeckt. Im Bereich eines unteren Schenkels 21 des Stringers 13 ist ein erster Silikonblock 22 als Druckstück zur Erhöhung des lokalen Anpressdrucks in diesem Bereich angeordnet. Ein zweiter Silikonblock 23 als Druckstück ist zwischen einem oberen Schenkel 24 des Stringers 13 und dem Hautfeld 14 zum Schutz gegen ein Verkippen des Stringers 13 bei Druckeinwirkung positioniert. Zur Vermeidung von Kontaminationen der Verbindungsstelle 15 auf dem Hautfeld 14 durch Silikonabscheidungen der Silikonblöcke 22, 23 ist der erste Silikonblock 22 von einer Trennfolie 25 umgeben. Entsprechend muss auch der zweite Silikonblock 23 gegebenenfalls mit einer derartigen Trennfolie umwickelt werden. Der obere Schenkel 24 des Stringers 13 sowie ein Mittelsteg 26 des Stringers 13 wird zur Fertigstellung des in einen Autoklaven zu verbringenden Aufbaus bzw. der Gesamtanordnung mit einem Klebestreifen 27 abgedeckt. Die Abdeckung der scharfkantigen Bereiche des Stringers 13 sowie des Heftstifts 17 mit den Klebebändern 20, 27 verhindert eine Beschädigung der Vakuumfolie 18 durch ein Durchstoßen bzw. Durchdrücken infolge des im Autoklaven 19 herrschenden hohen Überdrucks von bis zu 1000 KPa. Anschließend wird der gesamte Aufbau bzw. die Gesamtanordnung in den Autoklaven 19 verbracht und der Klebefilm 16 bei Temperaturen von 125 °C – 130°C sowie bei einem Druck von bis zu 1000 KPa über einen Zeitraum von mehreren Stunden zur endgültigen Verbindung des Stringers 13 mit dem Hautfeld 14 ausgehärtet.
Die 3 zeigt den vereinfachten Aufbau, der zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nunmehr nur noch erforderlich ist.
Der Stringer 13 ist in Entsprechung zur Darstellung der 2 auf dem Hautfeld 14 angeordnet. Zwischen dem Stringer 13 und dem Hautfeld 14 ist im Bereich der Verbindungsstelle 15 der Klebefilm 16 angeordnet. Der Heftstift 17 zur anfänglichen Fixierung der Position des Stringers 13 auf dem Hautfeld 14 muss nicht mehr mit dem bislang erforderlichen Klebeband 20 abgedeckt werden. Das Gleiche gilt für den ersten und den zweiten Silikonblock 22, 23 einschließlich der Abdeckungen der Silikonblöcke 22, 23 mit der Trennfolie 25. Weiterhin entfällt der Klebestreifen 27 zur Abdeckung der oberen scharfkantigen Bereiche des Stringers 13. Nach Maßgabe des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es nunmehr nur noch erforderlich, das Hautfeld 14 sowie den Stringer 13 im Bereich der Verbindungsstelle 15 mit der Vakuumfolie 18 zu versehen, so dass sich der verfahrenstechnische Aufwand zur Herstellung bzw. Aufrüstung des Aufbaus – bestehend aus dem Stringer 13, dem Hautfeld 14, dem Klebefilm 16 sowie der Vakuumfolie 18 – erheblich vermindert.
Nach der geschilderten Fertigstellung des Aufbaus nach Maßgabe der 3 wird ein mittels der Vakuumfolie 18 gebildeter Vakuumsack 28 so weit teilevakuiert, dass sich im Vakuumsack 28 ein Innendruck P_Innen zwischen etwa 70 kPa und 100 kPa zur Erzeugung des notwendigen mechanischen Anpressdrucks zwischen dem Stringer 13 und dem Hautfeld 14 infolge des umgebenden Luftdrucks P_Luftdruck einstellt.
Der auf diese Art und Weise gebildete Aufbau wird anschließend zur endgültigen Aushärtung in einen Autoklaven verbracht, um die erforderliche Aushärtungstemperatur von 115 °C bis 125 °C bei einem Druck zwischen 70 kPa und 100 kPa während des Aushärtungszeitraums von 60 bis 90 Minuten sicherzustellen. Der Autoklav dient hierbei nur noch zur Aufrechterhaltung der erforderlichen Aushärtungstemperatur in einem Bereich zwischen 115 °C und 125 °C und wird erfindungsgemäß nicht mehr zur Erzeugung eines Überdrucks von bis zu 1000 KPa benötigt.
Abweichend hiervon kann die Aushärtung des dargestellten Aufbaus bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens in besonders vorteilhafter Weise in einem drucklosen Durchlaufofen zur Schaffung eines kontinuierlichen und damit kostengünstigeren Fertigungsprozesses erfolgen.

1: Strukturbauteil
2: Bauteil (Hautschale)
3: Bauteil (Stringer)
4: Bauteil (Stringer)
5: Bauteil (Stringer)
6: Bauteil (Stringer)
7: Unterstützungskonstruktion
8: Auflager
9: Auflager
10: Untergrund
11: Vakuumfolie
12: Vakuumsack
13: Stringer
14: Hautfeld
15: Verbindungsstellen
16: Klebefilm
17: Heftstift
18: Vakuumfolie
19: Autoklav
20: Klebeband
21: unterer Schenkel (Stringer)
22: erster Silikonblock
23: zweiter Silikonblock
24: oberer Schenkel (Stringer)
25: Trennfolie
26: Mittelsteg
27: Klebeband
28: Vakuumsack

Claims

Verfahren zum autoklavfreien Verkleben von Bauteilen (2-6) zur Bildung von insbesondere großformatigen Strukturbauteilen (1) für Luftfahrzeuge mit den folgenden Schritten: – Aufbringen mindestens eines Klebefilms (16) im Bereich von Verbindungsstellen (15) der Bauteile (2-6), – Positionieren und Ausrichten der Bauteile (2-6) zueinander auf einer Unterstützungskonstruktion (7), – Abdecken der ausgerichteten Bauteile (2-6) mit einer Vakuumfolie (18) zur Bildung eines Vakuumsacks (12, 28), – Anlegen eines Unterdrucks p_Innen an den Vakuumsack (12, 28), um durch den Umgebungsluftdruck p_Luftdruck einen ausreichenden Anpressdruck auf die Bauteile (2-6) auszuüben, und – Aushärten des mindestens einen Klebefilms (16) zum endgültigen Verkleben der Bauteile (2-6), wobei das Aushärten des mindestens einen Klebefilms (16) bei einer Temperatur erfolgt, die oberhalb der Raumtemperatur liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aushärtung des mindestens einen Klebefilms bei einem Unterdruck zwischen 70 kPa und 100 kPa und bei einer Temperatur zwischen 115 °C und 125 °C erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Positionieren und Ausrichten der Bauteile (2-6) zueinander auf der Unterstützungskonstruktion (7) erfolgt, wobei deren Oberflächengeometrie im Wesentlichen einer Oberflächengeometrie des aus den Bauteilen (2-6) zusammen zu klebenden Strukturbauteils (1) entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vakuumfolie (11, 18) direkt auf die zusammen zu verklebenden Bauteile (2-6) aufgelegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile (2-6) mit einer Aluminiumlegierung und/oder mit einem Verbundwerkstoff gebildet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Klebefilm mit einem mit Epoxydharz imprägnierten Trägergewebe gebildet ist.