DE102009060706A1

DE102009060706A1 - Verfahren sowie Vorrichtung zur Herstellung einer Versteifungsstruktur für ein Flugzeugrumpfsegment sowie eine Versteifungsstruktur

Info

Publication number: DE102009060706A1
Application number: DE102009060706A
Authority: DE
Inventors: Georg 21682 Lonsdorfer; Hauke 21369 Seegel; Klaus 82041 Rode; Andreas 88677 Pau; Hartmut 88069 Herter; Kevin 21682 Danke
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2009-12-29
Filing date: 2009-12-29
Publication date: 2011-06-30
Anticipated expiration: 2029-12-30
Also published as: DE102009060706B4; US8919696B2; US20110186683A1

Abstract

Offenbart ist ein Verfahren, insbesondere zum Versteifen eines Hautfeldes eines Flugzeugrumpfes, bei dem eine integrale gitterartige Versteifungsstruktur nachträglich an ein Hautfeld gefügt wird, eine Vorrichtung zur Herstellung einer derartigen Versteifungsstruktur sowie eine Versteifungsstruktur mit integral ausgebildeten Beschlägen zur Anbindung von Umfangsversteifungen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, insbesondere zum Versteifen eines Hautfeldes eines Flugzeugrumpfes, eine Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 10 sowie eine Versteifungsstruktur nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 15.
Rumpfsegmente im Flugzeugbau bestehen im Allgemeinen aus einem Hautfeld und aus einer Hinterbaustruktur zur Versteifung des Hautfeldes. Die Hinterbaustruktur weist herkömmlicherweise eine Vielzahl von Längsversteifungen, die unmittelbar an dem Hautfeld angeordnet sind, sowie eine Vielzahl von Umfangsversteifungen auf, die über Beschläge bzw. Clips an dem Hautfeld angebunden und zusätzlich über Abstützelemente bzw. Cleats an den Längsversteifungen abgestützt sind.
Die Herstellung derartiger Rumpfsegmente erfolgt entweder in Differentialbauweise oder in Integralbauweise. Bei der Differentialbauweise werden die einzelnen Komponenten separat voneinander gefertigt und anschließend zum Gesamtbauteil gefügt. Nachteilig an dieser Bauweise sind insbesondere die zeit- und kostenintensive Montage des Gesamtbauteils sowie insbesondere bei der Verwendung von metallischen Werkstoffen das verhältnismäßig hohe Gewicht des Gesamtbauteils. Des Weiteren erfordert die Differentialbauweise eine Vielzahl von Verbindungselementen zur Verbindung der Komponenten untereinander. Die Integralbauweise, die beispielsweise in der US 2007/0108347 gezeigt ist und bei der die Einzelkomponenten integral als ein Gesamtbauteil gefertigt werden, zeichnet sich durch einen reduzierten Montageaufwand und aufgrund der Verwendung von Faserverbundwerkstoffen durch ein geringes Gewicht aus. Jedoch führt der Integrationsgrad zu einer erheblichen Steigerung des Fertigungsaufwandes sowie des Fertigungsrisikos. So gibt es beispielsweise noch keine verlässlichen Aussagen über die Auswirkungen von Temperatureinwirkungen und Setzwegen der Faserverbundwerkstoffe auf die Fertigungstoleranzen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren, insbesondere zum Versteifen eines Hautfeldes eines Flugzeugrumpfes, das die vorgenannten Nachteile beseitigt und bei einem reduzierten Fertigungsaufwand eine höhere Prozesssicherheit garantiert, eine Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens sowie eine entsprechende Versteifungsstruktur zu schaffen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Schritten des Patentanspruchs 1, durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 sowie durch eine Versteifungsstruktur mit den Merkmalen des Patentanspruchs 15.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren, insbesondere zum Versteifen eines Hautfeldes eines Flugzeugrumpfes, wird eine integrale gitterförmige Versteifungsstruktur mit einer Vielzahl von Längsversteifungen hergestellt. Dann wird ein Hautfeld bereitgestellt und anschließend die Versteifungsstruktur an das Hautfeld angebunden. Dieses erfindungsgemäße Verfahren kombiniert die Vorteile der Differentialbauweise mit denen der Integralbauweise, so dass die Versteifungsstruktur als Ganzes mit reduziertem Montagaufwand an das Hautfeld angebunden werden kann. Der reduzierte Montagaufwand wirkt sich jedoch nicht nachteilig auf den Fertigungsaufwand des Gesamtbauteils aus, da die Versteifungsstruktur und das Hautfeld getrennt voneinander hergestellt werden, so dass das erfindungsgemäße Verfahren im Vergleich zur herkömmlichen Integralbauweise einen reduzierten Integrationsgrad und somit einen reduzierten Fertigungsaufwand und eine erhöhte Prozesssicherheit aufweist. Darüber hinaus wird die Gesamtanzahl der notwendigen Einzelkomponenten stark reduziert, da die Versteifungsstruktur nicht mehr in Einzelteilen an das Hautfeld angebunden wird, sondern als ein Bauteil. Des Weiteren werden eine verbesserte Zugänglichkeit und eine vereinfachte Ausrüstung der Komponenten erreicht. Die Inspektion insbesondere der Versteifungsstruktur ist vereinfacht, da die Längsversteifungen von sämtlichen Seiten inspiziert werden können, also auch von unten bzw. Omega-Längsversteifungen auch von innen. Ferner erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren aufgrund des reduzierten Fertigungsaufwandes und der hohen Prozesssicherheit eine hohe Stückzahl und somit eine hohe Fertigungsrate.
Das erfindungsgemäß versteifte Hautfeld kann prinzipiell aus metallischen, aus Faserverbundwerkstoffen oder aus einer Kombination beider Werkstoffe hergestellt werden, wobei insbesondere bei der Verwendung von Faserverbundwerkstoffen das versteifte Hautfeld gewichts- und belastungsoptimiert hergestellt ausgeführt werden kann. Die Anbindung der Versteifungsstruktur an das Hautfeld richtet sich nach den gewählten Materialien und kann prinzipiell über eine Klebung, Schweißung oder eine Nietung erfolgen, wobei jedoch die Klebung bevorzugt wird. Vorzugsweise werden jedoch Faserverbundwerkstoffe in Form von vorimprägnierten CFK-Gelegen verwendet. Es sind jedoch ebenso entsprechende Gewirke, Gewebe und drgl. Vorstellbar. Ebenfalls können trockene Faserhalbzeuge eingesetzt werden.
Bei einem bevorzugten erfindungsgemäßen Verfahren werden die Längsversteifungen über sich in Quer- bzw. Umfangsrichtung erstreckende Beschläge zur Anbindung von Umfangsversteifungen miteinander verbunden. Die Beschläge können einstückig mit den Längsversteifungen ausgebildet werden, so dass aufwendige Ver- bzw. Anbindungsarbeiten entfallen. Dabei können die Umfangsversteifungen entweder erst nach der Montage der Versteifungsstruktur an dem Hautfeld oder bereits vor der Montage präzise an der Versteifungsstruktur angebunden werden.
Insbesondere bei der Verwendung eines Faserhalbzeugs zur Ausbildung der Längsversteifungen derart lokal modifiziert sein, beispielsweise über zusätzliche Verstärkungsfasern oder über eine andersartige Orientierung der Fasern, dass einzelne Abschnitte der Versteifungsstruktur an lokal auftretende Belastungen optimal angepasst sind. Durch die Integration der Beschläge in die Versteifungsstruktur werden die Teileanzahl und die Montageschritte weiter verringert. Ebenso wird die Anzahl von formgebenden Fertigungselementen wie Druckstücken weiter reduziert. Die Positioniergenauigkeit wird weiter erhöht und die Montage der Umfangsversteifungen bzw. Spanten stark vereinfacht, da durch die Beschläge eine sogenannte Spantspur exakt vorgegeben wird und aufwendige nachträgliche Justierarbeiten bei der Anbindung der Umfangsversteifungen entfallen können. Unterleg- bzw. Distanzscheiben bzw. das sogenannte Shimmen zum Ausgleich von Toleranzen entfällt.
Bei einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel wird ein flächiges Faserhalbzeug auf einem mehrteiligen Fertigungshilfsmittel mit einem Stützkern und zwei sich in Längsrichtung des Stützkerns erstreckenden Steifenkernen abgelegt. Dann wird aus dem flächigen Faserhalbzeug ein U-förmiges Profil mit jeweils zwei Steghälften durch Führen des Faserhalbzeugs im Bereich seiner Randabschnitte um die Steifenkerne herum gebildet. Anschließend werden Beschläge durch Einschneiden des Faserhalbzeugs im Bereich von in dem Stützkern angeordneten Versenkungen und Einführen bzw. Einklappen der eingeschnittenen Halbzeugabschnitte in die Versenkungen hinein gebildet. Anschließend wird das U-förmige Faserhalbzeug von dem Stützkern entnommen und durch Einsetzen der Steifenkerne in Längsvertiefungen einer Werkzeugform an derselben positioniert. Dann werden zur Bildung der Beschläge die eingeschnittenen Halbzeugabschnitte in sich zwischen den Längsvertiefungen erstreckende Versenkungen der Werkzeugform eingeführt. Zur Bildung einer erfindungsgemäßen Versteifungsstruktur werden nun die vorgenannten Schritte wiederholt, bis eine Vielzahl U-förmig drapierten Faserhalbzeugen nebeneinander auf der Werkzeugform angeordnet ist. Dann werden die Faserhalbzeuge zueinander ausgerichtet, wobei jeweils zwei Steghälften einen Steg einer Längsversteifung bilden. Zum Schließen von Hohlräumen zwischen Stoßbereichen benachbarter Faserhalbzeuge werden diese mit einem entsprechenden Füllmaterial bzw. mit Zwickeln aufgefüllt. Abschließend wird der vorgeschriebene Aufbau kompaktiert, einem Autoklavprozess zugeführt, einer Aushärtung unterzogen und entformt. Dieses Ausführungsbeispiel hat insbesondere den Vorteil, dass mit verhältnismäßig kleinflächigen Faserhalbzeugen eine Versteifungsstruktur mit beliebig großer Quererstreckung bzw. Breite hergestellt werden kann.
Bei einem anderen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel wird eine Werkzeugform mit Längsvertiefungen und sich zwischen den Längsvertiefungen erstreckenden Versenkungen bereitgestellt. Dann werden Faserhalbzeuge auf Steifenkernen zu jeweils L-förmigen Längsversteifungshälften drapiert. Die Steifenkerne werden dann derart in den Vertiefungen der Werkzeugform angeordnet, dass jeweils zwei Längsversteifungshälften eine T-förmige Längsversteifung bilden. Danach werden in den Versenkungen Faserhalbzeuge zur Bildung von Beschlägen positioniert. Zur Verbindung der Längsversteifungen mit den Beschlägen werden Gurtlagen auf den Füßen der Längsversteifungen und der Beschläge angeordnet. Abschließend wird der beschriebene Aufbau kompaktiert, einem Autoklavprozess zugeführt, ausgehärtet und dann entformt. Dieses Verfahren ermöglicht eine individuelle Positionierung der Beschläge unabhängig von den Längsversteifungen. Die Kontur wird von der Werkzeugform bzw. deren Vertiefungen und Versenkungen vorgegeben, jedoch erfolgt die Verbindung der einzelnen Bauteile erst nach deren endgültiger und optimaler Positionierung in der Werkzeugform und somit zueinander über die Materialstreifen bzw. Gurtlagen.
Bei einem dritten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel wird eine Werkzeugform mit Längsvertiefungen und sich zwischen den Längsvertiefungen erstreckenden Versenkungen bereitgestellt. Dann wird ein flächiges Faserhalbzeug auf dem Werkzeug abgelegt. Zur Verbesserung der Ausrichtung des Faserhalbzeugs auf der Werkzeugform ist es insbesondere vorteilhaft, wenn dieses als ein trockenes bzw. nahezu trockenes Flächengebilde ausgeführt ist und somit beim Ausrichten nicht an der Werkzeugform haftet. Anschließend werden die Längsversteifungen nacheinander ausgebildet, wobei das Faserhalbzeug jeweils im Bereich der Längsvertiefungen über jeweils Stempel nacheinander umgeformt wird, die zur Vermeidung von Verschiebungen des Faserhalbzeugs auf der Werkzeugform jeweils in ihrer ausgerückten bzw. in die Längsvertiefungen eintauchenden Position verbleiben. Nach der Ausbildung der Längsvertiefungen werden Beschläge durch Einschneiden des Faserhalbzeugs zwischen zwei Stempeln und Einführen der eingeschnittenen Halbzeugabschnitte in die Versenkungen hinein gebildet. Abschließend wird der vorbeschriebene Aufbau kompaktiert, eine Harzinfusion durchgeführt, der Aufbau ausgehärtet und entformt. An dieser Lösung ist insbesondere vorteilhaft, dass eine Versteifungsstruktur aus nur einem Faserhalbzeug gefertigt werden kann und somit die Versteifungsstruktur ohne Naht- bzw. Verbindungstellen ausführbar ist. Hierdurch kann die Versteifungsstruktur schnell und mit einer hohen Qualität und sehr engen Toleranzgrenzen hergestellt werden. neben der Verwendung von Faserhalbzeugen wie gebindeten NCF-Materialien können bei diesem Ausführungsbeispiel grundsätzlich sämtliche durch einen Pressvorgang umformbare Materialien wie Metall oder Organobleche zur Versteifungsstruktur verarbeitet werden, wobei jedoch je nach Materialwahl insbesondere auf eine Harzinfusion verzichtet wird.
Die Ausbildung der einzelnen Längsversteifungen kann dadurch erfolgen, dass zuerst eine äußere bzw. randseitige Längsversteifung gebildet wird und dann eine benachbarte Längsversteifung. Ebenso kann zuerst eine innere bzw. mittlere Längsversteifung gebildet werden und dann können die übrigen Längsversteifungen von innen nach außen geformt werden. Bei beiden Verfahren werden Störungen des Faserhalbzeugs wie Beulen, Faltungen oder Knicke verlässlich beseitigt bzw. deren Entstehung verhindert.
Die Beschläge können jeweils nur aus dem eingeschnittenen Halbzeugabschnitt bestehen oder über einen zusätzlichen Halbzeugabschnitt verstärkt werden, der über einen entsprechenden Einlegekern in der jeweiligen Versenkung der Werkzeugform positioniert wird.
Da die erfindungsgemäße Versteifungsstruktur in Umfangs- bzw. Querrichtung eine gewisse Flexibilität aufweist, ist es vorteilhaft, wenn die Gitterstruktur beim Entformen durch ein Hilfsgestell stabilisiert wird. Das Hilfsgestell kann gleichzeitig als Lager- und Transportgestell dienen, so dass Lastspitzen in der Versteifungsstruktur beim Handling beispielsweise insbesondere durch Biegung in Querrichtung verhindert werden.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung einer gitterartigen Versteifungsstruktur aus zumindest einem Faserhalbzeug zum Versteifen eines Hautfeldes mit einer Werkzeugform, die eine Vielzahl von Längsvertiefungen zur Bildung von Längsversteifungen aufweist, hat eine Vielzahl von zwischen den Längsvertiefungen angeordneten Versenkungen zur Bildung von Beschlägen zur Anbindung von Umfangsversteifungen. Eine derartige Vorrichtung bietet den Längsversteifungen sowie den Beschlägen eine Referenzstruktur mit sehr engen Toleranzen, so dass die Längsversteifungen und die Spur für die Umfangsversteifungen in einer definierten hochpräzisen Position gefertigt werden können. Darüber hinaus reduziert sich die Anzahl der Formgebungselemente wie Druckstücke gegenüber bekannten Integralbauweisen erheblich.
Bei einem Ausführungsbeispiel sind Steifenkerne zur Bildung der Längsversteifungen vorgesehen. Diese können Komponenten eines mehrteiligen Fertigungshilfsmittels sein, auf dem das Faserhalbzeug vor Übergabe an die Werkzeugform drapierbar ist. Das mehrteilige Fertigungshilfsmittel weist bei einem Ausführungsbeispiel eine Vielzahl von Versenkungen zur Ausbildung der Beschläge auf, so dass diese bereits auf dem mehrteiligen Fertigungshilfsmittel vorgefertigt werden können und aufwändige Positionier- bzw. Drapierarbeiten an der Werkzeugform entfallen.
Bei einem Ausführungsbeispiel weist die Vorrichtung beheizbare Stempel zum Ausbilden der Längsversteifungen an der Werkzeugform auf. Durch die Wärmeeinbringung im Bereich der Stempel wird das Faserhalbzeug lokal im Umformbereich erwärmt, wodurch die Verformbarkeit des Faserhalbzeug im Umformbereich erhöht werden kann und somit Belastungen beim Umformen reduziert werden können.
Bei einem Ausführungsbeispiel sind zur Bildung der Beschläge Einlegekerne vorgesehen, an denen Faserhalbzeuge entsprechend drapierbar sind und über die diese dann in den Versenkungen anordbar sind.
Eine erfindungsgemäße Versteifungsstruktur zum Versteifen eines Hautfeldes eines Flugzeugrumpfes hat eine Vielzahl von Längsversteifungen, die über sich in Quer- bzw. Umfangsrichtung erstreckende Beschläge zur Anbindung von Quer- bzw. Umfangsversteifungen zu einer integralen Gitterstruktur verbunden sind. Eine derartige Versteifungsstruktur lässt sich mit geringem Fertigungsauswand hochpräzise herstellen und ebenso bequem an einem Hautfeld befestigen. Darüber hinaus wird die Anbindung von Umfangsversteifungen erleichtert, da die Beschläge bereits die Spuren für die Umfangsversteifungen vorgeben. Die Versteifungsstruktur kann prinzipiell aus metallischen, aus Faserverbundwerkstoffen oder aus eine Kombination beider Werkstoffe hergestellt werden, wobei insbesondere bei der Verwendung von Faserverbundwerkstoffen die Versteifungsstruktur gewichts- und belastungsoptimiert ausgeführt sein kann.
Sonstige vorteilhafte Ausführungsbeispiele sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand schematischer Darstellungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht einer ersten erfindungsgemäßen Versteifungsstruktur,
2 bis 7 Verfahrensschritte zur Herstellung der ersten erfindungsgemäßen Versteifungsstruktur,
8 eine perspektivische Darstellung einer zweiten erfindungsgemäßen Versteifungsstruktur,
9 eine perspektivische Ansicht einer dritten erfindungsgemäßen Versteifungsstruktur,
10 die dritte erfindungsgemäße Versteifungsstruktur an ein Hautfeld angebunden,
11 einen Verfahrensschritt zur Herstellung der dritten erfindungsgemäßen Versteifungsstruktur, und
12 einen erfindungsgemäßen Beschlag mit einem integralen Stützelement.
In den Figuren tragen gleiche konstruktive Elemente die gleichen Bezugsziffern, wobei bei mehreren gleichen konstruktiven Elementen in einer Figur aus Gründen der Übersichtlichkeit nur einige dieser konstruktiven Elemente mit einem Bezugszeichen versehen sind.
1 zeigt eine erste erfindungsgemäße integrale gitterartige Versteifungsstruktur 1 aus einem Faserhalbzeug 2, beispielsweise einem vorimpägnierten CFK-Gelege, zur Anbindung an einem Hautfeld 4 mit Fensterausschnitten 6 zur Bildung eines Flugzeugrumpfes. Die Versteifungsstruktur 1 weist eine Vielzahl von sich in Längsrichtung erstreckenden Längsversteifungen bzw. Stringern 8a, 8b auf, die über sich in Umfangsrichtung erstreckende Beschläge 10a, 10b zu einer Gitterstruktur miteinander verbunden sind.
Die Längsversteifungen 8a, 8b sind integral mit den Beschlägen 10a, 10b ausgebildet und weisen entsprechend ihrer T-förmigen Geometrie jeweils einen Fuß 12 zur Anbindung an dem Hautfeld 4 und einen sich von dem Fuß 12 orthogonal erstreckenden Steg 14 auf.
Die Beschläge 10a, 10b definieren jeweils eine Spur zur Ausrichtung und Anbindung von nicht dargestellten Umfangsversteifungen bzw. Spanten. Sie haben jeweils ein T-förmiges Profil mit einem Fuß 16 zur Anbindung an dem Hautfeld 4 und einen sich orthogonal von dem Fuß 16 weg erstreckenden Flansch 18 zur Befestigung der Umfangsversteifungen.
Gemäß 2 besteht die Versteifungsstruktur 1 aus einer Vielzahl von U-förmigen Profilen 20a, 20b, die im Bereich ihrer Seitenschenkel 22a, 22b miteinander gefügt sind und dabei jeweils eine Längsversteifung 8 ausbilden. Die Herstellung der U-Profile 20a, 20b sowie deren Verbindung zur Herstellung der erfindungsgemäßen Versteifungsstruktur 1 wird in den 3 bis 7 gezeigt.
Gemäß 3 wird ein dreiteiliges Fertigungshilfsmittel 24 zur Herstellung der U-Profile 20 bereit gestellt. Dieses hat einen Stützkern 26 und zwei Steifenkerne 28a, 28b, die in voneinander entfernt liegenden und angephasten Eckbereichen des Stützkerns 26 positioniert sind.
Der Stützkern 26 hat eine Vielzahl von Versenkungen 30a, 30b, die jeweils über eine Trennwand 32 voneinander beabstandet sind.
Die Steifenkerne 28a, 28b haben eine dreieckige Gestalt mit jeweils einer ersten Seitenfläche 34 und einer zweiten Seitenfläche 36. Die Seitenflächen 34a, 34b bilden mit einer dem Betrachter zugewandten Oberfläche 38 der Trennwände 32 eine ebene Hilfsmitteloberfläche 40 zur Ablage des Faserhalbzeugs 2. Die Seitenflächen 36a, 36b definiert jeweils die unter anderem in
2 gezeigten Seitenschenkel 22a, 22b zur Bildung einer Steghälfte der Längsversteifungen 8.
Gemäß 4 wird das Faserhalbzeug 2 flächig auf dem Fertigungshilfsmittel 24 bzw. Stützkern 26 abgelegt, wobei seine sich in Längsrichtung erstreckenden Randabschnitte 42a, 42b um die Steifenkerne 28a, 28b geführt und auf den Seitenflächen 36a, 36b abgelegt werden. Dann wird das Faserhalbzeug 2 im Bereich der Versenkungen 30 eingeschnitten, so dass eine Vielzahl von eingeschnittenen Halbzeugabschnitten 44 entsteht. Die Halbzeugabschnitte 44 bilden jeweils einen L-förmigen Abschnitt der Beschläge 10 und werden entlang der Trennwände 32 in die Versenkungen 30 geführt, wobei sie sich auf der Oberfläche 30 abstützen und in ihre L-förmige Gestalt überführt werden.
Dann wird wie in 5 gezeigt das zu einem U-Profil 20 drapierte Faserhalbzeug 2 über die Steifenkerne 28a, 28b von dem Stützkern 26 entnommen und an einer in 6 gezeigten Werkzeugform 46 angeordnet.
Die Werkzeugform 46 hat eine entsprechend einer die Versteifungsstruktur 1 aufnehmenden Innenfläche des Hautfeldes 4 konkav gewölbte Oberfläche 48, in der eine Vielzahl von Längsvertiefungen 50 ausgebildet sind, zwischen denen eine Vielzahl von Versenkungen 52 angeordnet sind. Die Längsvertiefungen 50 haben einen dreieckförmigen Querschnitt und dienen zur Aufnahme von jeweils zwei Steifenkernen 28a, 28b mit den drapierten Seitenschenkeln 22a, 22b zur Bildung der Längsversteifungen 8. Die Versenkungen 52 dienen zur Aufnahme der Halbzeugabschnitte 44 zur Bildung der Beschläge 10.
Die U-Profile 20a, 20b werden nacheinander auf der Werkzeugform 46 abgelegt, wobei aufgrund ihrer Klebrigkeit bzw. ihres Bindemittels darauf zu achten ist, dass sie sich erst mit ihren Seitenschenkeln 22a, 22b berühren, wenn sie sich in ihrer endgültigen Position befinden, da ein gegenseitiges Abgleiten nicht möglich ist.
Dann wird jeweils über einen in 7 gezeigten keilartigen Einlegekern 54 ein L-förmig drapiertes vorimprägnierten Faserhalbzeug 56 derart in den Versenkungen 52 positioniert, dass es mit dem eingeschnitteten Halbzeugabschnitt 44 jeweils einen der T-förmigen Beschläge 10 bilden. Da sich im Bereich der Beschlagfüße 16 jeweils eine Hinterschneidung ausbildet sind die Einlegekerne 54 zerlegbar ausgeführt bzw. mit einer flexiblen Ummantelung versehen.
Nach der Positionierung der U-Profile 20a, 20b sowie der Einlegekerne 54 in den Versenkungen 52 werden zur Bildung eines durchgehenden Fußes 12, 16 im Stoßbereich benachbarter U-Profile 20a, 20b sowie im Stoßbereich der Faserhalbzeuge 44, 56 zur Bildung der Beschläge 10 nicht gezeigte Füllmaterialien, sogenannte Zwickel, eingelegt.
Der so gebildete Aufbau wird dann kompaktiert und dabei unter Vakuum und Temperatureinfluss verdichtet. Anschließend wird er einem Autoklavprozess zugeführt, wobei unter anderem aufgrund der Thermaldehnung der Kerne 28, 54 eine Kompaktierung der Längsversteifungen 8 sowie der Beschläge 10 erfolgt. Während des Autoklavprozesses wird unter anderem eine entsprechend geformte und nicht dargestellte Druckplatte auf der Werkzeugform und somit auf den Fußen 12, 16 der U-Profilen 20 abgelegt. Diese kann flächendeckend oder mit Aussparungen entsprechend der herzustellenden gitterartigen Versteifungsstruktur 1 ausgeführt sein.
Sobald die Versteifungsstruktur 1 ausgehärtet ist, wird sie entformt. Dabei werden zuerst die Druckplatte sowie der Vakuumaufbau entfernt. Dann werden die Einlegekerne 54 zerlegt und entfernt. Hinterschneidungen, die sich beispielsweise an Stirnseiten der Beschläge 10 ausbilden, werden durch die Verwendung von beweglichen Kernelementen bzw. von flexiblen Kernelementen aus beispielsweise Silikon eliminiert. Geringe Hinterschneidungen können durch die Öffnung des Bauteilradiuses bzw. die Elastizität der Versteifungsstruktur 1 in Querrichtung überwunden werden. Zusätzlich kann die Werkzeugform 46 um ihre horizontale Achse verschwenkbar ausgeführt sein, so dass die Kerne 24, 54 zum Entformen nicht fixiert werden müssen. Dann wird die Versteifungsstruktur 1 zur Vermeidung von Lastspitzen aufgrund von starken Biegungen, insbesondere in Quer- bzw. Umfangsrichtung, mit einem nicht dargestelltes Hilfsgestell versteift, der Werkzeugform 46 entnommen und zum Beispiel einer Qualitätskontrolle oder dem Hautfeld 4 zur Anbindung zugeführt.
8 zeigt eine zweite erfindungsgemäße integrale gitterartige Versteifungsstruktur 60, die aus einer Vielzahl von Einzelelementen wie Längsversteifungen 8a, 8b und Beschlägen 10a, 10b zusammengesetzt ist. Die Einzelelemente 8, 10 bestehen jeweils aus vorimprägnierten Faserhalbzeugen und werden über nicht gezeigte Gurtlagen im Fußbereich miteinander verbunden.
Die Längsversteifungen 8a, 8b haben jeweils ein T-förmiges Profil mit einem Fuß 12, zur Anbindung an einem nicht gezeigtem Hautfeld und einem sich von dem Fuß 12 erstreckenden Steg 14. Die Beschläge 10a, 10b weisen jeweils ebenfalls ein T-förmiges Profil mit einem Fuß 16 und jeweils einem sich von dem Fuß 16 erstreckenden Flansch 18 zur Anbindung von nicht dargestellten Umfangsversteifungen auf.
Die Längsversteifungen 8 werden jeweils über zwei nicht gezeigte formgebende Steifenkerne hergestellt, die zum verbesserten Handling eine gewisse Eigensteifigkeit aufweisen. Die Längsversteifungen 8 werden in L-förmigen Lagen, auf den Kernen abgelegt und kompaktiert. Jeweils zwei derart aufgerüstete Kerne werden gegeneinander in eine Längsvertiefung einer nicht gezeigten Werkzeugform eingelegt und bilden jeweils eine Längsversteifung 8.
Die Beschläge 10 werden analog zu den Längsversteifungen 8 aus zwei L-förmigen Faserhalbzeugen gebildet und über nicht gezeigte Einlegekerne in entsprechenden Versenkungen der Werkzeugform hineinlaminiert. Zum Verbinden der Längsversteifungen 8a, 8b mit den Beschlägen 10a, 10b und somit zur Bildung der Gitterstruktur werden abschließend auf den Fußen 12, 16 der Längsversteifungen 8 und der Beschläge 10 nicht dargestellte Material- bzw. Gurtlagen abgelegt. Der so entstehende Aufbau wird entsprechend kompaktiert und einem Autoklavprozess unterzogen.
Die Entformung der Versteifungsstruktur 60 erfolgt im Wesentlichen entsprechend der vorstehenden Beschreibung zu den 1 bis 7, so dass auf wiederholende Erläuterungen verzichtet wird.
9 zeigt eine dritte erfindungsgemäße integrale gitterartige Versteifungsstruktur 62 aus einem trockenem Faserhalbzeug 2, beispielsweise einem gebindeten NCF-Material, das zu einer Vielzahl von Längsversteifungen 8a, 8b sowie sich zwischen den Längsversteifungen erstreckenden Beschlägen 10a, 10b umgeformt ist.
Die Längsversteifungen 8a, 8b weisen ein Omega-Profil mit zwei äußeren Fußgurten 64a, 64b zur Anbindung an einem Hautfeld 4 (s. 10), einem Innengurt 66 sowie zwei Stegabschnitten 68a, 68b zur Verbindung der äußeren Fußgurte 64a, 64b mit dem Innengurt 66 auf.
Die Beschläge 10a, 10b haben jeweils eine T-förmige Gestalt mit einem Fuß 16 zur Anbindung an dem Hautfeld 4 sowie eine sich von dem Fuß 16 orthogonal erstreckenden Flansch 18 zur Anbindung von jeweils einer Umfangsversteifung.
Die Herstellung einer derartigen Versteifungsstruktur 62 erfolgt gemäß 11 an einer Werkzeugform 46. Die Werkzeugform 46 hat eine entsprechend einer die Versteifungsstruktur 62 aufnehmenden Innenfläche des Hautfeldes 4 konkav gewölbte Oberfläche 48, in der eine Vielzahl von Längsvertiefungen 50 zur Ausbildung der Längsversteifungen 8 sowie eine Vielzahl von zwischen den Längsvertiefungen 50 angeordneten Versenkungen 52 zur Ausbildung der Beschläge 10 eingebracht sind.
Zuerst wird das Faserhalbzeug 2 über einen Spannrahmen flächig auf der Oberfläche 48 der Werkzeugform abgelegt. Dann wird eine mittlere Längsversteifung 8a durch abschnittsweises Einführen des Faserhalbzeug 2 mittels eines nicht gezeigten beheizbaren Stempels in die mittlere Längsvertiefung 50a und entsprechender Umformung ausgebildet. Der Stempel verbleibt in der Längsvertiefung 50a und fixiert somit das Faserhalbzeug 2 für die Umformung der weiteren Längsversteifungen 8b. Diese werden nun von der Mitte nach außen hin über jeweils einen beheizbaren Stempel umgeformt. Auf diese Weise kann das Faserhalbzeug 2 jeweils nachgeführt werden und Störungen in dem Faserhalbzeug 2 wie Beulen, Knicke und Spannungen bzw. Beschädigungen des Faserhalbzeugs 2 werden vermieden.
Die Ausbildung der Beschläge 10 erfolgt über das Einschneiden des Faserhalbzeugs 2 im Bereich der Versenkungen 52 und dem anschließenden Einlaminieren der eingeschnittenen Halbzeugabschnitte 44 in die Versenkungen 52. Dann wird ein L-förmiges Faserhalbzeug 56 über jeweils einen nicht gezeigten mehrteiligen Einlegekern zur Bildung der T-förmigen Profile der Beschläge 10 in den Versenkungen 52 entsprechend positioniert (vgl. Beschreibung zu 1 bis 7).
Der so gebildete Aufbau wird dann kompaktiert und evakuiert, mit einem Harz infiltriert und einer Aushärtung unterzogen. Dabei sieht ein Ausführungsbeispiel vor, den Anguss bzw. die Absaugung in der Werkzeugform 46 zu integrieren und mit einer integrierten Fließhilfe zu kombinieren.
Die Entformung der Versteifungsstruktur 62 erfolgt im Wesentlichen entsprechend der vorstehenden Beschreibung zu den 1 bis 7, so dass auf wiederholende Erläuterungen verzichtet wird.
12 zeigt einen Beschlag 70 mit einem Fuß 16 zur Anbindung an einem Hautfeld und einem sich senkrecht von dem Fuß erstreckenden Flansch 18 zur Anbindung einer Umfangsversteifung, der über eine Abstützung 72 stabilisiert ist. Die Abstützung weist ebenfalls einen Fuß 74 zur Anbindung an dem Hautfeld auf, der über einen schräg verlaufenden Körperabschnitt 76 am Kopfbereich des Flanschs 18 angebunden ist. Somit weist der Beschlag 70 im Prinzip eine dreieckige Form mit zwei voneinander abgewandten Füßen 16, 74 auf. Die Abstützung 72 übernimmt die Funktion der sogenannten Cleats und erlaubt eine unmittelbare Abstützung der Umfangsversteifungen an dem Hautfeld 4 im Bereich der Beschläge 70. Zumindest in weniger stark belasteten Bereichen des Rumpfes kann die Krafteinleitung über diese Clip-Cleat-Kombination ausreichen.
Offenbart ist ein Verfahren, insbesondere zum Versteifen eines Hautfeldes eines Flugzeugrumpfes, bei dem eine integrale gitterartige Versteifungsstruktur nachträglich an ein Hautfeld gefügt wird, eine Vorrichtung zur Herstellung einer derartigen Versteifungsstruktur sowie eine Versteifungsstruktur mit integral ausgebildeten Beschlägen zur Anbindung von Umfangsversteifungen.
Bezugszeichenliste

1: Versteifungsstruktur
2: Faserhalbzeug
4: Hautfeld
6: Fensterausschnitt
8: Längsversteifung
10: Beschlag
12: Fuß
14: Steg
16: Fuß
18: Flansch
20: U-Profil
22: Seitenschenkel
24: Fertigungshilfsmittel
26: Stützkern
28: Steifenkern
30: Versenkung
32: Trennwand
34: Seitenfläche
36: Seitenfläche
38: Oberfläche
40: Kernoberfläche
42: Randabschnitt
44: Halbzeugabschnitt
46: Werkzeugform
48: Oberfläche
50: Längsvertiefung
52: Versenkung
54: Einlegekern
56: Faserhalbzeug
60: Versteifungsstruktur
62: Versteifungsstruktur
64: Fußgurt
66: Innengurt
68: Stegabschnitt
70: Beschlag
72: Abstützung
74: Fuß
76: Körperabschnitt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2007/0108347 [0003]

Claims

Verfahren, insbesondere zum Versteifen eines Hautfeldes (4) eines Flugzeugrumpfes, mit den Schritten: – Herstellen einer integralen gitterförmigen Versteifungsstruktur (1; 60; 62) mit einer Vielzahl von Längsversteifungen (8), – Bereitstellen eines Hautfeldes (4), und – Anbindung der Versteifungsstruktur (1; 60; 62) an das Hautfeld (4).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Längsversteifungen (8) über sich in Querrichtung erstreckende Beschläge (10) zur Anbindung von Umfangsversteifungen miteinander verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei mit den Schritten: a) Ablegen eines flächigen Faserhalbzeugs (2) auf einem Fertigungshilfsmittel (24) mit einem Stützkern (26) und zwei sich in Längsrichtung des Stützkerns (26) erstreckenden Steifenkernen (28), b) Bilden eines U-förmigen Profils (20) mit jeweils zwei Steghälften (22) durch Führen des Faserhalbzeugs (2) im Bereich seiner Randabschnitte (42) um die Steifenkerne (28) herum, c) Bilden der Beschläge (10) durch Einschneiden des Faserhalbzeugs (2) im Bereich von in dem Stützkern (26) angeordneten Versenkungen (30) und Einführen der eingeschnittenen Halbzeugabschnitte (44) in die Versenkungen (30), d) Entnahme des drapierten Faserhalbzeugs (20) von dem Stützkern (26) und Positionieren der Steifenkerne (28) mit dem drapierten Faserhalbzeug (2) in Längsvertiefungen (50) einer Werkzeugform (46), e) Einführen der eingeschnittenen Halbzeugabschnitte (44) in sich zwischen den Längsvertiefungen (50) erstreckenden Versenkungen (52) der Werkzeugform (46), f) Bilden der Gitterstruktur durch Wiederholen der Schritte a) bis e), g) Ausrichten benachbarter drapierter Faserhalbzeuge (20) zueinander in der Werkzeugform (46), wobei jeweils zwei Randabschnitte (42) einen Steg (14) einer Längsversteifung (8) bilden, h) Einlegen von Füllmaterial im Bereich von Stößen benachbarter Faserhalbzeuge (2), und i) Kompaktieren, Durchführen eines Autoklavprozesses, Aushärten und Endformen der Versteifungsstruktur (1).
Verfahren nach Anspruch 2, mit den Schritten: a) Bereitstellung einer Werkzeugform mit Längsvertiefungen und sich zwischen den Längsvertiefungen erstreckenden Versenkungen, b) Bilden jeweils einer L-förmigen Längsversteifungshälfte durch Positionierung von Faserhalbzeugen auf Steifenkernen, c) Positionierung der Längsversteifungshälften über die Steifenkerne in den Vertiefungen, d) Bilden der Beschläge (10) durch Ablegen von Faserhalbzeugen in die Versenkungen, e) Ablegen von Gurtlagen auf Füße (12, 16) der Längsversteifungen (8) und der Beschläge (10), und f) Kompaktieren, Durchführen eines Autoklavprozesses, Aushärten und Endformen der Versteifungsstruktur (60).
Verfahren nach Anspruch 2, mit den Schritten: a) Bereitstellung einer Werkzeugform (46) mit Längsvertiefungen (50) und sich zwischen den Längsvertiefungen (50) erstreckenden Versenkungen (52), b) Ablegen eines flächigen Faserhalbzeugs (2) auf dem Werkzeug (46), c) Bilden der Längsversteifung (8) durch Umformen im Bereich der Längsvertiefungen (50) mittels eines ersten Stempels, d) Fixieren des Faserhalbzeug (2) auf der Werkzeugform (46) über den Stempel, e) Wiederholen der Schritte c) und d) zur Bildung jeweils einer benachbarten Längsversteifung (8), f) Bilden der Beschläge (10) durch Einschneiden des Faserhalbzeugs (2) zwischen zwei Stempeln und Einführen des eingeschnittenen Halbzeugabschnitts (44) in die Versenkung (52), g) Kompaktieren, Durchführen einer Harzinfusion, Aushärten und Endformen der Versteifungsstruktur (62).
Verfahren nach Anspruch 5, wobei zuerst eine äußere Längsversteifung (8a) oder zuerst eine innere Längsversteifung (8a) gebildet wird und dann die übrigen Längsversteifungen (8b) von innen nach außen gebildet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur Bildung der Beschläge (10) jeweils über einen Einlegekern (54) ein L-förmiges Faserhalbzeug (56) in die die eingeschnittenen Halbzeugabschnitte (44) aufnehmenden Versenkungen (52) der Werkzeugform (46) positioniert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Versteifungsstruktur (1; 60; 62) beim Endformen durch ein Hilfsgestell stabilisiert wird.
Vorrichtung zur Herstellung einer gitterartigen Versteifungsstruktur (1; 60; 62) aus zumindest einem Faserhalbzeug (2) zum Versteifen eines Hautfeldes (4), mit einer Werkzeugform (46), die eine Vielzahl von Längsvertiefungen (50) zur Bildung von Längsversteifungen (8) aufweist, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von zwischen den Längsvertiefungen (50) angeordneten Versenkungen (52) zur Bildung von Beschlägen (10) zur Anbindung von Umfangsversteifungen.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei Steifenkerne (28) zur Bildung der Längsversteifungen (8) vorgesehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Steifenkerne (26) Komponenten eines mehrteiligen Fertigungshilfsmittels (24) bilden, auf dem das Faserhalbzeug (2) drapierbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, wobei das mehrteilige Fertigungshilfsmittel (24) einen Stützkern (26) mit einer Vielzahl von Versenkungen (30) zur Ausbildung der Beschläge (10) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei beheizbare Stempel zum Ausbilden der Längsversteifungen (8) an der Werkzeugform (46) vorgesehen sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche Anspruch 9 bis 13, wobei Einlegekerne (54) zur Ablage und Positionierung von Faserhalbzeugen (56) in den Versenkungen (52) zur Bildung der Beschläge (10) vorgesehen sind.
Versteifungsstruktur (1; 60; 62) zum Versteifen eines Hautfeldes (4) eines Flugzeugrumpfes mit einer Vielzahl von Längsversteifungen (8), dadurch gekennzeichnet, dass die Längsversteifungen (8) über sich in Quer- bzw. Umfangsrichtung erstreckende Beschläge (10) zur Anbindung von Umfangsversteifungen zu einer integralen Gitterstruktur verbunden sind.