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Die Erfindung betrifft einen Flügel mit einer durch ein Fluid umströmbaren aerodynamischen Flügeloberfläche, der sich von einem Wurzelabschnitt, über den der Flügel an einer übergeordneten Rumpfstruktur befestigt oder befestigbar ist, spannweitig in Richtung einer Flügelspitze erstreckt. Die Erfindung betrifft ebenso ein Verfahren zu dessen Herstellung. Das Förderkennzeichen dieser Anmeldung lautet: 20W1910D.
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Im Sinne der vorliegenden Erfindung werden unter dem Begriff Flügel diejenigen Elemente eines Flugobjektes verstanden, die von dem Rumpf des Flugobjektes abstehend angeordnet sind und bei bestimmungsgemäßem Gebrauch des Flugobjektes durch Luftschichten angeströmt werden, wodurch spezielle Effekte erzielt werden sollen. So sind die Tragflügel (Tragflächen) sowie die Leitwerke (Höhenleitwerk, Seitenleitwerk) insbesondere Flügel im Sinne der vorliegenden Erfindung.
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Die Profilflächen der Flügel von Flugobjekten, wie beispielsweise Tragflächen von Verkehrsflugzeugen, besitzen zunächst grundsätzlich laminare Grenzschichten, die bei heutigen Verkehrsflugzeugen jedoch frühzeitig in turbulente Grenzschichten umschlagen. Eine solche turbulente Grenzschicht weist dabei einen deutlich erhöhten Reibungswiderstand auf als eine laminare Grenzschicht. Die Instabilität der Grenzschicht, die zu dem Umschlag führt, wird durch Formabweichungen, wie sie Lücken und Stufen in der Kontur der Profilfläche darstellen, begünstigt. Werden derlei Formabweichungen insbesondere im Vorderbereich der aerodynamischen Funktionsfläche vermieden, führt dies zu einem späteren Umschlag der Strömung von einer laminaren Grenzschicht in eine turbulente Grenzschicht und somit zu einem erweiterten Bereich der laminaren Profilumströmung (NLF, Natural Laminar Flow). Dies wiederum führt zu einer Widerstandreduzierung und direkter Treibstoffeinsparung bzw. aus der Breguet'schen Reichweitenformel abgeleiteten gesteigerten Reichweite des Verkehrsflugzeuges.
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Tragflügel von Verkehrsflugzeugen und Transportflugzeugen werden meist in differentieller Bauweise aus vielen einzelnen Bauteilen hergestellt. Dies hat zwar auf der einen Seite den Vorteil, dass die einzelnen Teile für sich eine geringe Komplexität aufweisen, aber dass andererseits bei der Montage von Subkomponenten und bei der Endmontage ein hoher Fertigungsaufwand getrieben werden muss. Für den Zusammenbau eines Flügels sind zudem viele Verbindungselemente wie Niete, Passbolzen oder Schrauben erforderlich, die in Summe nicht unerheblich zum Gesamtgewicht des Flügels beitragen und dabei den Umschlag von einer grundsätzlich laminaren Grenzschichtströmung in eine turbulente Grenzschichtströmung begünstigen.
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Differentielle Bauweisen findet man sowohl bei Metallflügeln als auch bei Flügelstrukturen aus Faserverbundwerkstoffen. Bei Metallflügeln erlaubt die differentielle Bauweise die Verwendung kostengünstig herstellbarer geschnittener und umgeformter Bleche. Metalle sind aufgrund ihrer isotropen Materialeigenschaften unproblematisch hinsichtlich der Kraftübertragung über Bolzen und Nietverbindungen. Faserverbundwerkstoffe haben hingegen anisotrope (richtungsabhängige) Materialeigenschaften, die von den unterschiedlichen Anteilen der Fasern in verschiedenen Richtungen bestimmt werden. Durch den gezielten Einsatz dieser richtungsabhängigen Eigenschaften ist es möglich, sehr leichte und trotzdem steife und tragfähige Strukturen herzustellen.
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Aufgrund der gewichtsspezifischen Festigkeit und Steifigkeit von Faserverbundbauteilen, die aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt werden, sind derartige Bauteile insbesondere in der Luft- und Raumfahrt als bevorzugter Werkstoff anzusehen und heutzutage kaum mehr wegzudenken. Denn durch das besonders günstige Verhältnis von Gewicht zu Festigkeit und Steifigkeit eignen sich derartige Faserverbundwerkstoffe insbesondere für den Leichtbau.
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Bei der Herstellung eines Faserverbundbauteils wird dabei ein das Fasermaterial einbettendes Matrixmaterial meist unter Temperatur- und Druckbeaufschlagung ausgehärtet und bildet so nach dem Aushärten eine integrale Einheit mit dem Fasermaterial. Die Verstärkungsfasern des Fasermaterials werden hierdurch in ihre vorgegebene Richtung gezwungen und können die auftretenden Lasten in die vorgegebene Richtung abtragen.
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Faserverbundwerkstoffe, aus denen derartige Faserverbundbauteile hergestellt werden, weisen in der Regel zwei Hauptbestandteile auf, nämlich zum einen ein Fasermaterial und zum anderen ein Matrixmaterial, welches im ausgehärteten bzw. konsolidierten Zustand das Fasermaterial einbettet. Hierneben können noch weitere sekundäre Bestandteile verwendet werden, wie beispielsweise Bindermaterialien oder zusätzliche Funktionselemente, die in das Bauteil integriert werden sollen. Werden für die Herstellung trockene Fasermaterialien bereitgestellt, so wird während des Herstellungsprozesses das Matrixmaterial des Faserverbundwerkstoffes in das Fasermaterial durch einen Infusionsprozess infundiert, sodass das trockene Fasermaterial mit dem Matrixmaterial getränkt bzw. imprägniert wird. Dies geschieht in der Regel aufgrund einer Druckdifferenz zwischen dem Matrixmaterial und dem Fasermaterial, indem beispielsweise das Fasermaterial mittels einer Vakuumpumpe evakuiert wird. Im Gegensatz hierzu sind auch Faserverbundwerkstoffe bekannt, bei denen das Fasermaterial mit dem Matrixmaterial bereits vorimprägniert ist (sogenannte Prepregs).
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Damit das später herzustellende Faserverbundbauteil seine gewünschte Bauteilgeometrie erhält, wird das Fasermaterial (trockenes oder vorimprägniertes Faserhalbzeug) oftmals in die gewünschte Bauteilform gebracht werden, bevor das Matrixmaterial vollständig ausgehärtet ist. In der Praxis werden hierzu insbesondere bei komplexen Bauteilgeometrien zuvor sogenannte Preformen hergestellt, die die spätere Bauteilgeometrie aufweisen.
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Bei den Matrixmaterialien können zwei grundlegende Formen unterschieden werden: thermoplastische Kunststoffe und duroplastische Kunststoffe. Duroplastische Matrixsystem werden oftmals in Form von Epoxidharzen in Faserverbundwerkstoffen eingesetzt. In der Luftfahrtindustrie werden beispielsweise Hexflow RTM6, Hexcel und Cytec 977-2 verarbeitet. Duroplastische Matrixsysteme zeichnen sich durch eine hohe Temperatur- und Chemikalienbeständigkeit aus. In Verbindung mit Verstärkungsfasern aus Glas (GFK) oder Kohlenstoff (CFK) können hochfeste Verbundkunststoffe erzeugt werden. Aufgrund ihrer irreversiblen Molekülstruktur, die sich während der Vernetzungsreaktion ausprägt und dadurch den Kunststoff aushärten, sind Duroplaste nicht schmelzbar. Thermoplastische Matrixsysteme lassen sich im Gegenteil zu duroplastischen Matrixsystemen reversibel aufschmelzen. Daher eignen sie sich für thermische Schweiß- und Fügeprozesse.
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Um das Leichtbaupotenzial der Faserverbundwerkstoffe auszunutzen, sind angepasste Bauweisen erforderlich. Insbesondere integral gefertigte Strukturen sind besonders geeignet, da hierbei nur wenige oder gar keine punktuellen Kraftübertragungen über Verbindungselemente erforderlich sind. Als Nachteil der integralen Bauweise muss jedoch der hohe Aufwand für Fertigungsmittel (Formen und Vorrichtungen) gesehen werden.
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In der Luft- und Raumfahrt kommen vorwiegend Kohlenstofffasern zur Anwendung, die sich durch ihre hohe spezifische Festigkeit und vor allem Steifigkeit auszeichnen. Das einfachste Faserhalbzeug ist der Roving, ein Bündel von mehreren tausend Einzelfasern. Rovings können zu Geweben oder aufgespreizt und zu Gelegen verarbeitet werden.
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Die Art, Menge und Ausrichtung der Verstärkungsfasern hat maßgeblichen Einfluss auf die Bauteileigenschaften. Der Verbundstoff entsteht erst beim Fertigungsprozess, wenn die Faserverstärkung durch Formwerkzeuge in die Gestalt des Bauteils gebracht und die Matrix ausgehärtet wird. Bei der Herstellung von Faserverbundbauteilen spielt die Kompaktierung des Laminates bei der Fertigung eine besondere Rolle, da hier die spätere Güte in Bezug auf den Faseranteil im Laminat eingestellt wird. 60% Faservolumenanteil gelten als angestrebte Zielgröße, da sie einen guten Kompromiss aus matrix- und faserdominierten Eigenschaften bietet. Fertigungsverfahren für Faserverbundbauteile unterscheiden sich bei der Aufbringung der Kompaktierungskräfte und lassen sich in die drei Klassen „Hydostatischer Druck“, „mechanische Pressung“ und „Fadenvorspannung bei der Wickeltechnik“ unterteilen.
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Die Nutzung des Hydrostatischen Druckes hat den Vorteil, dass auch komplexe Geometrien gleichförmig kompaktiert werden. Das Formwerkzeug muss dafür allerdings über eine Membran verfügen, die den Druck gleichmäßig und richtungsunabhängig auf das Laminat überträgt. Im Bereich der elastischen Membran sind Funktionsflächen allerdings nur bedingt realisierbar. Geschlossene Formwerkzeuge bilden nach dem Schließen eine allseitig definierte und als Funktionsoberfläche nutzbare Kavität aus. Die Schließrichtung definiert hier die wesentliche Kompaktierungsrichtung, so dass durchaus erhebliche Schwankungen im Fasergehalt auftreten können, wenn die eingelegte Faserpreform nicht exakt zum lokalen Volumen der Kavität passt. Die Kombination einer gekrümmten Oberfläche mit einem unter Vorspannung abgelegten Faserbündels ergibt (bei runden Ablegekörpern) eine senkrecht auf dem Ablegekörper stehende Kompaktierungskraft. Das bedeutet, dass ein in Faserwickeltechnik hergestelltes Laminat zur Konsolidierung im Prinzip nur noch eine thermische Aktivierung der Aushärtung benötigt.
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Aus der
DE 600 20 456 T2 ist eine Flügelstruktur aus Verbundfaserwerkstoff und Verfahren zu dessen Herstellung bekannt, wobei die Flügelstruktur aus mehreren Einzelröhren aufgebaut wird. Die Röhren werden durch Umwickeln von Werkzeugkernen mit Prepregmaterial hergestellt werden. Die Werkzeugkerne bestehen aus einem Metallkern, der mit einer wenige Millimeter dicken Elastomerschicht überzogen ist. Diese Elastomerschicht wird beim Zusammensetzen der einzelnen Röhren im Flügelwerkzeug von innen mit Druck beaufschlagt, um die Laminate der Zellen miteinander und mit der oberen und unteren Flügelschalenhaut zu verbinden.
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Aus der
DE 21 09 692 B2 ist ein Flügelkasten für Luftfahrzeuge in Verbundbauweise bekannt. Dabei ist ein Mittelkasten vorgesehen, der aus gewickelten Einzelfäden oder Bändern aufgebaut ist. Der Kern besteht aus einem später lösbaren Stützmaterial, das die Lage der Rippen und der inneren Holmgurte fixiert.
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Aus der
EP 0 157 778 B1 ist ein Flugzeugstabilisator bekannt, der einen Tragflächenkörper hat, der mit Zwischenraum angeordnete Außenhäute hat, wobei die mit Zwischenraum so angeordneten Außenhäute durch sich innenbords und außenbords erstreckende Holme verbunden und in Längsrichtung gehalten sind, wobei sich alle diese Holme innenbords über den Stabilisator hinaus erstrecken, so dass sie dazu geeignet sind, sich zu einer Längsmittellinie des Flugzeugs zu erstrecken, wobei die Holme sich von der Flügelwurzel zur Flügelspitze hin verbreitern.
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Aus der
WO 2009/ 007 873 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Flügelstruktur beschrieben. Mehrere Schichten aus vorimprägniertem Material werden auf eine erste Formhälfte und auf eine zweite Formhälfte gelegt, um eine erste frische Haut und eine zweite frische Haut der Flügelstruktur zu bilden. Mehrere Schichten aus vorimprägniertem Material werden nacheinander auf eine Formvorrichtung gelegt, um eine frische Vorderkantenhaut der Flügelstruktur zu bilden. Es werden frische Holme aus vorimprägniertem Material gebildet. Es wird ein keilförmiger Körper aus geschäumtem Kunststoff geformt, der dazu bestimmt ist, zwischen der ersten und der zweiten Haut an der Hinterkante der Flügelstruktur eingefügt zu werden. Die frischen Holme werden koordiniert auf der ersten frischen Haut positioniert, wobei neben den Holmen auch abnehmbare Stützelemente angeordnet werden. Die zweite Formhälfte wird auf die erste Formhälfte gewendet, um die zweite frische Haut auf den Holmen und den Stützmitteln zu positionieren, so dass eine frische Flügelstruktur entsteht. Die frische Flügelstruktur wird einem Polymerisationszyklus unter Verwendung eines Vakuumsacks unterzogen.
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Aus der
EP 3 552 952 A1 ist eine laminare Multispar-Tragfläche eines Luftfahrzeugs bekannt, die aus faserverstärktem Verbundkunststoff hergestellt ist und einen Multispar-Flügelkasten und eine Vorderkante umfasst, wobei der Multispar-Flügelkasten einen vorderen Holm, einen hinteren Holm und Zwischenholme umfasst, wobei die Vorderkante mindestens einen Holm umfasst, wobei die Außenhaut der laminaren Multispar-Tragfläche des Luftfahrzeugs eine obere Abdeckung, eine untere Abdeckung und eine Nasenschale hat, die die Nasenspitze der Vorderkante bedeckt, wobei die Vorderkante mit der Multispar- Flügelkasten in einer einzigen Struktur integriert ist, wobei die obere Abdeckung und die untere Abdeckung der Außenhaut der laminaren Multispar-Tragfläche des Flugzeugs sich über den Flügelkasten und teilweise über die Vorderkante erstrecken, mit einem überlappenden Bereich zwischen jeder der oberen und unteren Abdeckungen und der Nasenschale.
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Aus der
GB2 604 141 A ist ein Flugzeugflügel bekannt, der eine Spannweitenrichtung, die sich zwischen einer Wurzel und einem Spitzenende erstreckt, hat, und eine Sehnenrichtung, die sich zwischen einer Vorderkante und einer Hinterkante erstreckt. Ein rohrförmiger Kraftstofftank befindet sich zwischen den oberen und unteren Flügelabdeckungen, wobei sich die Längsachse in Richtung der Spannweite erstreckt. Der Kraftstofftank und die Abdeckungen sind aus einem Verbundwerkstoff, z. B. aus kohlenstofffaserverstärktem Material oder Laminat, hergestellt. Vorzugsweise sind Paare von Kraftstofftanks einstückig ausgebildet, die in Richtung der Sehne aneinandergrenzen. Jeder Tank kann eine vertikale Wand aufweisen, die sich zwischen den Deckeln erstreckt und eine holmartige Struktur für den Flügel bildet.
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Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen verbesserten Flügel sowie ein verbessertes Verfahren zu dessen Herstellung anzugeben, wobei insbesondere auf durch die Flügeloberfläche geführte Verbindungselemente wie Bolzen oder Nieten verzichtet werden soll.
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Die Aufgabe wird mit dem Flügel gemäß Anspruch 1 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung finden sich dann in den entsprechenden Unteransprüchen.
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Gemäß Anspruch 1 wird ein Flügel mit einer durch ein Fluid umströmbaren aerodynamischen Flügeloberfläche vorgeschlagen, wobei der Flügel sich von einem Wurzelabschnitt, über den der Flügel an einer übergeordneten Rumpfstruktur befestigt oder befestigbar ist, spannweitig in Richtung einer Flügelspitze erstreckt. Der Flügel weist dabei einen ersten und wenigstens einen zweiten, sich spannweitig erstreckenden balkenförmigen Flügelholm auf, deren jeweilige Querschnittsform einen Hohlraum umschließt und die aus einem Faserverbundwerkstoff aufweisend ein Fasermaterial und ein das Fasermaterial einbettendes Matrixmaterial gebildet sind.
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Die beiden Flügelholme bilden so somit innenliegende und sich spannweitig erstreckende Hohlkörper, die aus einem Faserverbundwerkstoff gebildet sind. Bei dem Faserverbundwerkstoff kann es sich beispielsweise um ein CFK oder GFK Material handeln. Die Flügelholme müssen sich dabei nicht zwangsweise von dem Wurzelabschnitt bis in die Flügelspitze erstrecken, sodass insbesondere ein Mittenabschnitt des Flügels vorgesehen sein kann, innerhalb dessen die Flügelholme sich spannweitig erstrecken.
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Die Flügelholme sind dabei insbesondere separat hergestellt und werden dann zu einem späteren Zeitpunkt in einem Fügeprozess zusammen mit der Flügelschale und anderen Bauelementen des Flügels zusammengefügt. Dadurch lassen sich die Flügelholme in einem separaten Herstellungsprozess bereitstellen. Die Flügelholme lassen sich dabei kostengünstig mithilfe der Wickeltechnik herstellen, bei der ein quasi endloses Fasermaterial auf einen Formkern umlaufenden in verschiedenen geodätischen Bahnen abgelegt wird.
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Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass der erste Flügelholm sich zumindest teilweise in Richtung Flügelspitze verjüngend erstreckt, der wenigstens eine zweite Flügelholm sich zumindest teilweise in Richtung Flügelspitze verbreiternd erstreckt, und dass der erste Flügelholm eine größere Wandstärke aufweist als der wenigstens eine zweite Flügelholm.
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Die beiden Flügelholme sind demnach spannweitig konisch geformt, wobei sich der erste Flügelholm sich in Richtung Flügelspitze konisch verjüngt und der wenigstens zweite Flügelholm sich in Richtung Flügelspitze verbreitert. Dies bedeutet, dass in Richtung Flügelspitze die Querschnittsfläche des ersten Flügelholms kleiner wird, während die Querschnittsfläche des zweiten Flügelholms in Richtung Flügelspitze größer wird.
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Da der erste Flügelholm, insbesondere bei einer gewickelten Struktur, in der Regel überall dieselbe Laminatdicke bzw. Wandstärke aufweist, wird dieser von der Flügelwurzel zur Flügelspitze hin konisch verjüngt. Um den ersten Flügelholm insbesondere als Biegeträger auszulegen, weist dieser gegenüber den anderen Flügelholmen eine größere Wandstärke auf, wobei durch die Verjüngung in Richtung Flügelspitze die damit einhergehende Gewichtszunahme durch mehr Material kompensiert wird.
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Die nach außen hin abnehmenden Lasten werden so durch den abnehmenden Querschnitt der Röhre berücksichtigt. In gleichem Maße wie sich der erste Flügelholm nach außen hin verjüngt, werden die übrigen Flügelholme in Richtung Flügelspitze hin breiter. Die konischen Holme erleichtern zudem die Entformbarkeit von den Werkzeugkernen, auf die die Struktur gewickelt wird. Der zweite und gegebenenfalls auch die weiteren Flügelholme weisen dann jeweils ein dünneres Laminat bzw. eine geringere Wandstärke auf, da diese nicht den Haupt-Biegeträger bilden, sondern lediglich einen Anteil der Flügelschalen darstellen, der auf diese Weise ebenfalls separat, beispielsweise Wickeltechnik, herstellbar ist.
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Es kann dabei vorgesehen sein, dass der erste Flügelholm, der den Haupt-Biegeträger bildet, an jeder Querschnittsposition immer eine größere Querschnittsfläche aufweist als die übrigen Flügelholme.
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Auf diese Weise wird es möglich, einen solchen Flügel einfach und effizient aus einem Faserverbundwerkstoff herzustellen und dabei insbesondere eine integrale Bauweise zu verwenden. Die lasttragenden Elemente, insbesondere der erste Flügelholm als Haupt-Biegeträger, können dabei einfach und kostengünstig in der Wickeltechnik hergestellt werden und lassen sich anschließend zu einem Flügel zusammensetzen. Dabei wird auch die Anzahl der zu fügenden Einzelkomponenten gegenüber herkömmlichen Bauweisen verringert und durch die Verwendung kostengünstiger Faserhalbzeuge die Kosten reduziert.
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Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Flügel mindestens einen dritten, sich spannweitig erstreckenden balkenförmigen Flügelholm aufweist, dessen Querschnittsform einen Hohlraum umschließt und der aus einem Faserverbundwerkstoff aufweisend ein Fasermaterial und ein das Fasermaterial einbettendes Matrixmaterial gebildet ist, wobei der wenigstens eine dritte Flügelholm sich zumindest teilweise in Richtung Flügelspitze verbreiternd erstreckt, wobei der erste Flügelholm eine größere Wandstärke aufweist als der zweite und der wenigstens eine dritte Flügelholm und wobei der erste Flügelhom zwischen dem zweiten und dem wenigstens einen dritten Flügelholm angeordnet ist.
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Dadurch sind bei dem Flügel mindestens drei, sich spannweitig erstreckende balkenförmige Flügelholme vorgesehen, wobei der erste Flügelholm als Haupt-Biegeträger sich in Richtung Flügelspitze konisch verjüngt und eine stärkere Wandstärke aufweist als die beiden übrigen Flügelholme, die sich in Richtung Flügelspitze konisch verbreitern. Der Haupt-Biegeträger, der durch den ersten Flügelholm gebildet wird, befindet sich somit in der Mitte zwischen dem zweiten und dem dritten Flügelholm.
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Dabei ist es denkbar, dass der erste Flügelholm selbst aus einem ersten Teil und einem zweiten Teil zusammengesetzt ist, die jeweils nur in eine Richtung konisch zu laufen und in einem Fügebereich miteinander verbunden sind. Dabei ist auch die Verwendung eines nicht konischen Mittelstücks denkbar, dass zwischen dem ersten Teil und dem zweiten Teil eingesetzt wird. Der letzte Teil in Richtung Flügelspitze sollte jedoch immer so ausgebildet sein, dass sich der erste Flügelholm in Richtung Flügelspitze verjüngt.
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Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass mindestens einer der Flügelholme einen mehrlagigen Faserlaminataufbau aufweist, der mindestens einen Faserlagenstapel mit insgesamt vier Faserlagen umfasst, wobei eine erste Faserlage mit einer ersten Faserorientierung, eine zweite Faserlage mit einer zweiten Faserorientierung, eine dritte Faserlage mit einer dritten Faserorientierung, die der ersten Faserorientierung mit alternierenden Vorzeichen entspricht, und eine vierte Faserlage mit einer vierten Faserorientierung, die der zweiten Faserorientierung mit alternierenden Vorzeichen entspricht, vorgesehen ist.
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In der klassischen Laminattheorie können Laminate aus mehreren Einzelschichten durch die ABD-Matrix charakterisiert werden. Während die A-Matrix die Scheibensteifigkeiten und die D-Matrix die Plattensteifigkeiten beschreiben, enthält die B-Matrix die Koppelsteifigkeiten. Bei symmetrischen und ausgeglichenen Laminaten wird die B-Matrix zu Null. Das Grundprinzip der „Double-Double-Laminate“ (DD-Laminate) beruht auf einem Block bestehend aus zwei unidirektionalen UD-Winkeln {Φ, -Ψ, -Φ, Ψ}. Über die Wiederholung dieses Blocks um den Faktor r wird ein Laminat aufgebaut. Über die Homogenisierung mit ansteigendem r verschwinden die Kopplungssteifigkeiten aus B und D-Matrix.
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Es ist somit möglich, Laminate herzustellen, die nur sehr geringe Kopplungen aufweisen, obwohl sie nicht symmetrisch aufgebaut sind. Der Vorteil der DD-Laminate liegt darin, dass die Erhöhung der Laminatstärke durch einfaches Hinzufügen weiterer Blöcke (Faserlagenstapel) erfolgen kann, ohne dass dabei auf die bei herkömmlichen Laminaten erforderlichen Symmetriebedingungen geachtet werden muss.
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Für jedes konventionelle Laminat, das aus einer bestimmten Anzahl an 0°, 90°, sowie einer jeweils gleichen Anzahl an +45° und -45° Lagen aufgebaut ist, lässt sich ein DD-Laminat mit einer sehr ähnlichen A-Matrix finden, das nur aus Blöcken der beiden Orientierungspaare {Φ, -Ψ, -Φ, Ψ} aufgebaut ist.
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Die Flügelholme, vorzugsweise auch die übrigen Komponenten (bis auf Holmgurte), werden somit als Double-Double-Laminate vorgesehen, die alle auf Viererblöcken mit derselben Faserorientierung {Φ, -Ψ, -Φ, Ψ} bestehen. Damit ist sichergestellt, dass auch beim Zusammenfügen der Zellen untereinander oder mit der Flügelschale Double-Double-Laminate entstehen. Die Faserwinkel können dabei so gewählt werden, dass zum einen die Limitierungen der Faserwickeltechnik berücksichtigt werden und zum anderen annähernd dieselben Laminateigenschaften eines konventionell aus einer bestimmten Anzahl von jeweils 0°, 90°, sowie +/-45° Lagen aufweisen.
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Im Falle eines quasi-isotropen Laminataufbaus mit gleichen Anteilen von 0°, 90° und +/-45° Lagen weist ein Double-Double-Laminat aus Einzelschichten mit +/-22,5° und +/-67,5° dieselbe A-Matrix auf. Für die Anwendung in einem Flügelkasten können die Winkel abweichen. Wenn Biegebelastungen dominieren, sollten die Fasern mehr der 0°-Richtung angenähert sein. Der kleinere DD-Winkel kann dann durch die Grenzen der Wickeltechnik limitiert sein, z.B. im Bereich von +/-10° bis +/-15°.
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Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass zwischen zwei Flügelholme ein sich aufgrund der Geometrie bildender Hohlraum durch ein Füllmaterial ausgefüllt ist.
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Da in der Regel auf einer ebenen Fläche in der Wickeltechnik keine Anpresskraft erzeugt werden kann, ist es vorteilhaft, die Seitenflächen der Flügelholme in einer leicht nach außen gekrümmten Form zu erstellen, wenn die Flügelholme in der Wickeltechnik erstellt werden sollen. Dadurch entstehen Zwischenräume, wenn die Flügelholme aneinandergefügt werden. Diese Zwischenräume werden erfindungsgemäß mit (gefrästen) Formstücken aus einem Füllmaterial, bspw. einem Hartschaumstoff, ausgefüllt. Die Holmstege, die aus den zusammengefügten Flügelholmen bestehen, bilden somit eine Sandwichstruktur mit einer nicht-konstanten Kerndicke. Die Deckschichten dieser Sandwichstruktur werden aus den Flügelholmen gebildet und können unterschiedlich dick ausgebildet sein, sind aber vorzugsweise beide aus Double-Double-Laminaten mit denselben Faserwinkeln gefertigt.
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Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass auf mindestens eine Seite des ersten Flügelholmes ein Holmgurt aufgebracht ist, bei dem die Faserorientierung spannweitig ausgerichtet ist.
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Werden insgesamt mindestens drei Flügelholme verwendet, so ist der erste Flügelholm als Haupt-Biegeträger mittig zwischen dem zweiten und dem dritten Flügelholm angeordnet. Die Dicke der Holmgurte kann lastabhängig von der Flügelwurzel nach außen hin abgestuft werden. Da die Gurte nicht gewickelt werden, können die Fasern der Holmgurte genau in Spannweitenrichtung ausgerichtet werden.
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Bevorzugterweise wird ein erster Holmgurt auf eine erste Seite des ersten Flügelholms aufgebracht, während ein zweiter Holmgurt auf eine gegenüberliegende zweite Seite des ersten Flügelholms aufgebracht wird.
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Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Flügelholme in einer Flügelschale angeordnet sind, wobei die Flügelschale aus einem Faserverbundwerkstoff aufweisend ein Fasermaterial und ein das Fasermaterial einbettendes Matrixmaterial gebildet ist, wobei die Flügelschale an ihrer äußeren Oberfläche die durch ein Fluid umströmbare aerodynamische Flügeloberfläche bildet.
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Hierdurch kann ein Flügel vollständig aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt werden, wobei die Komplexität des Herstellungsprozesses verringert und somit die Kosten reduziert werden können.
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Die Erfindung wird im Übrigen auch mit dem Verfahren gemäß Anspruch 8 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens finden sich dann in den entsprechenden Unteransprüchen.
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Gemäß Anspruch 8 wird ein Verfahren zur Herstellung eines Flügels mit einer durch ein Fluid umströmbaren aerodynamischen Flügeloberfläche vorgeschlagen, wobei der Flügel sich von einem Wurzelabschnitt, über den der Flügel an einer übergeordneten Rumpfstruktur befestigbar ist, spannweitig in Richtung einer Flügelspitze erstreckt. Das Verfahren umfasst dabei die folgenden Schritte:
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- - Bereitstellen eines ersten und wenigstens eines zweiten, sich spannweitig erstreckenden balkenförmigen Flügelholmes aus einem Faserverbundwerkstoff aufweisend ein Fasermaterial und ein das Fasermaterial einbettendes Matrixmaterial, deren jeweilige Querschnittsform einen Hohlraum umschließt, derart, dass der erste Flügelholm sich zumindest teilweise in Richtung Flügelspitze verjüngend erstreckt und dass der wenigstens zweite Flügelholm sich zumindest teilweise in Richtung Flügelspitze verbreiternd erstreckt und dass der erste Flügelholm eine größere Wandstärke aufweist als der wenigstens eine zweite Flügelholm,
- - Einbringen der Flügelholme in eine Flügelschale zur Herstellung des Flügels.
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Erfindungsgemäß wird somit vorgeschlagen, dass zunächst zwei balkenförmige Flügelholme aus einem Faserverbundwerkstoff bereitgestellt werden, von denen sich der erste Flügelholm in Richtung Flügelspitze verjüngend und der zweite Flügelholm sich in Richtung Flügelspitze verbreitert, wobei die Wandstärke des ersten Flügelholms größer ist als die Wandstärke ist beiden Flügelholms. Es wird außerdem eine Flügelschale bereitgestellt, die beispielsweise aus zwei Teilschalen bestehen kann. Die bereitgestellten Flügelholme werden dann in die Flügelschalen eingebracht und mit dieser stoffschlüssig verbunden.
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Demnach kann vorgesehen sein, dass eine Flügelschale bereitgestellt wird, die aus einem Faserverbundwerkstoff aufweisend ein Fasermaterial und ein das Fasermaterial einbettendes Matrixmaterial gebildet ist, wobei die Flügelschale an ihrer äußeren Oberfläche die durch ein Fluid umströmbare aerodynamische Flügeloberfläche bildet.
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Es ist ebenfalls denkbar, dass die Flügelschale bereitgestellt und die Flügelholme eingebracht werden, indem die Flügelholme - wie bereits oben beschrieben - zusammengefügt werden und anschließend in ein durchgehendes Laminat eingepackt bzw. eingeschlagen werden. Hierdurch wird ebenfalls eine Flügelschale bereitgestellt, in die Flügelholme eingebracht.
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Die Flügelschale kann dabei ebenfalls - wie bei den Flügelholmen - als Double-Double-Laminat ausgebildet bzw. hergestellt sein.
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Die Flügelholme können dabei durch Herstellen bereitgestellt werden, in dem die Flügelholme in einem Wickelverfahren (Wickeltechnik) hergestellt werden. Dabei wird ein quasi endloses Fasermaterial auf einen entsprechenden Formkern umlaufend auf einer geodätischen Bahn abgelegt. Dies kann dadurch geschehen, dass der Formkern sich dreht, während die Ablegeposition kontinuierlich verändert wird. Denkbar ist aber auch, dass der Ablegekopf sich um den nicht-drehenden Formkern bewegt, sodass das Fasermaterial auf der geodätischen Bahn abgelegt wird.
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Der Formkern ist dabei konisch ausgebildet, um je nach Flügelholm eine Verjüngung oder eine Verbreiterung in Richtung Flügelspitze zu gewährleisten. Ein konischer Formkern ermöglicht dabei auch eine vereinfachte Entformung des hergestellten Flügelholms.
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Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass mindestens ein dritter, sich spannweitig erstreckender balkenförmiger Flügelholm aus einem Faserverbundwerkstoff aufweisend ein Fasermaterial und ein das Fasermaterial einbettendes Matrixmaterial derart bereitgestellt wird, dass der wenigstens eine dritte Flügelholm sich zumindest teilweise in Richtung Flügelspitze verbreiternd erstreckt und der erste Flügelholm eine größere Wandstärke aufweist als der zweite und der wenigstens eine dritte Flügelholm, wobei die Flügelholme derart in die Flügelschale eingebracht werden, dass der erste Flügelhom zwischen dem zweiten und dem wenigstens einen dritten Flügelholm angeordnet ist.
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Wie auch bei dem ersten und dem zweiten Flügelholm kann der dritte Flügelholm durch Herstellung bereitgestellt werden, in dem der dritte Flügelholm in einem Wickelverfahren hergestellt wird.
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Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass zwischen zwei Flügelholme ein sich aufgrund der Geometrie bildender Hohlraum durch ein Füllmaterial ausgefüllt wird.
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Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass auf mindestens eine Seite des ersten Flügelholmes ein Holmgurt aufgebracht wird, bei dem die Faserorientierung spannweitig ausgerichtet ist.
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Vorzugsweise wird ein erster Holmgurt auf eine erste Seite des ersten Flügelholms aufgebracht, während ein zweiter Holmgurt auf eine gegenüberliegende zweite Seite des ersten Flügelholms aufgebracht wird. Die Holmgurte liegen dann auf einer Oberseite und einer Unterseite des ersten Flügelholms des Flügels.
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Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass mindestens einer der Flügelholme derart bereitgestellt wird, dass er einen mehrlagigen Faserlaminataufbau aufweist, der mindestens einen Faserlagenstapel mit insgesamt vier Faserlagen umfasst, wobei eine erste Faserlage mit einer ersten Faserorientierung, eine zweite Faserlage mit einer zweiten Faserorientierung, eine dritte Faserlage mit einer dritten Faserorientierung, die der ersten Faserorientierung mit alternierenden Vorzeichen entspricht, und eine vierte Faserlage mit einer vierten Faserorientierung, die der zweiten Faserorientierung mit alternierenden Vorzeichen entspricht, vorgesehen ist.
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Die Flügelholme werden demnach als Double-Double-Laminate hergestellt. Dabei können eine Mehrzahl von Faserlagenstapel (Blöcke der Double-Double-Laminate) vorgesehen sein. Auch die Flügelschalen konnten in Form eines Double-Double-Laminats hergestellt sein.
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Die Erfindung wird anhand der beigefügten Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
- 1 schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Flügelbauweise;
- 2 perspektivische Darstellung eines Flügelmittelstücks in Mehrzellenbauweise.
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1 zeigt in einer schematisch stark vereinfachten Darstellung einen Flügel 10, der sich von einem Wurzelabschnitt 11 in Richtung Flügelspitze 12 erstreckt. Sowohl der Wurzelabschnitt 11 als auch die Flügelspitze 12 sind hier nur schematisch angedeutet, um das Grundprinzip der vorliegenden Erfindung zu verdeutlichen.
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Der Flügel 10 umfasst insgesamt drei Flügelholme, nämlich einen ersten Flügelholm 13, der zwischen einem zweiten Flügelholm 14 und einem dritten Flügelholm 15 angeordnet ist. Die 3 Flügelholme 13, 14 und 15 erstrecken sich dabei von dem Wurzelabschnitt 11 in Richtung Flügelspitze 12, wobei in der Darstellung der 1 diese in den jeweiligen Abschnitten in ihrer jeweiligen Querschnittsform dargestellt sind.
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Auf einer Oberseite 13a sowie einer Unterseite 13b des ersten Flügelholms 13 ist jeweils ein Holmgurt 16a, 16b angeordnet. Die Holmgurte 16 erstrecken sich dabei ebenfalls spannweitig von dem Wurzelabschnitt 11 in Richtung Flügelspitze 12.
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Die Flügelholme 13, 14 und 15 werden nun aneinandergefügt, wobei die sich zwischen den Flügelholmen bildenden Zwischenräume durch ein Füllmaterial 17a, 17b in Form eines Hartschaums ausgefüllt werden.
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Zur vollständigen Bildung des Flügels 10 werden die Flügelholme 13, 14 und 15 einschließlich der Holmgurte 16a, 16b und dem Füllmaterial 17a, 17b in eine Flügelschale 18 eingeschlagen, wobei die Flügelschale im Ausführungsbeispiel der 1 einstückig umlaufend ausgebildet ist und sich von der Hinterkante 19 des Flügels in Richtung Flügelvorderkante 20 und wieder zurück erstreckt. Die einzelnen Flügelholme sowie der erste Flügelholm 13 mit den Holmengurten einschließlich des Füllmaterials 17 werden so vollständig abgedeckt.
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Wie zu erkennen ist, ist der mittig angeordnete erste Flügelholm 13 so ausgebildet, dass er sich von dem Wurzelabschnitt 11 in Richtung Flügelspitze 12 verjüngt. D. h., seine Querschnittsfläche ist im Wurzelabschnitt 11 größer als im Bereich der Flügelspitze 12, wie in 1 deutlich zu erkennen ist.
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Der zweite Flügelholm 14, der an der Hinterkante 19 des Flügels 10 angeordnet ist, sowie der dritte Flügelholm 15, der die Flügelvorderkante 20 bildet, sind jeweils beide so ausgebildet, dass sie sich von dem Wurzelabschnitt 11 in Richtung Flügelspitze 12 verbreitern. D. h., die Querschnittsfläche der beiden Flügelholme 14 und 15 ist im Wurzelabschnitt 11 kleiner als im Bereich der Flügelspitze 12.
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Der erste Flügelholm 13, der mittig angeordnet ist, bildet dabei einen Haupt-Biegeträger, der erster Linie die Biegebelastung quer zur Spannweite und quer zur Anströmung des Flügels aufnehmen soll. Dies sinnvoll zu gewährleisten, ist es vorteilhaft, wenn dieser erste Flügelholm 13 mit entsprechenden Holmgurten 16a, 16b verstärkt wird. Diese Holmgurte sind dabei aus einem Faserverbundwerkstoff gebildet und die Faserorientierung des Fasermaterials ist dabei spannweitig ausgerichtet. Dies vereinfacht die Herstellung und Ablage der Holmgurte erheblich und dient somit in erster Linie der Aufnahme einer Biegebelastung.
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Da die übrigen Flügelholme 14 und 15 nicht den Haupt-Biegeträger darstellen, werden dort auch keine Holmgurte verwendet. Darüber hinaus können diese Flügelholme 14 und 15 mit einer dünneren Wandstärke als der erste Flügelholm 13 gefertigt werden, was Gewicht spart und Zeit bei der Herstellung.
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Alle Flügelholme sind in einem Wickelverfahren hergestellt, insbesondere in Form von Double-Double-Laminaten. Da in einem Wickelverfahren zur Aufbringung der nötigen Anpresskraft es notwendig ist, den Formkern allseits bauchig auszubilden, weisen die Querschnitte der Flügelholme ebenfalls eine bauchige Form auf. Dies bedeutet, dass die Seitenwände der Flügelholme nach außen gekrümmt sind. Durch Anordnung zweier Flügelholme nebeneinander entsteht dadurch eine Lücke zwischen den Holmen, die durch das Füllmaterial 17a, 17b ausgefüllt wird.
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Das Füllmaterial kann beispielsweise ein Hartschaum sein. Das Füllmaterial wird dabei vorzugsweise so bereitgestellt, dass entsprechende Formstücke aus einem gefrästen Füllmaterial, beispielsweise Hartschaum, verwendet werden. Mit anderen Worten, die zwischen den zusammengefügten Flügelholmen bestehenden Zwischenräume werden mit gefrästen Formstücken aus einem Hartschaumstoff aufgefüllt. Dadurch wird eine Art Sandwichstruktur (bedingt durch die hohlen Flügelholme) mit einer nicht-konstanten Kerndicke erzeugt. Die Deckschichten dieser Selbststruktur werden aus den Flügelholmen gebildet, die zwar unterschiedlich dick sind, aber jeweils aus Double-Double-Laminaten mit demselben Faserwinkel gefertigt sind.
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2 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem der Flügel aus mehreren einzelnen Segmenten zusammengesetzt ist. Im unteren Segment 200, mit dem der Flügel 10 an einer Rumpfstruktur befestigt wird, ist der erste Flügelholm 23 so ausgebildet, dass er sich in Richtung Flügelspitze verbreitert, während die beiden danebenliegenden Flügelholme 24 und 25 sich in Richtung Flügelspitze verjüngen. Im Mittelsegment 220 kann vorgesehen sein, dass die Flügelholme sich in Richtung Flügelspitze hinsichtlich ihrer Querschnittsfläche nicht verändern und somit eine Art Zylinder bilden. Erst im oberen Segment 210, das in Richtung Flügelspitze dem Mittelsegment 220 folgt, ist der erste Flügelholm 13 so ausgebildet, dass er sich in Richtung Flügelspitze verjüngt, während die beiden danebenliegenden Flügelholme 14 und 15 sich in Richtung Flügelspitze verbreitern.
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Hierdurch wird es möglich, mit nur einem einzigen Formkern einen Flügelholm herzustellen, der sowohl für das obere Segment 210 als auch für das untere Segment 200 verwendet werden kann, da die Flügelholme im oberen Segment 210 spiegelsymmetrisch mit den Flügelholmen des unteren Segmentes 200 sind. Dies spart Kosten bei der Bereitstellung der Formkerne. Denkbar ist aber auch, dass geteilte Werkzeugkerne verwendet werden und der Flügelholm 23 des unteren Segmentes 200 mit dem Flügelholm 13 des oberen Segmentes 210 integral, d. h. einstückig verbunden ist.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Flügel
- 11
- Wurzelabschnitt
- 12
- Flügelspitze
- 13
- erste Flügelholm
- 14
- zweiter Flügelholm
- 15
- dritter Flügelholm
- 16
- Holmgurte
- 17
- Füllmaterial
- 18
- Flügelschalen
- 19
- Hinterkante
- 20
- Vorderkante
- 23
- spiegelsymmetrischer erster Flügelholm
- 24
- spiegelsymmetrischer zweiter Flügelholm
- 25
- spiegelsymmetrischer dritter Flügelholm
- 200
- unteres Segment
- 210
- oberes Segment
- 220
- mittleres Segment
