DE19960909A1 - Großflächiges Strukturbauteil für ein Flugzeug und Verfahren zur Herstellung des Strukturbauteils - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein großflächiges Strukturbauteil für ein Flugzeug, insbesondere nach dem Gegenstand der Patentanmeldung DE 199 41 924, welches aus mindestens einem Hautfeld besteht und ein Verfahren zur Herstellung eines großflächigen Strukturbauteils.

Bei der derzeitigen Fertigung von großflächigen Strukturbauteilen, insbesondere Rumpfschalen für ein Flugzeug, werden Hautbleche bzw. Hautfelder mit Abmessungen von ca. 2,5 m × 10 m verwendet. Es wird für die Herstellung der Rumpfschale die maximal mögliche Größe verwendet, um die Anzahl der Längs- und Quernähte und damit das Gewicht des Flugzeugrumpfes zu minimieren. Die Minimierung des Strukturgewichtes spielt im Flugzeugbau bezüglich des Energiebedarfes und daher für die Wirtschaftlichkeit eines Flugzeuges eine wichtige Rolle. Eine Gewichtsminimierung bedingt eine strukturmechanische Optimierung, und somit sind die Hautbleche je nach Beanspruchung unterschiedlich dick ausgeführt. Beispielsweise können Aufdickungen am Hautblech im Bereich der Stringeranbindung notwendig sein. Die unterschiedlichen Dickenbereiche des Hautbleches werden derzeit üblicherweise durch eine Blech/Blech- Vernietung oder Blech/Blech-Klebung oder mechanisches Fräsen oder durch Chemisch-Abtragen erzeugt. Das Chemisch-Abtragen eines Hautblechs erfolgt durch Maskieren der Bleche, Schneiden und partielles Entfernen der Maske und chemisches Abtragen der freigelegten Fläche. Die Hautbleche werden zu sogenannten Halbschalen zusammengefügt, wobei als Fügeverfahren sowohl das Nieten als auch das Kleben eingesetzt wird. Vor dem Nietvorgang werden die Bleche und Stringer zum Oberflächenschutz anodisiert, grundiert, an den Fügeflächen mit Aktivator gereinigt und mit einer Flächendichtung versehen. Anschließend werden die Stringer angepaßt und mit Heftnieten fixiert. Das Nieten erfolgt automatisch, wobei an den Fügestellen Dichtmittel austritt, das eine Dichtraupe bildet, welche per Hand zu glätten ist und durch eine Schutzschicht gegen aggressive Medien geschützt werden muß. Beim Kleben werden Hautbleche und Doppler durch Konturfräsen aus Halbzeugtafeln hergestellt. Die Stringer sind Blechprofile oder Strangpressprofile, welche abgelängt und anschließend umgeformt werden. Vor dem Klebevorgang erhalten die Einzelteile eine spezielle Klebevorbehandlung. Sie werden entfettet, gereinigt, gebeizt, in Chromsäure anodisiert und anschließend geprimert. Für das Kleben werden die Klebeflächen mit einer Klebefolie versehen, die Einzelteile zusammengelegt und mit Fixierschrauben geheftet. Im Autoklaven wird der Klebstoff unter Temperatur-, Druck- und Zeiteinfluß gehärtet. Danach muß das Bauteil gereinigt werden und als Korrosionsschutz mit einer Dichtmittelraupe und wiederum mit einer Schutzschicht versehen werden.

Dieser recht aufwendige Fertigungsablauf zur Herstellung einer Rumpfschalenstruktur ist näher in den VDI-Fortschrittsberichten, Reihe 2: Fertigungstechnik Nr. 326, Dissertation 07/94 von Dipl.-Ing. Peter Heider "Lasergerechte Konstruktion und lasergerechte Fertigungsmittel zum Schweißen großformatiger Strukturbauteile", S. 3 bis 5 beschrieben.

In dieser Druckschrift ist ebenfalls das Laserstrahlschweißverfahren zum Herstellen von großformatigen Strukturbauteilen beschrieben, wobei auf S. 42 ff. des Berichts mögliche Bauweisen eines Strukturbauteils aufgezeigt werden. Bei allen Bauweisen wird aber immer von einem vorhandenen Hautfeld ausgegangen, welches - wie bereits beschrieben - an entsprechenden Stellen aufgedickt bzw. abgetragen werden muß und die größtmöglichen Abmessungen aufweisen sollte, um die notwendigen Längs- und Querstöße und damit das Gewicht zu minimieren.

Ein großflächiges Strukturbauteil ist nach DE 199 41 924.8 (98HB58) bekannt, welches mit einem vereinfachten und damit weniger aufwendigen Fertigungsverfahren herstellbar ist und das notwendige Einbringen von Verstärkungen auf das Hautblech durch Einbringen von zusätzlichen Blechlagen mittels Nieten oder Kleben bzw. das Abtragen von Blechdicken (mechanisch oder chemisch) minimiert wird und das Strukturbauteil gewichtsoptimiert ausgebildet ist. Das großflächige Strukturbauteil für ein Flugzeug besteht dafür aus mindestens einem Hautfeld, wobei das Hautfeld aus einer Vielzahl von Blechteilen gebildet ist und die Blechteile entsprechend der Anforderungen und Belastungen in Material und Dicke auswählbar und mittels Schweißfügeverfahren verbindbar sind. Bekannt ist ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung eines großflächigen Strukturbauteils mit folgenden Schritten: Von Halbzeugen werden entsprechend der Auslegungsvorgaben des Strukturbauteils mit möglicher Variation von Materialwerkstoff und Materialdicke die Blechteile abgelängt und zugeschnitten; die Blechteile werden zu einem Hautfeld zusammengefügt, und das fertige Hautfeld wird nachbehandelt; insbesondere wird es mittels eines Umformprozesses, wie Walzen oder Streckziehen, zu einem zylindrisch oder sphärisch gekrümmten Strukturbauteil umgeformt.

Aufgabe der vorliegenden Zusatzanmeldung ist es, eine Weiterbildung des Gegenstandes der Patentanmeldung DE 199 41 924.8 anzugeben, die ein breiteres Anwendungsfeld von Halbzeugen zur Herstellung von Strukturbauteilen umfaßt und eine Verbesserung der Variationsmöglichkeiten erreicht, um anforderungsgemäß und in optimaler Form ein großflächiges Strukturbauteil zu schaffen.

Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. Ein Verfahren zur Herstellung eines Strukturbauteils ist in Anspruch 5 angegeben.

Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen 2 bis 4 sowie 6 und 7 angegeben.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es wird nachstehend anhand der Fig. 1 bis 3 näher beschrieben. In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Es zeigt:

Fig. 1 ein Strangpreßpanel als weiteres Halbzeug für die Herstellung eines Hautbleches,

Fig. 2 eine Darstellung einer Fügeverbindung von mehreren Strangpreßpanels und

Fig. 3 eine Fügeverbindung zwischen einem Strangpreßpanel und Blechteilen gemäß dem Gegenstand der Patentanmeldung DE 199 41 924.8.

Der Fertigungsablauf für die Herstellung eines großflächigen Strukturbauteils ist ausführlich in DE 199 41 924.8 beschrieben, und es wird ausdrücklich darauf Bezug genommen. Das Strukturbauteil gemäß dieser Schrift wird aus mehreren, durch unterschiedliche Dicke bzw. unterschiedliche Materialien gekennzeichneten Halbzeugen zu einem Hautfeld zusammengesetzt. Die Halbzeuge sind in den beschriebenen Ausführungen als Blechteile ausgebildet, die beispielsweise von Blechrollen entnommen und entsprechend der notwendigen Abmessungen abgelängt bzw. zugeschnitten werden. Die Blechteile können so entsprechend der Anforderungen an lastabhängige Querschnitte bzw. Dickenabstufungen des Hautfeldes ausgewählt und stumpf mittels Laserstrahlschweißen oder Reibrührschweißen (Friction Stir Welding) verschweißt werden.

In einer weiteren Ausführung ist ein Halbzeug 1 verwendbar, wie es in Fig. 1 ersichtlich ist. Das Halbzeug 1 ist als ein Strangpreßpanel 2 ausgebildet. Ein solches strangge­ preßtes Großprofil weist integrale Versteifungselemente 3 auf, die auf einem Grunde­ lement 4 angeordnet sind und somit für den Einsatz im Flugzeugbau die in Differentialbauweise ausgeführten Strukturelemente Haut und Stringer ersetzen kann. Für das erfindungsgemäße Strangpreßpanel 2 ist entsprechend der in Flugzeug­ rumpfstrükturen auftretenden Lasten das Grundelement 4 dünnwandig ausgebildet und längsverlaufende - als Stringer ausgebildete - Versteifungselemente 3A bis 3H dienen der integralen Versteifung des Bauteils 1. Das Strangpreßpanel 2 besteht vorzugsweise aus einer schadenstoleranten Legierung, wie beispielsweise AlMgSiCu oder AlMgLi, und weist bezüglich der Dicke des dünnwandigen Grundelementes 4 (Hautdicke) und Form der Stringer 3A bis 3H eine für Flugzeugrumpfschalen typische Form auf. Mit einer Verwendung eines solchen Strangpreßpanels 2 für eine Flugzeugrumpfschale reduzieren sich die Einzelteile, da Haut und Stringer ein in einem Herstellungsverfahren hergestelltes, integrales Halbzeug bilden. Fügeoperationen zwischen Haut und Stringer sowie Korrosionsangriffsstellen, beispielsweise Nietbohrungen und Fügespalten, die aufwendig behandelt und abgedichtet werden müssen, entfallen. Ein weiterer wesentlicher Vorteil ist darin zu sehen, daß aufgedickte Bereiche der Rumpfhaut in Längsrichtung unter Beachtung von strangpreßtechnischen Grenzwerten direkt mitgepreßt werden können. Dickenabstufungen der Haut (Grundelement 4) und eine lastabhängige Querschnittsanpassung der Stringer 3A bis 3H können innerhalb eines Strangpreßpanels 2 durch chemisches oder mechanisches Fräsen realisiert werden. Weitergehende Geometrie- und Querschnittsänderungen innerhalb einer Rumpfschale können mit einer Verfahrensweise gemäß DE 199 41 924.8 realisiert werden.

In Fig. 2 ist eine Fügeverbindung von mehreren Strangpreßpanels 2, 2', 2" ersichtlich. Vorzugsweise mittels der Verfahren Laserstrahlschweißen oder Reibrührschweißen (Friction Stir Welding) können diese Strangpreßpanels 2, 2', 2" zu einer Rumpfschale 10 oder zumindest zum Teil einer Rumpfschale 10 gefügt werden. Die Fügeverbindungen sind mittels stumpfer Schweißnähte 5 und 6 realisiert.

In Fig. 3 ist eine weitere Variante zur Herstellung eines als Rumpfschale 10' ausgebildeten Strukturbauteils oder zumindest ein Teil desselben gezeigt. Zumindest ein Strangpreßpanel 2 kann in Ergänzung oder in Kombination mit einem oder mehreren Blechhalbzeugen 7 zu dem Strukturbauteil 10' zusammengefügt werden. Eine Stumpfschweißnaht 8 entsteht. Dafür werden die in DE 199 41 924.8 genannten Verfahren genutzt. Auf das Blechhalbzeug 7 werden in bekannter Differentialbauweise Stringer 8A bis 8D aufgebracht, vorzugsweise aufgeschweißt. Durch die Verwendung von Strangpreßpanels 2 in Ergänzung bzw. in Kombination mit denen in DE 199 41 924.8 beschriebenen Blechhalbzeugen und dem Verfahren, eine Vielzahl von kleineren, unterschiedlich dicken Blechen stumpf miteinander zu einer Großschale zu verschweißen, wird das im Hauptpatent beschriebene Verbesserungspotential nochmals erhöht.

Claims (7)

1. Großflächiges Strukturbauteil (1) für ein Flugzeug, insbesondere nach dem Gegenstand der Patentanmeldung DE 199 41 924.8, welches aus mindestens einem Hautfeld besteht, dadurch gekennzeichnet, daß das Hautfeld (1) aus mindestens einem Sprangpreßpanel (2, 2', 2") gebildet ist, wobei das Strangpreßpanel (2, 2', 2") im wesentlichen ein Grundelement (4) und mehrere integrale, längsverlaufende Versteifungselemente (3A bis 3H) aufweist.

2. Großflächiges Strukturbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Grundelement (4) dünnwandig und die längsverlaufenden Versteifungselemente (3A bis 3H) in Stringerform ausgebildet sind.

3. Großflächiges Strukturbauteil nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verbindung von Strangpreßpanels (2, 2', 2") mittels Schweißstumpfnähten (5, 6) erfolgt und mehrere Strangpreßpanels (2, 2', 2") zumindest einen Teil einer Flugzeugrumpfschale (10) bilden.

4. Großflächiges Strukturbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Strangpreßpanel (2, 2', 2") in Ergänzung bzw. in Kombination mit einem oder mehreren Blechteilen (7) zumindest einen Teil einer Flugzeugrumpfschale (10) bilden.

5. Verfahren zur Herstellung eines großflächigen Strukturbauteils, insbesondere nach dem Gegenstand der Patentanmeldung DE 199 41 924.8, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Strangpreßpanels (2, 2', 2") mittels eines Schweißfügeverfahrens, beispielsweise Laserstrahlschweißens oder Reibrührschweißens (Friction Stir Welding), zu einem Hautfeld (10) zusammengefügt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Herstellung von Strangpreßpanels (2, 2', 2") während des Strangpressens im dünnwandigen Grundelement (4) aufgedickte Bereiche in Längsrichtung mitgepreßt werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß Strangpreßpanels (2) und Blechhalbzeuge (7) mittels eines Schweißfügeverfahrens, beispielsweise Laserstrahlschweißens oder Reibrührschweißens (Friction Stir Welding), zu einem Hautfeld (10') zusammengefügt werden.