DE60126730T2 - Platte aus Verbundwerkstoff mit Versteifungselementen und dessen Herstellungsverfahren - Google Patents

Platte aus Verbundwerkstoff mit Versteifungselementen und dessen Herstellungsverfahren Download PDF

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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein versteiftes Verbundwerkstoff-Paneel, welches bei einem Flügel- und einem Heckaufbau eines Flugzeugs verwendet werden kann, und ein Herstellungsverfahren dafür.
  • Beschreibung des Standes der Technik
  • Als ein herkömmliches versteiftes Paneel sind die in den 1 bis 4 gezeigten Paneele bekannt.
  • Ein in 1 gezeigtes versteiftes Paneel 10 wird in einer solchen Weise gebildet, dass eine Auflage 11 und ein Versteifungselement 12 gemäß den jeweiligen Formen hergestellt werden und sie aneinander durch eine Befestigungsvorrichtung 13 (Niete oder dergleichen) befestigt werden.
  • Ein in 2 gezeigtes versteiftes Paneel 10a wird in einer solchen Weise gebildet, dass eine Auflage 11a und ein Versteifungselement 12 gemäß den jeweiligen Formen hergestellt werden und sie durch einen Klebstoff 14 verbunden werden.
  • Ein in 3 gezeigtes versteiftes Paneel 10b wird in einer solchen Weise gebildet, dass eine dicke Metallplatte 15, die durch eine gestrichelte Linie gezeigt ist, bearbeitet wird, um ein versteiftes Paneel herzustellen (durchgezogene Linie).
  • Ein in 4 gezeigtes versteiftes Paneel 10c wird in einer solchen Weise gebildet, dass ein Verbundwerkstoff zu einer versteiften Platte geformt wird, wobei eine Auflage 17 und ein Versteifungselement 18 integral mittels eines Formwerkzeugs 16 geformt werden.
  • Dokument EP 0 650 825 offenbart ein Paneel gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. In diesem Dokument umfasst ein versteiftes Verbundwerkstoff-Paneel einen ersten und zweiten paneelförmigen faserverstärkten Harzverbundwerkstoff, wobei einige Versteifungselemente in Reihen auf einer Oberfläche des ersten faserverstärkten Harzverbundwerkstoffs angeordnet sind. Der zweite faserverstärkte Harzverbundwerkstoff wird auf dem ersten faserverstärkten Harzverbundwerkstoff zusammen gehärtet.
  • Das Verfahren zur Herstellung eines versteiften Paneels durch Verbinden einer Auflage und eines Versteifungselements mittels einer Befestigungsvorrichtung erfordert das Formen der Auflage und des Versteifungselements und die Bereitstellung eines Positionierwerkzeugs, was in hohen Kosten resultiert. Andere Probleme sind strenge Anforderungen an das Design der Befestigungsvorrichtung (Loch-Kante-Abstand und Auflagedicke für keine scharfen Kanten bei einer Senkschraube) und eine Verringerung der Ermüdungsfestigkeit aufgrund einer Befestigungsvorrichtung-Loch-Spannungskonzentration.
  • Das Verfahren zur Herstellung eines versteiften Paneels durch Verbinden einer Auflage und eines Versteifungselements mittels eines Klebstoffs erfordert das Formen der Auflage und des Versteifungselements, ein Verfahren zum vorher Verbinden der Auflage und des Versteifungselements, das Positionieren der Auflage und des Versteifungselements und die Bereitstellung eines unter Druck stehenden Haltewerkzeugs zum Verbinden, was die Kosten erhöht.
  • Das Verfahren zur Herstellung eines versteiften Paneels durch Bearbeiten einer dicken Metallplatte durch Maschinenbearbeitung weist ein Problem auf, dass, da ein Großteil des Materials herausgeschnitten und verworfen wird, Ressourcen verschwendet werden, und es besteht ein Problem, dass, wenn die Gewichtseffizienz gesteigert wird, die Kosten für die Maschinenbearbeitung steigen.
  • Das Verfahren zur Herstellung eines versteiften Paneels durch integrales Formen eines Verbundwerkstoffs weist das Problem hoher Kostenfaktoren auf, wie die Bereitstellung eines komplexen Werkzeugs für eine genaue und integral geformte Form und die Aufbringung von Druck auf die gesamte Oberfläche und ein erhöhtes Ausschussrisiko.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Angesichts der vorstehend erläuterten Probleme, ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein versteiftes Verbundwerkstoff-Paneel für ein verbessertes Verbinden einer faserverstärkten Harzverbundauflage und eines Versteifungselements und ein Herstellungsverfahren dafür bereit zu stellen.
  • Die vorliegende Erfindung stellt ein versteiftes Verbundwerkstoff-Paneel gemäß Anspruch 1 bereit.
  • Darüber hinaus stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines versteiften Verbundwerkstoff-Paneels gemäß Anspruch 3 bereit.
  • Durch Beispiele werden nun nur spezielle erfindungsgemäße Ausführungsformen mit Bezugnahme auf die angefügten Zeichnungen beschrieben, wobei:
  • 1 eine Veranschaulichung ist, welche ein herkömmliches versteiftes Paneel zeigt;
  • 2 eine Veranschaulichung ist, welche ein anderes herkömmliches versteiftes Paneel zeigt;
  • 3 eine Veranschaulichung ist, welche noch ein anderes herkömmliches versteiftes Paneel zeigt;
  • 4 eine Veranschaulichung ist, welche ein weiteres herkömmliches versteiftes Paneel zeigt;
  • 5 eine perspektivische Ansicht ist, welche eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines versteiften Verbundwerkstoff-Paneels zeigt;
  • 6 eine Veranschaulichung ist, welche ein Beispiel eines Verfahrens zum Anbringen einer geformten Verstärkungsrippe an eine Auflage zeigt;
  • 7 eine Veranschaulichung ist, welche ein anderes Beispiel eines Verfahrens zum Anbringen einer geformten Verstärkungsrippe an eine Auflage zeigt;
  • 8 ein vergrößerter Ausschnitt ist, der ein erfindungsgemäßes versteiftes Verbundwerkstoff-Paneel zeigt; und
  • 9 eine perspektivische Ansicht ist, welche eine andere erfindungsgemäße Ausführungsform eines versteiften Verbundwerkstoff-Paneels zeigt.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Bevorzugte erfindungsgemäße Ausführungsformen werden mit Bezugnahme auf die angefügten Zeichnungen offenbart.
  • In 5 wird ein versteiftes Verbundwerkstoff-Paneel 1 bei einem Flugzeugflügel- und -heckaufbau, welche ein Treibstofftank sind, verwendet.
  • Das versteifte Verbundwerkstoff-Paneel 1 weist eine Auflage 2, mehrere Versteifungselemente 3, einen faserverstärkten Harzverbundwerkstoff 4 und Verstärkungsrippen 5 auf. Die Auflage 2 wird durch Formen eines faserverstärkten Harzverbundwerkstoffs zu einer flachen Auflage erhalten. Die Versteifungselemente 3 werden in Reihen auf einer Oberfläche der Auflage 2 mit einer Lücke in einer Richtung angeordnet. Der faserverstärkte Harzverbundwerkstoff 4 wird so auf der Auflage 2 bereitgestellt und darauf genäht, dass er die Versteifungselemente 3 teilweise bedeckt. Die Verstärkungsrippen 5 verbinden die Versteifungselemente 3 miteinander, welche in Reihen angeordnet sind.
  • Es ist bevorzugt, dass die Faser des faserverstärkten Harzverbundwerkstoffs 2 aus einer trockenen Verbundwerkstoff-Vorform eines dreidimensionalen Gewebes, wobei Ketten-, Schuss- und vertikaler Faden dreidimensional kombiniert sind, mit einer durch die Kette erhöhten Zwischenschichtfestigkeit in Richtung der Dicke besteht. Die Faser des faserverstärkten Harzverbundwerkstoffs 2 kann jedoch durch integrales Laminieren und Vernähen von mehreren normalen Geweben erhalten werden.
  • Jedes Versteifungselement 3 wird aus einem Verbundwerkstoff mit einem etwa U-förmigen Querschnitt mit einem Flanschanteil, der sich nach außen erstreckt, hergestellt. Der Verbundwerkstoff wird zum Formen gehärtet oder teilgehärtet. Für die Form, sogar wenn das Versteifungselement 3 nicht gemäß einer Kontaktform einzeln geformt wird, haben sie bevorzugt eine Formcharakteristik, dass ihr offener Querschnitt Torsions- und Biegeflexibilität aufweist und nur axiale Steifigkeit ausreichend ist. Es ist auch bevorzugt, dass das Versteifungselement 3 eine derartige Form hat, dass es in einer axialen Richtung steif ist und es einer ausreichenden Torsion und Biegung unterworfen ist, wobei es zum Beispiel einen offenen Querschnitt ähnlich dem eines Materials eines dünnen Kanals aufweist.
  • In der vorliegenden Ausführungsform ist jedes Versteifungselement 3 ein faserverstärkter Harzverbundwerkstoff, aber es kann ein Metallteil sein. Wenn zum Beispiel der Verbundwerkstoff ein kohlenstofffaserverstärkter Harzverbundwerkstoff ist, kann eine oberflächenbehandelte Titanlegierung als das Versteifungselement 3 verwendet werden.
  • Es ist bevorzugt, dass die Faser des faserverstärkten Harzverbundwerkstoffs 4 ein dreidimensionales Gewebe ist, wobei die Ketten-, Schuss- und vertikalen Fäden in drei Richtungen dreidimensional kombiniert sind. Die Faser des faserverstärkten Harzverbundwerkstoffs 4 kann jedoch durch integrales Laminieren und Vernähen von mehreren normalen Geweben erhalten werden.
  • Wie in 6 gezeigt, wird die Verstärkungsrippe 5 in einer derartigen Weise geformt, dass ein Teil eines Endes eines Prepregbandmaterials, durch welches das Versteifungselement 3 hindurch gelegt werden kann, ausgeschnitten wird und mit einem Formwerkzeug 7 gebogen wird, damit es einen L-förmigen Querschnitt aufweist. Darüber hinaus kann, wie in 7 gezeigt, die Verstärkungsrippe 5 in einer derartigen Weise geformt werden, dass zwei Prepregs mit dem Formwerkzeug 7 geformt werden, um so einen L-förmigen Querschnitt zum Laminieren zu haben. Die Verstärkungsrippe 5 wird auf die Auflage 2 mit einem Klebstoff 8 aufgebracht und wird erwärmt, um sie zusammen mit der Auflage 2, dem Versteifungselement 3 und dem faserverstärkten Harzverbundwerkstoff 4 zum Verbinden zu härten.
  • In 8 wird ein Nähfaden 9 zum Verbinden der Auflage 2 und des faserverstärkten Harzverbundwerkstoffs 4 verwendet.
  • Ein Verfahren zur Herstellung eines versteiften Verbundwerkstoff-Paneels wird nachstehend erläutert.
  • In dieser Erläuterung werden dem faserverstärkten Harzverbundwerkstoff und der Faser, aus welcher er in den allgemeinen Anteilen zusammengesetzt ist, die gleichen Bezugszahlen zugeordnet.
  • Hergestellt werden zuerst ein dreidimensionales Gewebematerial 2, welches die Auflage 2 verstärkt, das Versteifungselement 3, welches aus einem gehärteten oder teilgehärteten faserverstärktem Harzverbundwerkstoff hergestellt wird, ein anderes dreidimensionales Gewebematerial 4, welches den faserverstärkten Harzverbundwerkstoff 4 verstärkt, und eine Prepregverstärkungsrippe 5, welche zu einem L-förmigen Querschnitt geformt wird.
  • Das dreidimensionale Gewebematerial 2 wird auf eine Formoberfläche eines Werkzeugs (nicht gezeigt) mit einer paneelförmigen Oberfläche aufgebracht. Die Versteifungselemente 3 werden in Reihen auf dem dreidimensionalen Gewebematerial 2 mit einem Abstand in einer Richtung angeordnet.
  • Das andere dreidimensionale Gewebematerial 4 wird auf das dreidimensionale Gewebematerial 2 so aufgebracht, dass es die Versteifungselemente 3 bedeckt, so dass es von einer Seite zur anderen Seite überkreuzt. Das andere dreidimensionale Gewebematerial 4 kann jedoch einen Teil oder alle von einigen oder alle Versteifungselemente 3 bedecken.
  • Das andere dreidimensionale Gewebematerial 4, welches aufgebracht wird, um die Versteifungselemente 3 zu bedecken, wird umgeformt, um an die Form der Außenoberfläche von jedem Versteifungselement 3 anzupassen.
  • Das umgeformte andere dreidimensionale Gewebematerial 4 ist Gegenstand eines Nähverfahrens entlang der Kantenteile der Versteifungselemente 3 in einer Längsrichtung der Versteifungselemente 3. Das andere dreidimensionale Gewebematerial 4 wird durch einen Nähfaden 9 an dem dreidimensionalen Gewebematerial 2 befestigt. Als ein Ergebnis können die Versteifungselemente 3 an vorher bestimmten Positionen ohne ein Positionierungswerkzeug positioniert werden.
  • Die Verstärkungsrippen 5 des bandförmigen Prepregs, wobei ein Formwerkzeug 7 an Teilen anliegt, von welchen die angeordneten Versteifungselemente 3 entfernt wurden, werden auf das dreidimensionale Gewebematerial 2 oder 4 mit dem Klebstoff 8 aufgebracht (wobei in 5 das Formwerkzeug weggelassen wurde).
  • Alle Materialien werden mit einer Vakuumfolie (bagging film) zum Anlegen eines Vakuum bedeckt (nicht gezeigt). Harz wird in die Gewebematerialien durch ein RTM (Resin-Transfer-Molding)-Verfahren oder ein RFI (Resin-Film-Infusion)-Verfahren eingebracht. Das eingebrachte Harz wird dann erwärmt, um es zu härten, wobei das versteifte Verbundwerkstoff-Paneel 1 hergestellt wird.
  • 9 zeigt eine andere Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung des erfindungsgemäßen versteiften Verbundwerkstoff-Paneels 1.
  • In 9 werden Elemente in dieser Ausführungsform, welche identisch oder analog zu den Elementen in den vorstehenden Ausführungsformen sind, durch die gleichen Zahlen bezeichnet.
  • Hergestellt werden zuerst das dreidimensionale Gewebematerial 2, die Versteifungselemente 3, welche aus einem gehärteten oder teilgehärteten faserverstärkten Harzverbundwerkstoff hergestellt werden, das andere dreidimensionale Gewebematerial 4, die Verstärkungsrippen 5, wobei ein Ende eines bandförmigen Prepregs teilweise mit einer Kerbe versehen und gebogen wird, um einen gebogenen L-förmigen Querschnitt bereit zu stellen, und das Formwerkzeug 7.
  • Das dreidimensionale Gewebematerial 2 wird auf eine Formoberfläche eines Werkzeugs (nicht gezeigt) mit einer paneelförmigen Oberfläche aufgebracht. Das bandförmige Gewebematerial 4 wird so auf das dreidimensionale Gewebematerial 2 aufgebracht, dass es an manchen Stellen gelöst ist, damit die Versteifungselemente (3) hindurch gelegt werden können. Eine Breite des anderen Gewebematerials 4 kann derart sein, dass es alle Versteifungselemente 3 bedeckt oder einen Teil von ihnen bedeckt.
  • Die Versteifungselemente 3 werden zwischen dem gelösten Gewebematerial 4 und dem Gewebematerial 2 hindurch gelegt. Teile des gelösten Gewebematerials 4, welche den Kanten der Versteifungselemente 3 entsprechen, werden so angenäht, dass das andere dreidimensionale Gewebematerial 4 an dem dreidimensionalen Gewebematerial 2 durch den Nähfaden 9 befestigt wird. Als ein Ergebnis ist ein Positionierungswerkzeug für die Versteifungselemente zum Härten nicht notwendig.
  • Die Verstärkungsrippen 5 werden auf das andere Gewebematerial 4 mit dem Klebstoff 8 mit dem Formwerkzeug 7, an welchem die Verstärkungsrippen 5 anliegen, aufgebracht, während die Kerben der in Reihen angeordneten Versteifungselemente 3 vermieden werden (wobei in 5 das Formwerkzeug 7 weggelassen wurde).
  • Alle Materialien werden mit einer Vakuumfolie (bagging film) zum Anlegen eines Vakuums bedeckt und Harz wird in die Gewebematerialien durch das RTM- oder das RFI-Verfahren eingebracht und das eingebrachte Harz wird erwärmt, um es zu härten, wobei das versteifte Verbundwerkstoff-Paneel 1 hergestellt wird.
  • Gemäß dem erfindungsgemäßen versteiften Verbundwerkstoff-Paneel sind die Versteifungselemente, welche auf der Auflage angeordnet sind, die aus dem gewebeverstärkten Harzverbundwerkstoff hergestellt ist, mit einem anderen gewebeverstärkten Harzverbundwerkstoff bedeckt, welcher auf die Auflage entlang der Kanten der Versteifungselemente genäht ist, so dass die Verbindungsfestigkeit der Versteifungselemente und der Auflage verbessert ist.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines versteiften Verbundwerkstoff-Paneels wird das Gewebematerial auf ein Werkzeug mit einer paneelförmigen Oberfläche aufgebracht und die Versteifungselemente werden darauf aufgebracht. Ein anderes Gewebematerial wird so auf die Versteifungselemente aufgebracht, dass mindestens ein Teil der Versteifungselemente bedeckt wird, und das Gewebematerial wird umgeformt, damit es sich an die Form der Versteifungselemente anpasst. Das umgeformte Gewebematerial wird auf das Gewebematerial entlang der Kanten der Versteifungselemente genäht. Alle Materialien werden mit der Vakuumfolie (bagging film) zum Anlegen eines Vakuums bedeckt. Harz wird in die Gewebematerialien durch das RTM- oder das RFI-Verfahren eingebracht und das eingebrachte Harz wird erwärmt, um es zu härten. Als ein Ergebnis ist es nicht notwendig, vorher die Versteifungselemente eines nach dem anderen zu formen. Die Versteifungselemente können durch Nähen einfach positioniert werden. Zudem können die Herstellung von mehreren Formwerkzeugen und ihre komplizierten Arbeiten beim Anbringen und Entfernen weggelassen werden.
  • Darüber hinaus wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines versteiften Verbundwerkstoff-Paneels das Gewebematerial auf das Werkzeug mit einer paneelförmigen Oberfläche aufgebracht. Ein anderes Gewebematerial wird so auf das vorstehend erwähnte Gewebematerial aufgebracht, dass es an manchen Stellen gelöst ist, damit die Versteifungselemente hindurch gelegt werden können. Die Versteifungselemente werden zwischen das gelöste Gewebematerial und das Gewebematerial hindurch gelegt. Teile des gelösten Gewebematerials, welche den Kanten der Versteifungselemente entsprechen, werden angenäht. Alle Materialien werden mit der Vakuumfolie (bagging film) zum Anlegen eines Vakuums bedeckt. Harz wird in die Gewebematerialien durch das RTM- oder das RFI-Verfahren eingebracht und das eingebrachte Harz wird erwärmt, um es zu härten. Als ein Ergebnis ist es nicht notwendig, vorher die Versteifungselemente eines nach dem anderen zu formen. Die Versteifungselemente können durch Nähen einfach positioniert werden. Zudem können die Herstellung von mehreren Formwerkzeugen und ihre komplizierten Arbeiten beim Anbringen und Entfernen weggelassen werden.

Claims (5)

  1. Versteiftes Verbundwerkstoff-Paneel (1), umfassend: einen paneelförmigen ersten faserverstärkten Harzverbundwerkstoff (2); Versteifungselemente (3), welche in Reihen auf einer Oberfläche des ersten faserverstärkten Harzverbundwerkstoffs (2) angeordnet sind; und einen zweiten faserverstärkten Harzverbundwerkstoff (4), welcher auf dem ersten faserverstärkten Harzverbundwerkstoff aufgebracht ist und die Versteifungselemente (3) bedeckt, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite faserverstärkte Harzverbundwerkstoff jeweils eine Mehrzahl an dreidimensionalen Geweben oder an Geweben, welche laminiert und genäht sind, umfassen und der zweite faserverstärkte Harzverbundwerkstoff auf den ersten faserverstärkten Harzverbundwerkstoff genäht ist.
  2. Versteiftes Verbundwerkstoff-Paneel gemäß Anspruch 1, ferner umfassend Verstärkungsrippen (5), um die in Reihen angeordneten Versteifungselemente (3) zu verbinden.
  3. Verfahren zur Herstellung eines versteiften Verbundwerkstoff-Paneels, umfassend: Aufbringen eines ersten faserverstärkten Harzverbundwerkstoffs (2) auf ein Werkzeug mit einer paneelförmigen Oberfläche; Aufbringen von Versteifungselementen (3) auf den ersten faserverstärkten Harzverbundwerkstoff (2); Aufbringen eines zweiten faserverstärkten Harzverbundwerkstoffs (4) auf den ersten faserverstärkten Harzverbundwerkstoff, so dass mindestens ein Teil der Versteifungselemente bedeckt ist; Umformen des zweiten faserverstärkten Harzverbundwerkstoffs (4), so dass er an die Form der Versteifungselemente (3) angepasst wird; Nähen des umgeformten zweiten faserverstärkten Harzverbundwerkstoffs (4) auf den ersten faserverstärkten Harzverbundwerkstoff entlang der Kanten der Versteifungselemente (3); Bedecken aller Materialien mit einer Vakuumfolie (bagging film) zum Anlegen eines Vakuums; Einbringen von Harz in die Materialien durch ein Resin-Transfer-Molding-Verfahren oder ein Resin-Film-Infusion-Verfahren; und Erwärmen des eingebrachten zu härtenden Harzes, wobei der erste und zweite faserverstärkte Harzverbundwerkstoff jeweils eine Mehrzahl an dreidimensionalen Geweben oder an Geweben, welche laminiert und genäht sind, umfassen.
  4. Verfahren zur Herstellung eines versteiften Verbundwerkstoff-Paneels gemäß Anspruch 3, wobei: der zweite faserverstärkte Harzverbundwerkstoff (4) so auf dem ersten faserverstärkten Harzverbundwerkstoff (2) aufgebracht wird, dass er an manchen Stellen gelöst ist, damit die Versteifungselemente (3) hindurch gelegt werden können; und die Versteifungselemente (3) zwischen dem gelösten zweiten faserverstärkten Harzverbundwerkstoff (4) und dem ersten faserverstärkten Harzverbundwerkstoff (2) hindurch gelegt werden.
  5. Verfahren zur Herstellung eines versteiften Verbundwerkstoff-Paneels gemäß Anspruch 3 oder Anspruch 4, wobei, nachdem der umgeformte zweite faserverstärkte Harzverbundwerkstoff (4) auf den ersten faserverstärkten Harzverbundwerkstoff (2) entlang der Kanten der Versteifungselemente (3) genäht worden ist, Prepregverstärkungsrippen (5) auf dem ersten faserverstärkten Harzverbundwerkstoff (2) und den Versteifungselementen (3) oder dem zweiten faserverstärkten Harzverbundwerkstoff (4) so angeordnet werden, dass sie die Versteifungselemente (3) kreuzen und an einem Formwerkzeug (7) anliegen, alle Materialien, einschließlich des Formwerkzeugs, von der Vakuumfolie (bagging film) zum Anlegen eines Vakuums bedeckt sind, das Harz in den ersten und zweiten faserverstärkten Harzverbundwerkstoff durch das Resin-Transfer-Molding- oder Resin-Film-Infusion-Verfahren eingebracht wird und das eingebrachte Harz erwärmt wird, um es zu härten.
DE60126730T 2000-12-22 2001-12-21 Platte aus Verbundwerkstoff mit Versteifungselementen und dessen Herstellungsverfahren Expired - Lifetime DE60126730T2 (de)

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US (2) US6702911B2 (de)
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