DE102008010197A1 - Verfahren zum Verbinden von zwei Rumpfsektionen unter Schaffung eines Querstoßes sowie Querstoßverbindung - Google Patents
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- B29C66/739—General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts characterised by the composition, physical properties or the structure of the material of the parts to be joined; Joining with non-plastics material characterised by the intensive physical properties of the material of the parts to be joined, by the optical properties of the material of the parts to be joined, by the extensive physical properties of the parts to be joined, by the state of the material of the parts to be joined or by the material of the parts to be joined being a thermoplastic or a thermoset characterised by the material of the parts to be joined being a thermoplastic or a thermoset
- B29C66/7394—General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts characterised by the composition, physical properties or the structure of the material of the parts to be joined; Joining with non-plastics material characterised by the intensive physical properties of the material of the parts to be joined, by the optical properties of the material of the parts to be joined, by the extensive physical properties of the parts to be joined, by the state of the material of the parts to be joined or by the material of the parts to be joined being a thermoplastic or a thermoset characterised by the material of the parts to be joined being a thermoplastic or a thermoset characterised by the material of at least one of the parts being a thermoset
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von zwei mit einem faserverstärkten Kunststoffmaterial gebildeten Rumpfsektionen, insbesondere gewickelten Rumpfsektionen für Flugzeugrumpfzellen, mit einer Vielzahl von innenseitig auf einer Außenhaut gleichmäßig parallel zueinander beabstandet verteilt angeordneten Stringern unter Schaffung eines Querstoßes.
- Darüber hinaus betrifft die Erfindung zwei Ausgestaltungen einer Querstoßverbindung zwischen zwei Rumpfsektionen.
- Im modernen Flugzeugbau ersetzen kohlefaserverstärkte Verbundbauteile (CFK-Bauteile) zunehmend die klassischen Aluminiumlegierungsmaterialien. So werden beispielsweise Rumpfsektionen, einschließlich der innenseitig angeordneten Stringer, einstückig im Wickelverfahren aus CFK hergestellt. Hierbei wird eine geeignete Verstärkungsfaseranordnung vorzugsweise in der Hauptlastrichtung in eine Kunststoffmatrix eingebettet. Die Kunststoffmatrix kann beispielsweise mit duroplastischen oder mechanisch hochbelastbaren thermoplastischen Kunststoffen gebildet sein. Als duroplastische Kunststoffe finden bevorzugt Epoxidharz-Systeme Verwendung, während im Bereich der thermoplastischen Kunststoffe beispielsweise Polyetheretherketone (PEEK) eingesetzt werden. Zur Schaffung der Verstärkungsfaseranordnung werden in der Regel Kohlefasern, Glasfasern, Aramid®-Fasern, Kevlar®-Fasern, keramische Fasern oder Naturfasern eingesetzt.
- Ein großes Problem stellt hierbei das Zusammenfügen mehrerer CFK-Rumpfsektionen zu einer Rumpfzelle dar, weil ein Toleranzausgleich bei den verfestigten CFK-Rumpfsektionen aufgrund deren hoher Eigensteifigkeit nicht mehr möglich ist und zudem die Toleranzen, insbesondere mit Blick auf die Querschnittsgeometrie, beim Wickelverfahren prinzipbedingt immer erheblich größer ausfallen als im Fall der klassischen Aluminiumbauweise. Diese unvermeidlich höheren Fertigungstoleranzen ergeben sich unter anderem aus Schrumpfungsprozessen bei der Aushärtung im Autoklaven, unterschiedlichen Verstärkungsfaserdichten beim Ablege- bzw. beim Wickelprozess, Temperatur- und Druckschwankungen, Qualitätsschwankungen der Faserhalbzeuge sowie weiteren Störgrößen. Das Zusammenfügen der Rumpfsektionen darf jedoch aus statischen Gründen keinesfalls unter mechanischer Spannung erfolgen.
- Eine Möglichkeit zum Toleranzausgleich stellen Zulagen (so genannte ”Shims”) dar, die in flüssiger, aushärtbarer und/oder in fester Form in den Fügespalt zwischen den Rumpfsektionen eingebracht werden. Diese Zulagen können sich jedoch nachteilig auf die mechanische Belastbarkeit der verbundenen Rumpfsektionen auswirken und erhöhen darüber hinaus erheblich den Montageaufwand, da beispielsweise flüssige, aushärtbare ”Shims” eine lange Aushärtezeit benötigen, in der die zusammenzufügenden Rumpfsektionen in Position gehalten werden müssen. Zudem ist die Anwendung von Zulagen in einigen hochbelasteten Verbindungsbereichen aus Sicherheitsgründen nicht zulässig.
- Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zum Zusammenfügen von insbesondere gewickelten CFK-Rumpfsektionen zu schaffen, das einen einfachen Toleranzausgleich in einem kontinuierlichen, industriellen Fertigungsprozess ermöglicht.
- Diese Aufgabe wird durch die folgenden Verfahrensschritte des Patentanspruchs 1 gelöst:
- a) Ausrichten einer ersten und einer zweiten Rumpfsektion zueinander,
- b) Erwärmen und Anpassen mindestens einer mit einem faserverstärkten thermoplastischen Kunststoffmaterial gebildeten Querstoßlasche derart, dass ein Toleranzausgleich zwischen abweichenden Querschnittsgeometrien der ersten und der zweiten Rumpfsektion möglich wird oder Erwärmen mindestens eines Endbereichs einer zweiten mit einem faserverstärkten thermoplastischen Kunststoffmaterial gebildeten Rumpfsektion, und
- c) Zusammenfügen der beiden Rumpfsektionen.
- Nach Maßgabe einer ersten Verfahrensalternative ist vorgesehen, dass die beiden zusammenzufügenden Rumpfsektionen vorzugsweise mit einem duroplastischen CFK-Material gebildet sind. Der Toleranzausgleich beim Zusammenfügen erfolgt in diesem Fall durch das Erwärmen und im Fall von Toleranzabweichungen erfolgende Anpassen bzw. Umformen der zur endgültigen Herstellung der Verbindung eingesetzten Querstoßlaschen und/oder Stringerkupplungen, die zu diesem Zweck mit einem unter Wärmeeinfluss verformbaren faserverstärkten, thermoplastischen Kunststoffmaterial gebildet sind. Die Umformung erfolgt derart, dass eine möglichst vollflächige Anlage der Querstoßlasche auf der Innenseite der Außenhaut der Rumpfsektion und der Stringer an den Stringerkupplungen erreicht wird. Die Umformung der Querstoßlaschen und/oder der Stringerkupplungen erfolgt in der Regel durch eine Parallelverschiebung von mindestens zwei geradlinigen (endseitigen) Abschnitten in entgegengesetzter Richtung zueinander, wobei ein zwischen jeweils zwei Abschnitten liegender gleichfalls geradliniger Mittelabschnitt eine geringfügige Neigung erfährt.
- Im Fall einer zweiten Verfahrensalternative sind vorzugsweise die beiden zu verbindenden Rumpfsektionen zumindest endseitig mit einem gewickelten thermoplastischen CFK-Material gebildet. Zur Durchführung des Verfahrens werden die zu fügenden Rumpfsektionen zueinander ausgerichtet, wobei der Toleranzausgleich durch das Erwärmen eines Endabschnitts der anzufügenden Rumpfsektion erfolgt. Nach dem erfolgten Ausgleich der gegebenenfalls bestehenden Abweichungen zwischen den Querschnittsgeometrien der zusammenzufügenden Rumpfsektionen durch zumindest abschnittsweises Stauchen und/oder Dehnen des erwärmten Endbereichs der anzufügenden Rumpfsektion erfolgt die Verbindung der beiden Rumpfsektionen in konventioneller Weise unter Einsatz von zusätzlichen Verbindungskomponenten.
- Als ein geeignetes thermoplastisches Kunststoffmaterial für die CFK-Bauteile, insbesondere die Rumpfsektionen, die Querstoßlaschen und die Stringerkupplungen hat sich beispielsweise PEEK (Polyetheretherketon) erwiesen, während Epoxidharz-Systeme zur Bildung der Harzmatrix im Fall von duroplastischen CFK-Bauteilen Verwendung finden.
- Nach Maßgabe einer vorteilhaften Fortbildung der ersten Verfahrensvariante ist vorgesehen, dass die Rumpfsektionen mittels der mindestens einen Querstoßlasche verbunden werden. Dies ermöglicht die Beibehaltung der bislang angewendeten konventionellen Verbindungstechnik durch innenseitig im Querstoßbereich zwischen zwei Rumpfsektionen angeordnete und befestigte Querstoßlaschen. Zunächst werden etwaige Toleranzabweichungen, insbesondere ein Höhenversatz, zwischen den zusammenzufügenden Rumpfsektionen im Bereich des Querstoßes mit einem geeigneten Messsystem ermittelt, was beispielsweise mit einem computergesteuerten Laser-Messsystem erfolgen kann. Anschließend werden die mit dem faserverstärkten thermoplastischen Kunststoffmaterial gebildeten Querstoßlaschen in einem elektrisch beheizbaren Formwerkzeug soweit erwärmt, bis eine problemlose, verzugfreie plastische Verformung möglich ist. Mittels der Formwerkzeuge erfolgt erforderlichenfalls auf der Grundlage der vom Laser-Messsystem ermittelten Toleranzabweichungen bzw. der Ist-Geometriedaten des Querstoßes die Umformung bzw. Anpassung der Querstoßlaschen zum Toleranzausgleich zwischen den Rumpfsektionen. Nach der erfolgten Anpassung bzw. der Umformung der mindestens einen Querstoßlasche wird die erkaltete Querstoßlasche aus dem Formwerkzeug entnommen und innenseitig beidseitig mit den Endbereichen der Rumpfsektionen unter Schaffung eines Querstoßes in herkömmlicher Weise fest verbunden. Ist die Verwendung mehrerer Querstoßlaschen erforderlich, so können zur Vereinfachung des Verfahrensablaufs die Querstoßlaschen unmittelbar nacheinander erwärmt und umgeformt bzw. angepasst werden und anschließend zur Verbindung der Rumpfsektionen montiert werden. Die Anwendung eines computergesteuerten Laser-Messsystems ermöglicht die Integration des Verfahrens in eine vollautomatische Produktionslinie. Die mindestens eine Querstoßlasche wird zur Durchführung der Anpassung bzw. Umformung bis auf eine Erweichungstemperatur des für die Bildung der Matrix eingesetzten thermoplastischen Kunststoffmaterials erhitzt. Bei dem bevorzugt eingesetzten thermoplastischen Hochleistungskunststoffmaterial Polyetheretherketon (PEEK) liegt die Schmelztemperatur bei 330°C.
- Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird die mindestens eine Querstoßlasche mit jeweils einem Endbereich einer Rumpfsektion durch Nieten, Schrauben, Kleben, Schweißen oder eine beliebige Kombination hiervon verbunden.
- Durch diese Ausgestaltung lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren problemlos in vorhandene Fertigungslinien unter Beibehaltung der bekannten Fügeverfahren integrieren.
- Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass mindestens eine Stringerkupplung zum Ermöglichen eines Toleranzausgleichs erwärmt und angepasst wird.
- Zu diesem Zweck werden zunächst die vorhandenen Toleranzabweichungen zwischen den jeweils gegenüberliegenden Stringern in den zusammenzufügenden Rumpfsektionen ermittelt, was beispielsweise wiederum mittels eines berührungslosen Laser-Messsystems erfolgen kann. Anschließend wird die mindestens eine Stringerkupplung in ein geeignetes elektrisch beheizbares Formwerkzeug eingelegt und erwärmt. Im Formwerkzeug erfolgt dann für den Fall, dass Toleranzabweichungen, insbesondere ein Höhenversatz und/oder ein Seitenversatz zwischen den zu verbindenden Stringern festgestellt werden, die Anpassung bzw. die Umformung auf der Grundlage der vom Messsystem ermittelten Ist-Geometriedaten mit Blick auf die vorgegebenen Soll-Geometriedaten für einen optimalen Querstoß zwischen den Rumpfsektionen, wobei in der Regel eine umfangsseitige Minimierung und Vergleichmäßigung des Spaltmaßes angestrebt wird. Hierbei ist es erforderlich, dass die mindestens eine Stringerkupplung zumindest bis auf die Erweichungstemperatur des im Einzelfall eingesetzten thermoplastischen Kunststoffmaterials erhitzt wird, bei dem es sich bevorzugt um PEEK handelt.
- Eine Weiterbildung der zweiten Verfahrensvariante sieht vor, dass mindestens eine Querstoßlasche mit einem Endbereich der ersten Rumpfsektion, insbesondere durch Nieten, Schrauben, Kleben, Schweißen oder eine beliebige Kombination hiervon verbunden wird, der Endbereich der zweiten Rumpfsektion mit einem, insbesondere elektrisch beheizbaren, im Endbereich angeordneten Heizelement, insbesondere einer Heizmatte erwärmt wird, und der so erwärmte Endbereich der zweiten Rumpfsektion auf den Endbereich der ersten Rumpfsektion aufgeschoben wird.
- Infolge dieser Vorgehensweise ist ein einfacher Toleranzausgleich ohne weitere Zwischenschritte zwischen den zusammenzufügenden Rumpfsektionen im Bereich des Querstoßes möglich. Die Heizmatte umschließt den Endbereich der anzufügenden Rumpfsektion in Umfangsrichtung vollständig, so dass der gesamte Endbereich der anzufügenden zweiten Rumpfsektionen gleichzeitig erwärmt werden kann. Hierbei muss eine Erwärmung des Endbereichs bis mindestens in den Bereich der Erweichungstemperatur des für die Bildung der Matrix eingesetzten thermoplastischen Kunststoffmaterials der Rumpfsektionen erfolgen. Ein komplexes Messsystem, wie im Fall der ersten Verfahrensvariante ist für den Toleranzausgleich in dieser Verfahrensvariante nicht erforderlich. Der Toleranzausgleich erfolgt auf einfachste Art und Weise durch das Aufschieben des erwärmten und damit duktil verformbaren Endbereichs der zweiten, anzufügenden Rumpfsektion auf die bereits am Endbereich befestigten Querstoßlaschen der ersten Rumpfsektion. Hierbei wird der Endbereich der anzufügenden zweiten Rumpfsektion gegebenenfalls abschnittsweise gedehnt und/oder gestaucht. Die zweite Verfahrensvariante findet bevorzugt bei der Schaffung von Querstößen Anwendung, die mechanisch nur gering belastet sind, so dass in der Regel in den Rumpfsektionen im Bereich des Querstoßes keine zu verbindenden Stringer verlaufen. Die mittels dieser Verfahrensvariante erzeugten Querstöße weisen zudem den Vorteil auf, dass die Außenhäute der Rumpfsektionen im Bereich des Querstoßes versatzfrei, das heißt nahezu bündig aneinandergrenzen.
- Eine vorteilhafte Weiterentwicklung der zweiten Verfahrensvariante sieht vor, dass der Endbereich der zweiten Rumpfsektion beim Abkühlen auf die mindestens eine Querstoßlasche unter Schaffung eines leichten Pressschlusses aufschrumpft.
- Hierdurch wird ein besonders passgenauer und zugleich fester Sitz der angefügten zweiten Rumpfsektionen erzielt.
- Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie der Querstoßverbindung sind in weiteren Patentansprüchen dargelegt.
-
1 zeigt in isometrischer Ansicht ein mit der ersten Verfahrensvariante hergestellten Querstoß zwischen zwei Rumpfsektionen, -
2 zeigt in Seitenansicht den Querstoß nach1 , -
3 zeigt in Draufsicht den Querstoß nach1 , -
4 zeigt eine Ansicht des Ablaufs der Herstellung einer Querstoßverbindung nach der zweiten Verfahrensvariante, und -
5 zeigt im Querschnitt einen mit der zweiten Verfahrensvariante gebildeten Querstoß zwischen zwei Rumpfsektionen. - In der Zeichnung weisen dieselben konstruktiven Elemente jeweils die gleichen Bezugsziffern auf.
- Die
1 zeigt einen perspektivischen Ausschnitt einer Ansicht eines nach Maßgabe der ersten Verfahrensvariante hergestellten Querstoßes zwischen zwei im Wesentlichen tonnenförmigen Rumpfsektionen. - Zwischen zwei Rumpfsektionen
1 ,2 mit den Außenhäuten3 ,4 besteht ein Querstoß5 mit einem Spalt6 . Die beiden Endbereiche7 ,8 der Rumpfsektionen1 ,2 sind mittels einer Querstoßlasche9 verbunden. Auf den nicht bezeichneten Innenseiten der Außenhäute3 ,4 sind gegenüberliegend die Stringer10 ,11 befestigt, die über eine T-förmige Querschnittsgeometrie verfügen. Die Stringer10 ,11 sind jeweils beidseitig mit einer Stringerkupplung12 ,13 mit einer L-förmigen Querschnittsgeometrie verbunden. Die Verbindung der Querstoßlasche9 mit den beiden in etwa auf Stoß verlaufenden Außenhäuten3 ,4 sowie die Verbindung der Stringerkupplungen12 ,13 mit den Stringern10 ,11 kann durch Nieten, Schrauben, Klemmen, Kleben, Schweißen oder eine beliebige Kombination hiervon erfolgen. Die Rumpfsektionen1 ,2 können in den Endbereichen7 ,8 eine von der idealen Kreisgeometrie abweichende Querschnittsgeometrie aufweisen und beispielsweise eine ovale, elliptische Querschnittsgeometrie oder nahezu jede beliebige, bevorzugt stetig gekrümmte Querschnittsgeometrie aufweisen. - Sowohl die Querstoßlasche
9 als auch die Stringerkupplung12 ,13 sind, um die Umformbarkeit bzw. die Anpassbarkeit im erwärmten Zustand zum Toleranzausgleich zu ermöglichen, mit einem faserverstärkten thermoplastischen Kunststoffmaterial gebildet, bei dem es sich bevorzugt um kohlefaserverstärktes Polyetheretherketon (PEEK) handelt. Alternativ können andere thermoplastische Hochleistungskunststoffe mit vergleichbaren mechanischen Eigenschaften eingesetzt werden. Die übrigen Komponenten der Rumpfsektionen1 ,2 , insbesondere die Außenhäute3 ,4 sowie die Stringer10 ,11 sind bevorzugt mit einem faserverstärkten duroplastischen Kunststoffmaterial, beispielsweise mit einem kohlefaserverstärkten Epoxidharzsystem gebildet. Alternativ können die Außenhäute3 ,4 und/oder die Stringer10 ,11 auch mit einem faserverstärkten thermoplastischen Material, wie zum Beispiel PEEK, gebildet sein. - Die
2 illustriert eine Seitenansicht auf den Querstoß5 in der1 . - Ein vertikaler Höhenversatz
14 zwischen den Außenhäuten3 ,4 und den Stringern10 ,11 ist durch eine im plastischen Zustand erfolgte Umformung der Querstoßlasche9 und der beiden Stringerkupplungen12 ,13 ausgeglichen worden. Die Umformung der genannten Bauteile erfolgt in nicht dargestellten Formwerkzeugen in der Nähe der Montagelinie der Rumpfsektionen aufgrund von Ist-Geometriedaten, die mit einem vollautomatischen Messsystem, insbesondere einem computergesteuerten Laser-Messsystem im Bereich des Querstoßes5 ermittelt und mit Soll-Geometriedaten im Querstoßbereich zwischen den Rumpfsektionen1 ,2 zur Ermittlung der Lage und des Absolutbetrags von etwaigen Toleranzabweichungen verglichen wurden. - Der Umform- bzw. der Anpassungsprozess der Querstoßlasche
9 und der Stringerkupplungen12 ,13 soll exemplarisch an der vorderen Stringerkupplung13 erläutert werden. Zum Zweck der Umformung der vorderen Stringerkupplung13 erfolgt beispielsweise eine Parallelverschiebung eines geradlinigen Abschnittes15 des Stringerkupplungsprofils13 in Relation zu einem weiteren geradlinigen Abschnitt16 der Stringerkupplung13 , wobei ein geneigt verlaufender Mittelabschnitt17 gebildet wird. Entsprechend wird erforderlichenfalls bei der Stringerkupplung12 und/oder der Querstoßlasche9 verfahren. Die Umformung der genannten Komponenten erfolgt hierbei im Wesentlichen senkrecht zu den Außenhäuten3 ,4 , das heißt im gezeigten Ausführungsbeispiel in Richtung des Pfeils18 . - Die
3 zeigt eine Draufsicht auf den Querstoß5 mit Querstoßlasche9 nach Maßgabe der1 . Zwischen den Stringern10 ,11 besteht zusätzlich ein Querversatz19 zwischen den Außenhäuten3 ,4 , der durch eine Umformung bzw. Anpassung der Stringerkupplungen12 ,13 ausgeglichen wurde. Die Kompensation des Querversatzes19 erfolgt entsprechend zur Vorgehensweise beim Ausgleich des Höhenversatzes14 (vgl.2 ) durch eine Umformung der beiden Stringerkupplungen12 ,13 quer zur Verlaufsrichtung (Längsrichtung) der Stringer10 ,11 in Richtung des Pfeils20 . - Zur Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Maßgabe der ersten Variante wird zugleich auf die
1 bis3 Bezug genommen. - Zunächst werden die Endbereiche
7 ,8 der zusammenzufügenden Rumpfsektionen1 ,2 mittels eines Messsystems, vorzugsweise mittels eines vollautomatischen, computergesteuerten Lasermesssystems vermessen, um die Ist-Geometrie der Rumpfsektionen1 ,2 im Bereich des Querstoßes5 zu ermitteln. Anschließend erfolgt die Ausrichtung der beiden Rumpfsektionen1 ,2 in Relation zueinander. Alternativ kann die Ausrichtung bereits auf der Grundlage der gemessenen Ist-Geometriedaten erfolgen. Durch die Ausrichtung der beiden Rumpfsektionen1 ,2 wird erreicht, dass die Toleranzabweichungen möglichst gleichmäßig über den Umfang hinweg verteilt und zugleich minimiert werden. Dies bedeutet, dass beispielsweise an (diametral) gegenüberliegenden Umfangspunkten des Endbereichs7 der Rumpfsektion2 ein jeweils nicht dargestellter Abstand zu den korrespondierenden Umfangspunkten des Endbereichs8 der Rumpfsektion1 möglichst gleich groß ausfällt, um den erforderlichen Toleranzausgleich über den Umfang der Rumpfsektionen1 ,2 hinweg symmetrisch zu gestalten. - Danach wird zumindest eine Querstoßlasche
9 erwärmt und mittels eines elektrisch beheizbaren Formwerkzeugs so umgeformt bzw. angepasst, dass eine vollständige Kompensation eines etwaigen Höhenversatzes14 zwischen den Endbereichen7 ,8 der beiden Rumpfsektionen1 ,2 zum Toleranzausgleich möglich ist. Die Ansteuerung der Formwerkzeuge erfolgt hierbei aufgrund eines Vergleichs der gemessenen Ist-Geometriedaten mit den von der Konstruktion vorgegebenen Soll-Geometriedaten der Rumpfsektionen1 ,2 . Anschließend wird die so umgeformte Querstoßlasche9 mit beiden Endbereichen7 ,8 der Rumpfsektionen1 ,2 verbunden. Die Verbindung der Querstoßlasche9 mit den Endbereichen7 ,8 kann durch Nieten, Schrauben, Klemmen, Kleben, Schweißen oder eine beliebige Kombination hiervon erfolgen. Durch wiederholtes Umformen bzw. Anpassen weiterer gegebenenfalls vorhandener Querstoßlaschen kann der Querstoß5 und damit das Zusammenfügen der beiden Rumpfsektionen1 ,2 vollendet werden. - Im Anschluss daran werden die innenseitig in den Rumpfsektionen
1 ,2 gleichmäßig über den Umfang, parallel zueinander beabstandet angeordneten Stringer10 ,11 jeweils vorzugsweise durch zwei beidseitig an den Stringern10 ,11 angeordnete Stringerkupplungen12 ,13 verbunden. Die Anpassung der Stringer10 ,11 durch Erwärmen und eine nachfolgende Umformung bzw. Anpassung erfolgt in derselben Weise wie die Anpassung der Querstoßlasche9 . Die Verbindung der Stringer10 ,11 und der Stringerkupplungen12 ,13 kann wiederum durch Nieten, Schrauben, Klemmen, Kleben, Schweißen oder eine beliebige Kombination hiervon erfolgen. - Das erfindungsgemäße Verfahren ist in der ersten Ausführungsvariante davon abhängig, dass sowohl die Querstoßlasche
9 als auch die Stringerkupplungen12 ,13 mit einem geeigneten, faserverstärkten thermoplastischen Kunststoffmaterial gebildet sind. Die übrigen Komponenten der Rumpfsektionen1 ,2 , insbesondere die Außenhäute3 ,4 sowie die darin befestigten Stringer10 ,11 können auch mit einem faserverstärkten duroplastischen Kunststoffmaterial, wie beispielsweise einem kohlefaserverstärkten Epoxidharz gebildet sein. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt den spannungsfreien Zusammenbau großvolumiger Rumpfsektionen1 ,2 durch die Schaffung einer Ausgleichsmöglichkeit zwischen geringfügig voneinander abweichenden Querschnittsgeometrien der Rumpfsektionen1 ,2 im Bereich des Querstoßes. - Anhand der
4 soll der Ablauf der zweiten Verfahrensvariante veranschaulicht werden. Zunächst werden eine erste und eine zweite Rumpfsektion21 ,22 zueinander ausgerichtet. Zumindest die zweite, an die erste Rumpfsektion21 anzufügende Rumpfsektion22 ist zumindest im Endbereich mit einem faserverstärkten thermoplastischen Kunststoffmaterial gebildet. Beispielsweise kann die Rumpfsektion22 mit einem Polyetheretherketon (PEEK) mit einer Kohlefaserarmierung gebildet sein. - Anschließend wird mindestens eine Querstoßlasche
23 innenseitig in einem Endbereich24 der ersten Rumpfsektion21 mit einer Außenhaut25 fest verbunden. - Abschließend wird eine Außenhaut
26 in einem Endbereich27 der zweiten, anzufügenden Rumpfsektion22 erwärmt und hierdurch hinreichend plastisch verformbar gemacht, um einen Toleranzausgleich zu ermöglichen. - Durch das Aufschieben der zweiten Rumpfsektion
22 mit dem erweichten Endbereich27 auf die Querstoßlasche23 in Richtung des Pfeils28 wird das Zusammenfügen der beiden Rumpfsektionen21 ,22 unter gleichzeitigem Vollzug eines etwaig erforderlichen Toleranzausgleichs in einem weiteren Verfahrensschritt vollzogen. - Zur endgültigen Verbindung der beiden Rumpfsektionen
21 ,22 ist es in der Regel erforderlich, die Querstoßlasche23 zusätzlich mit dem Endbereich27 der angefügten Rumpfsektion22 durch Vernieten, Verschrauben, Verkleben, Verschweißen oder eine beliebige Kombination hiervon fest zu verbinden. - Zur Erwärmung des Endbereichs
27 wird auf diesem eine vorzugsweise elektrisch beheizbare, flexible sowie umlaufende Heizmatte29 bzw. Manschette angeordnet. Die Heizmatte29 verbleibt vorzugsweise bis zum vollständigen Aufschieben der zweiten Rumpfsektion22 auf die erste Rumpfsektion21 auf dem Endbereich27 . Die Heizmatte29 ermöglicht in radialer Richtung einen geringfügigen Längenausgleich, um die Entstehung von Spannungen zu vermeiden und das Ablösen der Heizmatte29 bzw. der Heizmanschette zu erleichtern. - Nach dem Aufschieben der zweiten Rumpfsektion
22 auf die erste Rumpfsektion21 wird die Heizmatte29 entfernt, und es kann vor dem Erkalten gegebenenfalls noch eine Glättang einer Oberseite des so gebildeten Querstoßes erfolgen. Die optionale Glättung kann beispielsweise mit Platten erfolgen, deren Geometrie mit einer gewünschten Außengeometrie des Querstoßbereichs korrespondiert und die mit hoher Anpresskraft im Bereich des Querstoßes angedrückt werden. Für den Fall, dass der Bereich des Querstoßes nach dem Entfernen der Heizmatte29 weitgehend abgekühlt ist, sind die Platten bevorzugt mit einer integrierten elektrischen Heizung versehen, um den Bereich des Querstoßes erneut zumindest bis in den Bereich der Plastifizierungstemperatur des eingesetzten thermoplastischen faserverstärkten Kunststoffmaterials aufzuheizen und zu glätten. - Eine umfangreiche, aufwändige Vermessung und präzise Vorausrichtung der beiden Endbereiche
24 ,27 der zusammenzufügenden Rumpfsektionen21 ,22 erübrigt sich im Gegensatz zur ersten Verfahrensvariante. - Für den Fall, dass der Endbereich
27 der anzufügenden zweiten Rumpfsektion22 im Vergleich zur ersten Rumpfsektion21 eine geringfügig verkleinerte Querschnittsgeometrie aufweist, stellt sich nach dem Abkühlen des Endbereichs27 in Folge der durch die Abkühlung bedingten Schrumpfung ein leichter Pressschluss zwischen dem Endbereich27 und der Querstoßlasche23 ein, wodurch ein besonders passgenauer und zugleich fester Sitz gewährleistet ist. - Die Querstoßlasche
23 ist vorzugsweise mit einem faserverstärkten duroplastischen Material, wie beispielsweise einem kohlefaserverstärkten Epoxidharz gebildet. Das Verfahren nach Maßgabe der zweiten Variante ist nicht zur Herstellung von Querstößen in mechanisch hochbelasteten Bereichen der Flugzeugrumpfzelle vorgesehen, so dass im Bereich des Querstoßes in der Regel keine Stringer angeordnet sind und somit auch keine Stringerkupplungen vorzusehen sind. - Die
5 zeigt eine Querschnittsdarstellung durch einen verfahrensgemäß gebildeten Querstoß nach Maßgabe der4 . - Die zwei Außenhäute
25 ,26 sind in den Endbereichen24 ,27 mittels der Querstoßlasche23 unter Schaffung eines Querstoßes30 verbunden. Zwischen den beiden Außenhäuten25 ,26 verläuft ein schmaler Spalt31 . Durch die vier strichpunktierten Linien sind Befestigungsmittel, beispielsweise Nieten, Schrauben oder dergleichen, angedeutet. Im Endbereich27 sind weiterhin ein unteres Ringspantprofil32 sowie ein Clip33 zur seitlichen Abstützung des Ringspants auf der Querstoßlasche23 befestigt. Das untere Ringspantprofil32 mit einer in etwa L-förmigen Querschnittsgeometrie ist zur Bildung einer ungefähr S-förmigen Querschnittsgeometrie mit einem oberen, umgekehrt L-förmigen Ringspantprofil34 durch zwei Befestigungsmittel, beispielsweise Nieten, verbunden. Da die zweite Verfahrensvariante primär zur Schaffung von Querstößen in lastschwachen Bereichen der Flugzeugrumpfzelle vorgesehen ist, sind im Bereich des Querstoßes30 die beiden Stringer35 ,36 bzw. Stringerkupplungen nicht zwingend vorhanden bzw. notwendig. - Die beiden Ringspantprofile
32 ,34 sowie der Clip33 und die fakultativ anzuordnenden Stringer35 ,36 können mit beliebigen Materialien gebildet sein. -
- 1
- Rumpfsektion (erste)
- 2
- Rumpfsektion (zweite, anzufügende)
- 3
- Außenhaut
- 4
- Außenhaut
- 5
- Querstoß
- 6
- Spalt
- 7
- Endbereich (erste Rumpfsektion)
- 8
- Endbereich (zweite Rumpfsektion)
- 9
- Querstoßlasche
- 10
- Stringer
- 11
- Stringer
- 12
- Stringerkupplung
- 13
- Stringerkupplung
- 14
- Höhenversatz
- 15
- Abschnitt (Stringerkupplung)
- 16
- Abschnitt (Stringerkupplung)
- 17
- Mittelabschnitt (Stringerkupplung)
- 18
- Pfeil
- 19
- Querversatz
- 20
- Pfeil
- 21
- Rumpfsektion (erste)
- 22
- Rumpfsektion (zweite, anzufügende)
- 23
- Querstoßlasche
- 24
- Endbereich (erste Rumpfsektion)
- 25
- Außenhaut
- 26
- Außenhaut
- 27
- Endbereich (zweite Rumpfsektion)
- 28
- Pfeil
- 29
- Heizmatte
- 30
- Querstoß
- 31
- Spalt
- 32
- unteres Ringspantprofil
- 33
- Clip
- 34
- oberes Ringspantprofil
- 35
- Stringer
- 36
- Stringer
Claims (13)
- Verfahren zum Verbinden von zwei mit einem faserverstärkten Kunststoffmaterial gebildeten Rumpfsektionen (
1 ,2 ,21 ,22 ), insbesondere gewickelten Rumpfsektionen (1 ,2 ,21 ,22 ) für Flugzeugrumpfzellen, mit einer Vielzahl von innenseitig auf einer Außenhaut (3 ,4 ,25 ,26 ) gleichmäßig parallel zueinander beabstandet verteilt angeordneten Stringern (10 ,11 ,35 ,36 ) unter Schaffung eines Querstoßes (5 ,30 ), umfassend die Schritte: a) Ausrichten einer ersten und einer zweiten Rumpfsektion (1 ,2 ,21 ,22 ) zueinander, b) Erwärmen und Anpassen mindestens einer mit einem faserverstärkten thermoplastischen Kunststoffmaterial gebildeten Querstoßlasche (9 ,23 ) derart, dass ein Toleranzausgleich zwischen abweichenden Querschnittsgeometrien der ersten und der zweiten Rumpfsektion (1 ,2 ,21 ,22 ) möglich wird oder Erwärmen mindestens eines Endbereichs (27 ) einer zweiten mit einem faserverstärkten thermoplastischen Kunststoffmaterial gebildeten Rumpfsektion (2 ,22 ), und c) Zusammenfügen der beiden Rumpfsektionen (1 ,2 ,21 ,22 ). - Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Rumpfsektionen (
1 ,2 ) mittels der mindestens einen Querstoßlasche (9 ) verbunden werden. - Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Querstoßlasche (
9 ) mit jeweils einem Endbereich (7 ,8 ) einer Rumpfsektion (1 ,2 ) durch Nieten, Schrauben, Kleben, Schweißen oder eine beliebige Kombination hiervon verbunden wird. - Verfahren nach Patentanspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Stringerkupplung (
12 ,13 ) zum Ermöglichen eines Toleranzausgleichs erwärmt und angepasst wird. - Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils gegenüberliegende Stringer (
10 ,11 ) einer Rumpfsektion (1 ,2 ) jeweils mit mindestens einer Stringerkupplung (12 ,13 ) verbunden werden. - Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stringerkupplungen (
12 ,13 ) mit den Stringern (10 ,11 ) durch Nieten, Schrauben, Kleben, Schweißen oder eine beliebige Kombination hiervon verbunden werden. - Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Erwärmung der mindestens einen Querstoßlasche (
9 ) und/oder der mindestens einen Stringerkupplung (12 ,13 ) eine Temperatur erreicht wird, die mindestens einer Erweichungstemperatur des faserverstärkten, insbesondere kohlefaserverstärkten, thermoplastischen Kunststoffmaterials entspricht. - Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Querstoßlasche (
23 ) mit einem Endbereich (24 ) der ersten Rumpfsektion (21 ), insbesondere durch Nieten, Schrauben, Kleben, Schweißen oder eine beliebige Kombination hiervon verbunden wird, der Endbereich (27 ) der zweiten Rumpfsektion (22 ) mit einem, insbesondere elektrisch beheizbaren, insbesondere zumindest im Endbereich (27 ) angeordneten Heizelement, insbesondere einer Heizmatte (29 ) erwärmt wird, und der so erwärmte Endbereich (27 ) der zweiten Rumpfsektion (22 ) auf den Endbereich (24 ) der ersten Rumpfsektion (21 ) aufgeschoben wird. - Verfahren nach Patentanspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Endbereich (
27 ) der zweiten Rumpfsektion (22 ) beim Abkühlen auf die mindestens eine Querstoßlasche (23 ) unter Schaffung eines Pressschlusses aufschrumpft. - Verfahren nach Patentanspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Endbereiche (
24 ,27 ) der Rumpfsektionen (21 ,22 ) mittels der mindestens einen Querstoßlasche (23 ), insbesondere durch Nieten, Schrauben, Kleben, Schweißen oder eine beliebige Kombination hiervon, verbunden werden. - Verfahren nach einem der Patentansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Erwärmung des mindestens einen Endbereichs (
27 ) der einen Rumpfsektion (22 ) eine Temperatur erreicht wird, die mindestens einer Erweichungstemperatur des faserverstärkten, insbesondere kohlefaserverstärkten, thermoplastischen Kunststoffmaterials entspricht. - Querstoßverbindung (
5 ) zwischen zwei mit einem faserverstärkten Kunststoffmaterial gebildeten Rumpfsektionen (1 ,2 ), insbesondere gewickelten Rumpfsektionen (1 ,2 ), mit einer Vielzahl von innenseitig auf einer Außenhaut (3 ,4 ) gleichmäßig parallel zueinander beabstandet verteilt angeordneten Stringern (10 ,11 ), insbesondere nach Maßgabe des Verfahrens nach einem der Patentansprüche 1 bis 7 hergestellt, mit mindestens einer Querstoßlasche (9 ) und einer Vielzahl von Stringerkupplungen (12 ,13 ), dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Querstoßlasche (9 ) und mindestens eine Stringerkupplung (12 ,13 ) zum Ermöglichen eines Toleranzausgleichs durch thermische Umformung und Anpassung mit einem faserverstärkten thermoplastischen Kunststoffmaterial, insbesondere einem kohlefaserverstärkten Polyetheretherketon, gebildet sind. - Querstoßverbindung (
30 ) zwischen zwei mit einem faserverstärkten Kunststoffmaterial gebildeten Rumpfsektionen (21 ,22 ), insbesondere gewickelten Rumpfsektionen (21 ,22 ), mit einer Vielzahl von innenseitig auf einer Außenhaut (25 ,26 ) gleichmäßig parallel zueinander beabstandet verteilt angeordneten Stringern (35 ,36 ), insbesondere nach Maßgabe des Verfahrens nach einem der Patentansprüche 8 bis 11 hergestellt, mit mindestens einer Querstoßlasche (23 ), dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Rumpfsektion (21 ,22 ) zur Ermöglichung eines Toleranzausgleichs durch erwärmungsbedingtes Plastifizieren mit einem faserverstärkten thermoplastischen Kunststoffmaterial, insbesondere einem kohlefaserverstärkten Polyetheretherketon, gebildet ist.
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Representative=s name: UEXKUELL & STOLBERG PARTNERSCHAFT VON PATENT- , DE Representative=s name: UEXKUELL & STOLBERG, DE Representative=s name: UEXKUELL & STOLBERG, 22607 HAMBURG, DE |
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R082 | Change of representative |
Representative=s name: UEXKUELL & STOLBERG PARTNERSCHAFT VON PATENT- , DE Representative=s name: UEXKUELL & STOLBERG, DE |
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R082 | Change of representative |
Representative=s name: UEXKUELL & STOLBERG PARTNERSCHAFT VON PATENT- , DE Representative=s name: UEXKUELL & STOLBERG, DE |
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R020 | Patent grant now final |
Effective date: 20120623 |
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R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee | ||
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |
Effective date: 20140902 |