DE102014102117A1

DE102014102117A1 - Verfahren und Verbindungsanordnung zum Verbinden eines Strömungskörper-Bauelementes mit einem oder mehreren Bauteilen

Info

Publication number: DE102014102117A1
Application number: DE102014102117.7A
Authority: DE
Inventors: Olaf Steffen; Christian Ückert
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2014-02-19
Filing date: 2014-02-19
Publication date: 2015-08-20
Anticipated expiration: 2034-02-20
Also published as: FR3017668A1; DE102014102117B4; FR3017668B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden eines Strömungskörper-Bauelementes mit einem oder mehreren Bauteilen zur Bildung einer laminar umströmbaren Strömungsoberfläche, wobei das Strömungskörper-Bauelement ein Tragstrukturelement aufweist, durch das Verbindungselemente geführt sind, wobei an einer Fügeseite des Tragstrukturelementes ein Strömungsoberflächenelement angeordnet wird, mit dem das Tragstrukturelement abgedeckt und insbesondere die Verdingungselemente zur Bildung einer laminar umströmbaren Strömungsoberfläche abgedeckt sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden eines Strömungskörper-Bauelementes mit einem oder mehreren Bauteilen zur Bildung einer laminar umströmbaren Strömungsoberfläche des Strömungskörper-Bauelementes. Die Erfindung betrifft ebenso eine Verbindungsanordnung hierzu.
Aufgrund der vorteilhaften Eigenschaften von Faserverbundwerkstoffen, bei einem relativ geringen Gewicht eine hohe Festigkeit und Steifigkeit in zumindest eine Richtung aufzuweisen, sind derartige Faserverbundwerkstoffe aus der Luft- und Raumfahrt heute nicht mehr wegzudenken. Aber auch im Automobilbereich werden Faserverbundwerkstoffe vermehrt eingesetzt. Dabei kann bei gleichbleibender Stabilität das Gewicht der Luft- und Landfahrzeuge reduziert werden, was meist proportional mit der Einsparung von Treibstoff einhergeht.
Ein weiteres Ziel insbesondere im Bereich der Luftfahrt ist die Reduktion des Reibungswiderstandes, der insbesondere an den auftriebserzeugenden Tragflächen eines Flugzeuges entsteht. Dessen Anteil am Gesamtreibungswiderstand kann bis zu 34 % betragen. Durch die Entwicklung der laminar Flügeltechnologie kann dieser Anteil jedoch deutlich gesenkt werden, indem eine laminar Haltung der Grenzschichtströmung an den Strömungsoberflächen des Tragflügels erreicht wird. Dadurch kann der Wandreibungskoeffizient auf bis zu 1/10 des Wertes einer turbulenten Grenzschicht reduziert werden, wobei signifikant Einsparungen im Treibstoffverbrauch des Flugzeuges ermöglicht würden.
Ein Problem hierbei sind die hohen aerodynamischen Anforderungen an die Fügestellen der die Strömungsoberfläche bildenden Bauteile. Um nicht einen Umschlag der laminaren Grenzschichtströmung zu einer turbulenten Grenzschichtströmung zu verursachen, müssen Störungen an der Oberflächegeometrie der Strömungsoberfläche möglichst gering gehalten werden, wobei hierbei Toleranzwerte von max. 0,5 mm je nach Anwendungsort, zu berücksichtigen sind. Insbesondere Stufenhöhen zwischen montierten Bauteilen in Strömungsrichtung sowie dreidimensionalen Störungen, wie z. B. Nietköpfe oder Verschraubungen, verursachen meist einen Umschlag der laminaren Grenzschichtströmung zu einer turbulenten Grenzschichtströmung, sodass insbesondere konventionelle Konzepte für die Anbindung von Strömungskörper-Bauelementen für diese Technologie nicht mehr ausreichend sind. Ein besonderes Augenmerk ist hierbei insbesondere auf die Trennstelle von Flügelhaut und Flügelvorderkante zu richten. Bei der konventionellen Bauweise werden hierbei meist die äußeren Strömungsoberflächen überlappend angeordnet und direkt vernietet bzw. direkt mit einem Doppler vernietet, wobei neben einer direkt sichtbaren Trennstelle in der Regel die Nietköpfe direkt in der Strömungsoberfläche angeordnet sind.
Auch bei der Verwendung eines Faserverbundwerkstoffes für die Herstellung eines Strömungskörper-Bauelementes müssen zur Befestigung des Strömungskörper-Bauelementes an einem Verbindungselement die verwendeten Niete oder Schrauben durch die Strömungsoberfläche geführt werden, was der Einhaltung einer laminaren Grenzschichtströmung entgegensteht.
So ist aus der WO 2013/000447 A1 eine Verbindungsanordnung zur aerodynamisch glatten Verbindung zweier Profilelemente sowie ein Verfahren hierzu bekannt, bei dem die beiden Bauteile einen Verbindungsbereich für die Nietverbindung aufweisen, der unterhalb der Oberflächenniveaus der Strömungsoberfläche liegt. Nach dem die beiden Profilelemente mittels der Nietverbindung miteinander verbunden sind, wird der Verbindungsbereich mit Hilfe einer Füllmasse glatt verspachtelt, sodass eine aerodynamisch glatte Verbindung zwischen den beiden Profilelementen entsteht. Zwar werden hierdurch grundsätzlich die Laminaritätskriterien erfüllt. Allerdings ist die durch das Füllmaterial aufzufüllende Geometrie oberhalb der Nietköpfe komplex, sodass hohe Anforderungen an die Präzision des Füllvorgangs selbst gestellt werden. Außerdem ist eine derartige Anwendung nur bei einander montierten Bauteilen anwendbar, wie im Anwendungsbeispiel die Flügelvorderkante und der Tragflügel, die eine längere Fügefläche aufweisen. Einzelne Niete von auf der Innenseite des Strömungskörper-Bauelementes liegenden Verstärkungselementen oder Entlastungsniete von Klebungen können nicht mit dieser Technologie sinnvoll adressiert werden.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Verfahren zum Verbinden sowie eine entsprechende Verbindungsanordnung anzugeben, mit dem die Laminaritätskriterien bei einem Strömungskörper-Bauelement aus einem Faserverbundwerkstoff bei beliebigen Verbindungsgeometrien von genieteten oder verschraubten Formschlussverbindung eingehalten werden können.
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie der Verbindungsanordnung gemäß Anspruch 8 erfindungsgemäß gelöst.
Unter einem Strömungskörper im Sinne der vorliegenden Erfindung werden dabei diejenigen Elemente verstanden, die aufgrund ihres Einsatzzweckes durch ein Fluid an einer äußeren Strömungsoberfläche umströmt werden. So ein Strömungskörper kann bspw. ein Flügelkörper eines Flugzeuges sein, wobei im Sinne der vorliegenden Erfindung unter dem Begriff Flügelkörper diejenigen Elemente eines Flugobjektes verstanden werden, die von dem Rumpf des Flugobjektes abstehend angeordnet sind und beim bestimmungsgemäßen Gebrauch des Flugobjektes durch Luftschichten angeströmt werden.
Unter einem Strömungskörper-Bauelement werden darüber hinaus zumindest Teile von Strömungskörpern verstanden, aus denen die Strömungskörper zumindest teilweise zusammengesetzt sind. So kann bspw. die Nase eines Strömungskörpers ein Strömungskörper-Bauelement sein. Auch eine Flügelvorderkante einer Tragfläche oder eines Leitwerkes kann ein Strömungskörper-Bauelement sein oder zumindest ein Teil davon.
Erfindungsgemäß wird nun ein Verfahren zum Verbinden eines Strömungskörper-Bauelementes mit einem oder mehreren Bauteilen zur Bildung einer laminar umströmbaren Strömungsoberfläche des Strömungskörper-Bauelementes vorgeschlagen. Ein mit dem Strömungskörper-Bauelement zu verbindendes Bauteil kann bspw. ein weiteres Strömungskörper-Bauelement des Strömungskörpers sein, ein Profilelement, ein Verbinder- bzw. Anschlusselement zum Verbinden von mehreren Strömungskörper-Bauelementen, wie bspw. Ribcaps, oder bspw. innen liegende, d.h. in einem innen liegenen Raum des Strömungskörpers angeordnete Verstärkungselemente, Versteifungselemente und/oder Anschlusselemente sein.
Erfindungsgemäß wird dabei ein zweistufiges Herstellungsverfahren vorgeschlagen, bei dem zum Einen die Bauteile zunächst an einem Tragstrukturelement des Strömungskörper-Bauelementes angeordnet werden, indem Verbindungselemente durch die Tragstruktur hindurch geführt sind, und anschließend auf die Tragstruktur dann ein Strömungsoberflächenelement angeordnet wird, um so die Verbindungselemente auf dem Tragstrukturelement abzudecken und so das gesamte Strömungskörper-Bauelement herzustellen.
Erfindungsgemäß wird somit vorgeschlagen, dass zunächst ein Tragstrukturelement eines Strömungskörper-Bauelement bereitgestellt wird, wobei das Tragstrukturelement aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt ist. Das Bereitstellen des Tragstrukturelementes kann bspw. auch durch das Herstellen des Tragstrukturelementes aus einem Faserverbundwerkstoff erfolgen. Ein Faserverbundwerkstoff im Sinne der vorliegenden Erfindung ist dabei ein Werkstoff, der ein Kunststoffmaterial aufweist, das mit Verstärkungsfasern versehen ist. Derartige Werkstoffe können bspw. glasfaserverstärkte Kunststoffe oder kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe sein.
In das fertig hergestellte und ausgehärtete Tragstrukturelement des Strömungskörper-Bauelementes werden nun Verbindungselemente eingebracht, indem die Verbindungselemente durch das Tragstrukturelement hindurch geführt werden. Derartige Verbindungselemente können bspw. Niete oder Schrauben sein. In der Regel werden hierbei zunächst Bohrungen in das Tragstrukturelement hergestellt, in die dann die Verbindungselemente eingeführt werden. Dabei werden die Verbindungselemente so in die Tragstruktur angeordnet, dass sie sich in der Regel in Richtung des durch den Strömungskörper gebildeten Innenraumes erstrecken, um so das zu verbindende Bauteil aufnehmen zu können. Vorteilhafter Weise werden die Verbindungselemente von der Seite aus, die in Richtung Strömungsoberfläche zeigt, durch das Tragstrukturelement hindurch in Richtung der Seite des Tragstrukturelementes, das in Richtung Innenraum des Strömungskörpers zeigt, geführt. Die Verbindungselemente bleiben dabei meist auf der Seite des Tragstrukturelementes, das in Richtung Strömungsoberfläche zeigt, sichtbar.
Nachdem die Verbindungselemente in das Tragstrukturelement eingebracht wurden, wird das Tragstrukturelement des Strömungskörper-Bauelementes mit dem mindestens einen Bauteil mittels der durch das Tragstrukturelement geführten Verbindungselemente verbunden, bspw. in Form einer Niet- oder Schraubverbindung.
Anschließend wird ein Strömungsoberflächenelement auf dem Tragstrukturelement angeordnet und verklebt, und zwar derart, dass die durch das Strukturelement geführten Verbindungselemente von dem aufgeklebten Strömungsoberflächenelement an der Strömungsoberfläche abgedeckt werden. Das Strömungsoberflächenelement weist dabei selbst einen Faserverbundwerkstoff auf.
Das Strömungskörper-Bauelement ist dabei erfindungsgemäß in zwei funktionale Elemente unterteilt, nämlich zum Einen das Tragstrukturelement, an dem das Bauteil mit den Verbindungselementen verbunden wird, und das Strömungsoberflächenelement, welches die durch die Tragstruktur geführten Verbindungselemente abdeckt und gleichzeitig die laminare Strömungsoberfläche bildet.
Beide Elemente, sowohl das Strömungsoberflächenelement als auch das Tragstrukturelement des Strömungskörper-Bauelementes weist dabei zumindest einen Faserverbundwerkstoff auf, sodass mit Hilfe der vorliegenden Erfindung Strömungskörper-Bauelemente, insbesondere im Luftfahrtbereich, aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt werden können und gleichzeitig so mit Bauteilen verbunden und an Strömungskörper angeordnet werden können, dass die Laminaritätskriterien eines derartigen Strömungskörper-Bauelementes erfüllt sind.
Dabei haben die Erfinder erkannt, dass mit einem derartigen Verbindungsverfahren die Verbindungselemente mittels einer Schicht aus einem Faserverbundwerkstoff sicher abgedeckt werden können, umso die Laminartiätskriterien erfüllen zu können. Insbesondere Welligkeiten und dreidimensionale Störungen in der Höhe der Strömungsoberfläche können hierdurch sinnvoll reduziert werden. Gleichzeitig können wichtige Versteifungs- und Anschlusselemente angeordnet werden, um so das Strömungskörper-Bauelement zu verstärken oder mittels Profilelementen das Strömungskörper-Bauelement mit anderen Strömungskörper-Bauelementen zu verbinden.
Das Strömungsoberflächenelement kann dabei so ausgebildet sein, dass es das Tragstrukturelement vollständig abdeckt und/oder in der Fläche einstöckig ausgebildet ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform wird auf das Tragstrukturelement ein Strömungsoberflächenelement angeordnet und verklebt, welches ein Enteisungssystem enthält. Hierdurch wird der Vorteil erreicht, dass mit Hilfe der funktionalen Schicht des Enteisungssystems neben der Bereitstellung eines derartigen Enteisungssystems auch gleichzeitig die Verbindungselemente abgedeckt werden können, um so eine laminare Strömungsoberfläche herzustellen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung wird das Enteisungssystem des Strömungsoberflächenelementes durch Anordnen eines elektrisch leitfähigen Faserverbundwerkstoffes zwischen einem elektrisch isolierenden Werkstoff hergestellt. So hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn ein elektrisch leitfähiger Faserverbundwerkstoff, bspw. ein kohlestofffaserverstärkter Kunststoff (CFK) zwischen zwei Schichten aus einem glasfaserverstärkten Kunststoffe als isolierender Werkstoff angeordnet wird. In diesem Fall kann das Enteisungssystem mittels herkömmlicher Fertigungstechnologie für Faserverbundwerkstoffe auf dem Tragstrukturelement angeordnet werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform, zusätzlich oder alternativ hierzu, wird das Strömungsoberflächenelement durch Anordnen einer Stahlfolie als äußere Strömungsoberfläche hergestellt. Hierzu wird auf den verwendeten Faserverbundwerkstoff des Strömungsoberflächenelementes eine Stahlfolie angeordnet, um so einen Erosionsschutz sicherzustellen.
Das Strömungsoberflächenelement wird mit Hilfe eines geeigneten Klebstoffes bzw. mit einer geeigneten Klebschicht auf dem Tragstrukturelement verklebt, wobei die Klebschicht bzw. der Klebstoff der Klebschicht durch Aushärtung das Verkleben des Strömungsoberflächenelementes mit dem Tragstrukturelement sicherstellt. Als Klebstoff bzw. Klebschicht kommen bspw. elastomere Fügemittel in Betracht. Es sind aber auch andere Klebemittel denkbar. Neben dem Verkleben des Strömungsoberflächenelementes mit dem Tragstrukturelement mittels einer zwischen beiden Elementen vorgesehenen Klebschicht kann auch die Stahlfolie als äußere Strömungsoberfläche auf den Faserverbundwerkstoff des Strömungsoberflächenelementes mittels einer derartigen Klebschicht verklebt werden. So kann die Stahlfolie bspw. auf das Enteisungssystem des Strömungsoberflächenelementes mittels einer Klebschicht aufgeklebt werden.
Es ist daher vorteilhaft, wenn zwischen Tragstrukturelement und Strömungsoberflächenelement eine Klebschicht eingebracht und vorgesehen ist.
Gemäß zweier alternativen vorteilhaften Ausführungsformen kann das Strömungsoberflächenelement mit dem Tragstrukturelement mittels eines cobonding-Verfahrens oder eines secondarybonding-Verfahrens verklebt werden.
Beim cobonding-Verfahren wird das Strömungsoberflächenelement mit zumindest einem Faserverbundwerkstoff im nicht ausgehärteten Zustand, d.h. im unvernetzten Zustand, zusammen mit einer zwischen dem Strömungsoberflächenelement und dem Tragstrukturelement vorgesehenen Klebschicht auf dem Tragstrukturelement angeordnet. Hierbei kann zusätzlich bspw. die Stahlfolie als Erosionsschicht auf dem nicht ausgehärteten Faserverbundwerkstoff des Strömungsoberflächenelementes angeordnet werden, wobei auch zwischen diesen beiden Elementen eine Klebschicht vorgesehen sein kann. Anschließend wird der mindestens eine Faserverbundwerkstoff des Strömungsoberflächenelementes zur Herstellung des Strömungsoberflächenelementes zusammen mit der Klebschicht zum Verkleben des Strömungsoberflächenelementes auf dem Tragstrukturelement und gegebenenfalls zum Verkleben der Stahlfolie auf dem Faserverbundwerkstoff des Strömungsoberflächenelementes in einem Prozessschritt ausgehärtet.
So kann bspw. der Faserverbundwerkstoff auf das Tragstrukturelement auflaminiert werden, wobei zwischen dem Tragstrukturelement und den Laminatschichten des Faserverbundwerkstoffes des Strömungsoberflächenelementes eine entsprechende Klebschicht vorgesehen ist. Anschließend wird auf die Laminatschichten des Faserverbundwerkstoffes eine entsprechende Klebschicht aufgebracht, sofern diese nicht bereits durch das Faserverbundwerkstoff selbst bereitgestellt wird, um so die Stahlfolie auf dem Faserverbundwerkstoff anzuordnen. Anschließend wird alles zusammen in einem Herstellungsprozess, bspw. durch Temperaturbeaufschlagung in einem Autoklaven, ausgehärtet, sodass eine integrale Verbindung des Strömungsoberflächenelementes mit der Tragstruktur entsteht.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform hierzu kann die Verbindung auch mittels eines secondarybonding-Verfahrens hergestellt werden. Hierzu wird das Strömungsoberflächenelement mit zumindest einem Faserverbundwerkstoff vor dem Anordnen auf dem Tragstrukturelement durch Aushärten des mindestens einen Faserverbundwerkstoffes hergestellt. Das Herstellen des Strömungsoberflächenelements mit dem zumindest einen Faserverbundwerkstoff kann dabei auch in Verbindung mit dem Verkleben der Stahlfolie auf der äußeren Strömungsoberfläche erfolgen, indem in einem gemeinsamen Herstellungsprozess der Faserverbundwerkstoff des Strömungsoberflächenelementes zusammen mit der Klebschicht zwischen dem Faserverbundwerkstoff des Strömungsoberflächenelementes und der Stahlfolie ausgehärtet wird. Nach dem Aushärten der Kunststoffe des Strömungsoberflächenelementes wird das fertige Strömungsoberflächenelement zusammen mit einer Klebschicht auf dem Tragstrukturelement angeordnet und anschließend die Klebschicht zum Verkleben des Strömungsoberflächenelementes auf dem Tragstrukturelement ausgehärtet.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform werden die Verbindungselemente in das Tragstrukturelement derart eingebracht, dass die Verbindungselemente in Bezug auf die Fügefläche des Tragstrukturelementes, auf der das Strömungsoberflächenelement angeordnet und verklebt wird, eine Senktiefe aufweisen, die plan oder tiefer als die Fügefläche ist. Die Verbindungselemente, die bspw. Senkkopfniete sein können, werden somit in das Tragstrukturelement so eingebracht, dass der äußere Abschluss des Verbindungselementes mindestens plan mit der Fläche ist, auf der das Strömungsoberflächen angeordnet und verklebt werden soll. Denkbar ist auch, dass die Verbindungselemente eine Senktiefe aufweisen, die tiefer ist als die Fügefläche des Tragstrukturelementes, auf der das Strömungsoberflächenelement angeordnet werden soll, sodass die Verbindungselemente nicht aus der Fläche heraus abstehen und somit das Anordnen und Verkleben des Strömungsoberflächenelementes behindern. Es hat sich dabei herausgestellt, dass bei einer Senktiefe plan oder tiefer als die Fügefläche Welligkeiten auf der laminaren Strömungsoberfläche reduziert werden können.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1 schematische Darstellung eines angenieteten Anschlusselementes;
2 schematische Darstellung eines Aufbaus der erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung.
1 zeigt schematisch ein Strömungskörper-Bauelement 1, das eine äußere Strömungsoberfläche 2 hat, an der eine laminare Grenzschichtströmung erreicht werden soll. Das Strömungskörper-Bauelement 1 ist dabei mittels einer formschlüssigen Nietverbindung 3 mit einem Bauteil 4 verbunden, das im Ausführungsbeispiel der 1 ein Profilelement ist, das zum Anschluss weiterer Strömungskörper-Bauelemente 1a vorgesehen ist, um so bspw. einen vollständigen Strömungskörper zusammensetzen zu können. Das Bauteil 4 ist dabei ein abgewinkeltes Verbindungs-Profilelement. Das Verbindungs-Profilelement kann allerdings auch integraler Bestandteil des benachbarten Strömungskörper-Bauelementes 1a sein.
Das Strömungskörper-Bauelement 1 weist erfindungsgemäß ein Tragstrukturelement 5 auf, das aus einem Faserverbundwerkstoff, bspw. aus einem kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff, hergestellt ist. An einer Fügeseite 6 des Tragstrukturelementes 5 wird dann ein Strömungsoberflächenelement 7 angeordnet und mittels einer zwischen dem Strömungsoberflächenelement 7 und der Tragstruktur 5 vorgesehenen Klebschicht verklebt. Das Strömungsoberflächenelement 7 weist an seiner äußeren Oberfläche laminare Strömungsoberfläche 2 auf.
Bevor das Strömungsoberflächenelement 7 an der Fügeseite 6 des Tragstrukturelementes 5 angeordnet und verklebt wird, wird das Tragstrukturelement 5 mit Hilfe von Verbindungselementen 8 an dem Bauteil 4 angeordnet und verbunden. Im Ausführungsbeispiel der 1 ist das Verbindungselement 8 eine Senkkopfniete mit einem an den Niet angeordneten Schließring 9, um so das Bauteil 4 formschlüssig an der Tragstruktur 5 zu befestigen. Das Verbindungselement 8 ist dabei zumindest plan bzw. eben mit der Fügeseite 6 des Tragstrukturelementes 5 angeordnet und schließt mit der Fügeseite 6 bündig ab.
Erfindungsgemäß ist das Strömungsoberflächenelement 7, das ebenfalls einen Faserverbundwerkstoff aufweist, an der Fügeseite 6 des Tragstrukturelementes 5 so angeordnet, dass das Verbindungselement 8 durch das Strömungsoberflächenelement 7 zur Bildung der laminaren Strömungsoberfläche abgedeckt ist. Somit entsteht ein Strömungskörper-Bauelement 1, das an seiner äußeren Strömungsoberfläche 2 keine abstehenden oder versenkte Verbindungselemente 8 aufweist, welche die laminare Grenzschichtströmung stören und unterbrechen könnten.
Das Strömungsoberflächenelement 7 kann dabei im cobonding-Verfahren so auf der Fügeseite 6 des Tragstrukturelementes 5 angeordnet werden, dass der Faserverbundwerkstoff des Strömungsoberflächenelementes 7 in einem nicht ausgehärteten Zustand bzw. im unvernetzten Zustand auf das Tragstrukturelement 5 aufgebracht wird, und zwar zusammen mit der Klebschicht zwischen Strömungsoberflächenelement 7 und Tragstrukturelement 5. Sowohl das Strömungsoberflächenelement 7 als auch die verwendete Klebschicht werden dann in einem gemeinsamen Prozessschritt ausgehärtet.
In einem alternativen Verfahren hierzu, dem sogenannten secondarybonding-Verfahren, wird das Strömungsoberflächenelement 7 zunächst vollständig aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt und in hergestelltem Zustand auf das Tragstrukturelement 5 angeordnet und mit einer Klebschicht verklebt, wobei der Prozessschritt des Aushärtens der Klebschicht zwischen Strömungsoberflächenelement 7 und Tragstrukturelement 5 separat zu der Herstellung des Strömungsoberflächenelementes 7 erfolgt. Im hierzu alternativen cobonding-Verfahren wird das Strömungsoberflächenelement 7 und die Klebschicht integral in einem Prozessschritt ausgehärtet.
2 zeigt schematisch den Aufbau eines derart hergestellten Strömungskörper-Bauelementes 1 mit einem entsprechend mit diesem Bauelement verbundenen Bauteil 4. Das Strömungskörper-Bauelement 1 weist ein Tragstrukturelement 5 auf, in das Verbindungselemente 8 eingebracht wurden. Dies kann bspw. derart geschehen, dass zunächst Bohrungen in dem Tragstrukturelement 5 erzeugt werden und anschließend dann die Verbindungselemente 8 in die Bohrungen eingebracht werden.
Im Ausführungsbeispiel der 2 ist dabei ein Verbindungselement 8a vorgesehen, das plan mit der Fügeseite 6 des Tragstrukturelementes abschließt. Das daneben angeordnete Verbindungselement 8b weist dabei eine Senktiefe bspw. von –0,15mm auf, die tiefer ist als die Fügeseite 6 des Tragstrukturelementes 5 und somit dem äußeren Abschluss in das Tragstrukturelement 5 eingelassen ist. Denkbar ist aber auch eine Senktiefe von bspw. +0,15 mm, so dass das Verbindungselement aus der Fügeseite 6 heraussteht.
Auf die Fügeseite 6 des Tragstrukturelementes 5 wird eine Klebschicht 10 angeordnet, mit der das Strömungsoberflächenelement 7 auf das Tragstrukturelement 5 aufgeklebt werden soll. Das Strömungsoberflächenelement 7 weist ein Enteisungssystem 11 auf, auf das eine Stahlfolie 12 als Erosionsschutz und äußere Strömungsoberfläche 2 aufgeklebt ist. Die Stahlfolie kann bspw. eine Dicke von 0,125 mm aufweisen. Die Klebschicht 10 kann bspw. eine Schichtdicke von 0,5 mm aufweisen.
Das Enteisungssystem 11 weist einen elektrisch leitfähigen Faserverbundwerkstoff 13 auf, der bspw. ein 45° Gewebe CFK mit 285 g/m² Flächengewicht sein kann. Der elektrisch leitfähige Faserverbundwerkstoff 13 ist zwischen einem elektrisch isolierendem Werkstoff 14 angeordnet, der bspw. auf beiden Seiten durch zwei Lagen 45° Gewebe E-Glas 105 g/m² Flächengewicht ausgebildet sein kann. Der elektrisch isolierende Faserverbundwerkstoff ist dabei ein glasfaserverstärkter Kunststoff.
Die Klebschicht 10 kann bspw. aus einem unvernetzten Elastomer EPDM oder aus einem Klebefilm Redux319L bestehen. Eine solche Klebschicht kann bspw. auch zwischen dem Enteisungssystem 11 und der Stahlfolie 12 vorgesehen sein.
Bezugszeichenliste

1: Strömungskörper-Bauelement
2: Äußere, laminare Strömungsoberfläche
3: Nietverbindung
4: Bauteil
5: Tragstrukturelement
6: Fügeseite
7: Strömungsoberflächenelement
8: Verbindungselement/Niete
9: Schließring
10: Klebschicht
11: Enteisungssystem
12: Stahlfolie
13: Elektrisch leitfähiger Faserverbundwerkstoff
14: Elektrisch isolierender Faserverbundwerkstoff

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2013/000447 A1 [0006]

Claims

Verfahren zum Verbinden eines Strömungskörper-Bauelementes (1) mit einem oder mehreren Bauteilen (4) zur Bildung einer laminar umströmbaren Strömungsoberfläche (2) des Strömungskörper-Bauelementes (1), gekennzeichnet durch die Schritte: a) Bereitstellen eines aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellten Tragstrukturelementes (5) des Strömungskörper-Bauelementes (1), b) Einbringen von Verbindungselementen (8) in das Tragstrukturelement (5) des Strömungskörper-Bauelementes (1), indem die Verbindungselemente (8) durch das Tragstrukturelement (5) hindurch geführt werden, c) Verbinden des Tragstrukturelementes (5) des Strömungskörper-Bauelementes (1) mit dem mindestens einen Bauteil (4) mittels der durch das Tragstrukturelement (5) geführten Verbindungselemente (8), und d) Anordnen und Verkleben eines ein Faserverbundwerkstoff aufweisendes Strömungsoberflächenelementes (7) auf dem mit dem mindestens einen Bauteil (4) verbundenen Tragstrukturelement (5) zur Bildung der laminar umströmbaren Strömungsoberfläche (2) derart, dass die durch das Tragstrukturelement (5) geführten Verbindungselemente (8) von dem aufgeklebten Strömungsoberflächenelement (7) an der Strömungsoberfläche (2) abgedeckt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Strömungsoberflächenelement (7) angeordnet und verklebt wird, welches ein Enteisungssystem (11) enthält.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Enteisungssystem des Strömungsoberflächenelementes (7) durch Anordnen eines elektrisch leitfähigen Faserverbundwerkstoffes (13) zwischen einem elektrisch isolierenden Werkstoff (14a, 14b) hergestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsoberflächenelement (7) durch Anordnen einer Stahlfolie (12) als äußere Strömungsoberfläche (2) hergestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsoberflächenelement mit zumindest einem Faserverbundwerkstoff im nicht ausgehärteten Zustand zusammen mit einer zwischen dem Strömungsoberflächenelement und dem Tragstrukturelement vorgesehenen Klebschicht auf dem Tragstrukturelement angeordnet und anschließend der mindestens eine Faserverbundwerkstoff zur Herstellung des Strömungsoberflächenelementes zusammen mit der Klebschicht zum Verkleben des Strömungsoberflächenelementes auf dem Tragstrukturelement in einem Prozessschritt ausgehärtet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsoberflächenelement mit zumindest einem Faserverbundwerkstoff vor dem Anordnen auf dem Tragstrukturelement durch Aushärten des mindestens einen Faserverbundwerkstoffes hergestellt und anschließend zusammen mit einer zwischen dem Strömungsoberflächenelement und dem Tragstrukturelement vorgesehenen Klebschicht auf dem Tragstrukturelement angeordnet wird, wobei anschließend die Klebschicht zum Verkleben des Strömungsoberflächenelementes auf dem Tragstrukturelement ausgehärtet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungselemente in Bezug auf die Fügefläche (6) des Tragstrukturelementes, auf der das Strömungsoberflächenelement angeordnet und verklebt wird, mit einer Senktiefe so in das Tragstrukturelement eingebracht werden, dass die Verbindungselemente plan gegenüber der Fügefläche oder tiefer als die Fügefläche angeordnet sind.
Verbindungsanordnung zur Verbindung eines Strömungskörper-Bauelementes mit einem oder mehreren Bauteilen zur Bildung einer laminar umströmbaren Strömungsoberfläche des Strömungskörper-Bauelementes, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungskörper-Bauelement ein Tragstrukturelement aus einem Faserverbundwerkstoff und ein ein Faserverbundwerkstoff aufweisendes Strömungsoberflächenelement hat, wobei in das Tragstrukturelement ein oder mehrere Verbindungselemente eingebracht und durch das Tragstrukturelement hindurch geführt sind, wobei das mindestens eine Bauteil mittels der durch das Tragstrukturelement geführten Verbindungselemente mit dem Tragstrukturelement des Strömungskörper-Bauelementes verbunden ist, und wobei das Strömungsoberflächenelement auf dem mit dem mindestens einen Bauteil verbundenen Tragstrukturelement zur Bildung der laminar umströmbaren Strömungsoberfläche derart angeordnet und verklebt ist, dass die durch das Tragstrukturelement geführten Verbindungselemente von dem aufgeklebten Strömungsoberflächenelement an der Strömungsoberfläche abgedeckt sind.
Verbindungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsoberflächenelement ein Enteisungssystem enthält.
Verbindungsanordnung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Enteisungssystem aus einem elektrisch leitfähigen Faserverbundwerkstoff, der zwischen einem elektrisch isolierenden Werkstoff angeordnet ist, gebildet wird.
Verbindungsanordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsoberflächenelement als äußere Strömungsoberfläche eine Stahlfolie aufweist.
Verbindungsanordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungselemente in Bezug auf die Fügefläche des Tragstrukturelementes, auf der das Strömungsoberflächenelement angeordnet und verklebt ist, mit einer Senktiefe so in das Tragstrukturelement eingebracht sind, dass die Verbindungselemente plan gegenüber der Fügefläche oder tiefer als die Fügefläche angeordnet sind.