CN102656374B - 用于轻型结构组件的力导入配件 - Google Patents
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Abstract
一种用于轻型结构组件（18）的力导入配件（2），所述力导入配件具有两个径向力导入面（6、8）、至少一个轴向力导入面（4）和用于力导入配件的力导入和支承的至少一个容纳机构（10）。径向力导入面（6、8）和轴向力导入面（4）围成空腔。径向力导入面（6、8）连同轴向力导入面（4）构成一件式的构件。这类力导入配件（2）能够通过应用选择性激光熔化方法来制造。因此，力导入配件能够特别灵活地与负载条件相匹配，具有特别有利的材料特性和轻的重量。
Description
相关申请
本发明要求于2009年12月15日提交的美国临时专利申请No.61/286，482和于2009年12月15日提交的德国专利申请No.10 2009 058359.9的优先权，其内容以参引的方式并入本文。
技术领域
本发明涉及一种用于轻型结构组件的力导入配件、一种具有这类力导入配件的轻型结构组件、一种用于制造这类力导入配件的方法、用于将力导入夹层构件的这类力导入配件的使用和一种具有由轻型结构组件组成的内装配件的飞机，所述内装配件构造有这类力导入配件。
背景技术
在现代交通工具中，轻型结构材料应用于多种多样的内装配件、附件和空气动力学的辅助面，所述轻型结构材料除了具有轻的重量，还具有足够的或者高的强度。特别是在现代客机中，在机身内部设计有大量具有夹层材料的物体，所述夹层材料具有至少一个芯层和一个、两个或多个覆盖层。举例说明，可以是在客舱中的地板、“机组人员休息室”或存储柜。在具有夹层形式的由轻型结构材料制成的相对高地负载的结构部件中设有专门的力导入位置，在所述位置上能够固定有结构部件，以便能够实现可靠的力传递。
在现有技术中，不存在足够可靠且同时节省重量的可能性将集中的力例如通过螺旋连接导入蜂窝芯（“honeycomb”）轻型结构板中，而不会在力导入的位置上局部进行实心的芯增强。这常常通过粘贴由复合材料或由铝制成的实心构件来实现，可替代地，能够实现将较小的力传递到轻型结构板中，所述轻型结构板具有蜂窝芯，所述蜂窝芯单元借助于蜂窝芯填充材料填平。
DE3 827 279A1和EP0 345 403B1示出用于吸收在运输工具的运输舱中的负载的、设计为轻型结构组件的防护壁，所述防护壁通过配件保持在飞机机身的构造结构上。所述配件分别具有相对大的面，所述面支承相关的轻型结构组件。
在这类轻型结构组件必须是完全的轻型结构的情况下，所述已知的可能性不是一个优选的解决方案，因为一个或多个这类实心的力导入构件的一体化导致轻型结构组件的重量明显增加，尽管对于技术实施而言，仅朝向连接元件突出的面足够用于将足够的力导入轻型结构组件中。
发明内容
相应地，可以视为本发明的目的是，提出一种力导入配件，所述力导入配件能够将力尽可能协调地导入轻型结构组件中，同时具有轻的重量并且能够低成本地制造。
本发明的另一目的能够在于，提出这类力导入配件，其中通过改变力导入配件能够调节可传递的力，其中，这类改变能够尽可能低成本地或成本中性地实施。
本发明的再一目的能够在于，提出一种具有内装配件的飞机，所述内装配件由轻型结构组件组成，所述轻型结构组件能够以特别轻的附加重量设置到机身内部的飞机结构上。
已提及的目的通过独立权利要求的特征得以实现。在相应的从属权利要求中获得有利的改进方案。
根据本发明的第一观点，根据本发明的力导入配件具有至少一个轴向力导入面、至少一个径向力导入面和用于支承轻型结构组件的至少一个容纳机构，其中，轴向力导入面和径向力导入面围成空腔，并且根据本发明的力导入配件构成为一件式的、无接缝的构件。
根据本发明的力导入配件在力导入面的区域中具有壁形结构，所述壁形结构能够具有预定的壁厚，并且通过力导入面向外限定。
径向力导入面优选设置用于形成与轻型结构组件的平面的、材料接合的连接，其中，特别优选的是粘合连接。通过设计径向力导入面的尺寸和形状能够预先确定可传递给力导入配件的力。
根据本发明的力导入配件能够具有任一形状，只要存在径向力导入面和轴向力导入面，所述径向力导入面和轴向力导入面适于将支承力由容纳机构传递给轻型结构组件或者导入力导入配件中。如果轻型结构组件例如是平坦的夹层板，那么根据本发明的力导入配件的外部尺寸能够与在夹层板中的夹层板的厚度或芯层的厚度相匹配，以便能够实现根据本发明的力导入配件的协调的一体化。此外，轴向力导入面优选设置用于将垂直于轻型结构组件所施加的力转为在轴向力导入面和轻型结构组件的剪力芯之间的剪切力，而径向力导入面设置用于能够将压力或拉力由平行的力导入沿夹层板的延伸方向协调地传递给所述夹层板。
通过封闭的空腔提供了根据本发明的力导入配件的一定的可变形性，以至于能够实现在力导入配件和轻型结构组件之间的相对小的刚性突变。同时，由于空腔，力导入配件的重量被减少到小的数值，以至于根据本发明的力导入配件有助于轻型结构组件的可能少的重量增加。
依照根据本发明的力导入配件的一个有利的改进方案，容纳机构构造为钻孔，所述钻孔设置在至少一个轴向力导入面中。轻型结构组件的固定能够通过螺栓等实现，所述螺栓能够被引导穿过所述钻孔并且能够借助于根据本发明的力导入配件张紧。为此，用于容纳螺栓的开口也具有螺纹。可替代地，其他固定机构也能够穿过所述开口并且固定。
依照根据本发明的力导入配件的另一有利的实施形式，容纳机构能够构成为衬套，所述衬套与在至少一个轴向力导入面中的开口相符。因此能够实现根据本发明的力导入配件的特别准确的支承或者引导。
根据一个有利的改进方案，根据本发明的力导入配件构成为盘状或罐状。如前面已经提及的，根据本发明的力导入配件的高度能够与轻型结构组件的厚度相匹配，以至于力导入配件例如能够对齐地集成到例如构成为夹层板的轻型结构组件中。由于盘状或罐状的构造，轴向力导入面能够构成为圆柱形外壳，而至少一个径向力导入面能够构成为设置在圆柱形外壳的上侧和/或下侧的圆盘。径向力导入面能够在整个面上与轴向力导入面以不具有接合位置的一体的结构类型连接。通过这类扩展方案，空腔在可能的弯折位置上的横截面在加载有弯曲应力的情况下完全地或至少尽可能完全地保持不变。因此，相比于在具有单独的组件的结构形式的其他情况下中可能的情况，在根据本发明的力导入配件中能够引入明显更大的弯曲应力、拉力和横向力。
更有利的是，根据本发明的力导入配件能够具有相对于纵轴线对称的结构。所述纵轴线能够与容纳机构同中心地设置。径向力导入面的和轴向面导入面的形状可以任意选择，在此既能够使用圆形的形状也可以使用有角的形状。
根据一个有利的改进方案，根据本发明的力导入配件能够具有粗糙的表面。这可实现与轻型结构组件例如在轻型结构组件的芯层和轴向力导入面之间或在轻型结构组件的覆盖层和径向力导入面之间的有利的粘贴。
在根据本发明的力导入配件的一个有利的改进方案中，根据本发明的力导入配件的壁厚在至少一个径向力导入面的区域中从纵轴线上看在径向上向外减少。因此，根据本发明的力导入配件的弹性/塑性的可变形性变大，以至于拉力和压力能够更多地导入轻型结构组件中，例如导入到夹层板的覆盖层中。出现的并且指向芯元件的横向力剪切减少，这有利于在复合结构中的总的强度。
在根据本发明的力导入配件的一个有利的改进方案中，增强元件设置在空腔的内部中，并且与至少一个轴向力导入面和/或至少一个径向力导入面连接。增强元件能够具有不同类型的形状，并且所述增强元件既能够在轴向方向上延伸并且能够构成为实心的中间肋，也能够构成为杆形增强元件，所述杆形增强元件形成在空腔内部的框架结构。所述增强元件的目的是改善在容纳机构和径向力导入面和轴向力导入面之间的力传递。通过调整增强元件的类型、形状和数量，能够至少部分地影响根据本发明的力导入配件的可变形性。
在一个优选的改进方案中，根据本发明的力导入配件具有两个径向力导入面，所述径向力导入面构成为盘形元件，并且通过轴向力导入面与根据本发明的力导入配件的封闭的表面互补。因此，在现有的轻型结构组件中实现具有特别有利的简单的一体化可能性的极其简单的结构。通过预先给定根据本发明的力导入配件的各个壁厚，能够确定可通过设置在所述壁上的力导入面吸收的力的大小。
在根据本发明的力导入配件的一个有利的改进方案中，所述力导入配件由可熔融的材料制成，这可实现在彼此重叠地构造的且彼此连接的层中制造力导入配件，如这在下面与根据本发明的制造方法相关联地说明。为此，每种可熔融的材料都是适用的，例如塑料和金属。
依照根据本发明的力导入配件的一个同样优选的改进方案，空腔具有至少一个开口，所述开口将空腔与包围力导入配件的介质连通。因此，所述介质，例如空气，能够渗入空腔中，并且建立压力平衡。所以，这类力导入配件例如能够应用于大高度或深的水域，因为在介质和空腔之间不会构成压力差。这样的压力差能够导致在力导入配件内部的应力，所述应力能够使力导入配件附加地负载。因此，可通过加载有应力的力导入配件传递的弯曲力能够比在没有加载应力的力导入配件的情况下更小。
根据本发明的力导入配件同样以有利的方式具有至少一个开口，所述开口确定尺寸为，使得能够从空腔中移除由可熔融的材料制成的、用于制造力导入配件所需的颗粒。如在前面已提到的，力导入配件能够以创成式层构造法制成。在这种情况下，由可熔融的材料制成的粉末或颗粒涂覆在层上，其中，激光器优选将力导入配件的轮廓完全地熔融。因为由于所述制造方法，不熔融的颗粒直到制成力导入配件为止残留在基板上，因此在制造空腔时所述颗粒被包围在所述空腔中。至少由于重量和费用的原因值得期望的是，将所述颗粒尽可能不残留地从空腔中移除。这能够通过至少一个这样的开口来实现，所述开口能够设置在至少一个径向力导入面或至少一个轴向力导入面中。
可熔融的材料能够至少设计为选自包括工具钢、不锈钢、钢、钛、铝和铁钴镍合金或上述材料的合金或混合物的材料组中的材料。通过使用这些优选不使用粘合添加剂的材料，能够将粉末状材料完全地熔融。因此，能够得到大约100%的构件密度，以至于能够制成力导入配件，所述力导入配件的机械特征值尽可能地符合材料的规格。这意味着，例如在由钛合金制成力导入配件的情况下，基于相应的钛合金的特征值，例如弹性，也能够基于力导入配件。
根据本发明的另一观点，力导入配件通过创成式层构造法、特别是通过选择性激光熔化方法（也以缩写“SLM”已知）来制造。在这种情况下构成至少部分地包围所述力导入配件的空腔的壁。此外，一系列增强元件在空腔内并且横向于力导入配件的延伸方向构成为，使得增强元件能够吸收作用在力导入配件上的弯曲力、轴向力和径向力的至少一部分。附加地，增强元件与壁一件式地构成，其中，壁和由可熔融的材料制成的增强元件都借助于层构造法构成。
在这种情况下，力导入配件能够逐层地构造，其中，分别将由粉末状材料制成的层施加到力导入配件的已加工的部分上，并且然后能够将所述层局部地熔融，以至于所述层能够在随后的固化中与所述已加工的部分连接。例如借助于激光射线，能够产生具有底切部的任意的三维几何形状。因此，能够制造不能以传统的机械的或铸造技术的制造方式制造的这类有利的力导入配件。
通常情况下，为了制造这类产品所需要的是，所述产品的几何形状数据以三维的形式存在并且作为层数据来处理。由构件的现有的CAD数据，通过所谓的“分层”（Slicen）产生大量的层。由此制成根据本发明的力导入配件，其机械特性超过所有已知的力导入配件，这涉及强度和轻的重量。
为了获得最优的平面支承，根据本发明的力导入配件由激光器倾斜地构造。相应地，在盘形或罐形的结构中既没有轴向力导入面也没有径向力导入面存在于基板上。
具有至少一个根据本发明的力导入配件的轻型结构组件满足本发明的至少一个前述目的。
具有至少一个内装物体的飞机同样实现本发明的前述目的中的一个，其中，内装物体具有带有至少一个根据本发明的力导入配件的至少一个轻型结构组件。在现代客机中，例如机翼机身过渡部的面板（“Belly Fairing”，机腹整流罩）能够通过多个根据本发明的力导入配件固定在飞机的结构上。此外，在飞机机舱内部中的多个轻型结构组件通过根据本发明的力导入配件固定在机身结构上，例如底板、机舱覆盖面板、建造物或建造物组件、隔板和大量其他类型的内装构件。
附图说明
从附图和实施例的下述说明中获得本发明的其它特征、优点和应用可能性。在此，所有已说明的和/或图示出的特征本身和任意的组合形成本发明的主题，甚至与本发明的在各个权利要求或所述权利要求的相关联的权利要求中的组成无关。此外，在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的对象。
图1示出根据本发明的力导入配件的第一实施例。
图2示出在安装在轻型结构组件中的装置中的根据本发明的力导入配件的一个实施例。
图3示出根据本发明的力导入配件的另一实施例。
图4a-4c示出根据本发明的力导入配件的层状结构。
图5示出根据本发明的方法的示意图。
图6示出具有至少一个内装物体的飞机，所述内装物体具有至少一个轻型结构组件，所述轻型结构组件具有至少一个根据本发明的力导入配件。
具体实施方式
在图1中示出根据本发明的力导入配件2的三维示图，所述力导入配件具有罐形构造。根据本发明的力导入配件2具有轴向力导入面4以及两个彼此同中心地设置的且在轴向方向上彼此位错的径向力导入面6和8。径向力导入面6和8通过具有扁平的、薄片或平板型的结构类型的盘形组件的外侧形成，所述盘形组件与具有轴向力导入面4的至少另一组件形成具有根据本发明的力导入配件2的形式的、一体的、封闭的体部。
在本文中，术语“组件”不应理解为力导入面4、6和8形成在单独制造的构件上，而是在此“组件”应指的是一件式实现的根据本发明的力导入配件在功能上并且在空间定向方面相互分离的区域。
力导入面4、6和8包围在中央设置有衬套10的空腔，所述衬套的纵轴线12与力导入配件2的纵轴线同心。衬套10在其两个端部上分别具有开口14和16，所述开口能够通过径向力导入面6和8通向外部。因此，衬套10能够用作容纳机构，例如在那里能够使用螺栓等，以便将根据本发明的力导入配件2支承在固定的点上或者将其他部件固定在其上。衬套10能够设计为圆柱形衬套或螺纹衬套。
已示出的根据本发明的力导入配件的一件式结构类型能够通过SLM方法实现。
在图1中略偏左侧可见轻型结构组件18的部段，所述轻型结构组件具有芯层20，所述芯层例如包含蜂窝芯、以及两个覆盖层22和24，所述覆盖层向外覆盖芯层20。此外，轻型结构组件18具有导入面26，所述导入面具有与力导入配件2的轴向力导入面4相应的造型。因此，根据本发明的力导入配件2能够紧贴到轻型结构组件18上，并且通过适合的连接机构，例如粘合剂，与轻型结构组件2固定地连接。这类连接的强度主要通过轴向力导入面4的尺寸或者导入面26预先确定。相应地，根据本发明的力导入配件能够通过确定轴向力导入面4的尺寸，与待吸收的力相匹配。因此，通过应用用于制造根据本发明的力导入配件2的SLM方法几乎不产生明显的附加费用。
根据本发明的力导入配件2优选构造为使得轴向力导入面4在根据本发明的力导入配件2的纵向方向上在与芯层20相同的高度上延伸，以至于根据本发明的力导入配件2能够与芯层20对齐地一起由两个覆盖层22和24覆盖。因此，根据本发明的力导入配件2形成具有轻型结构组件18的一体的构件。为此优选的是，力导入平面4、6和8中的每个设有粗糙的表面，以至于通过适合的连接机构能够实现与芯层20和覆盖层22和24的特别良好的粘合。
在图2中示出根据本发明的力导入配件28，其完全地集成到轻型结构组件18中，并且通过轴向力变形。可见的是，根据本发明的力导入配件28在与轻型结构组件18的芯层20相同的高度上延伸，以至于覆盖层22和24既完全凸出于芯层20也完全凸出于根据本发明的力导入配件28。相应地，仅轻型结构组件18以及根据本发明的力导入配件28的开口30和32从外部是可见的。
在此示出的实施例的特点是，具有径向力导入面34和36的组件的壁厚在径向上从纵轴线12向外减少，这相应于或至少近似于与负载相符的强度分布。壁厚例如能够平均位于根据本发明的力导入配件28的总高度的2%-10%的范围内。通过确定具有径向力导入面34和36的组件的壁厚的尺寸和壁厚的分布的尺寸，力导入配件28的强度能够与待吸收的力相匹配。因此，通过应用用于制造根据本发明的力导入配件28的SLM方法不产生明显的附加费用。
在图3中示出根据本发明的力导入配件38的另一实施例，除了两个径向力导入面40和42，所述力导入配件还具有轴向力导入面44，所述轴向力导入面包围空腔，在所述空腔中设置有附加的增强元件46。在已示出的示例中，所述增强元件46在平行于根据本发明的力导入配件38的纵轴线12的方向上，在两个限定力导入配件38的径向力导入面40和42之间延伸，并且与具有径向力导入面40和42的组件形成一件式的、一体的结构。对于本领域技术人员可理解的是，也能够实现增强元件46的任意其他形状和定向。因此，通过应用用于制造根据本发明的力导入配件38的SLM方法在一定程度上不产生明显的附加费用，并且能够以完全灵活的方式实现根据本发明的力导入配件38的调整。
在图4a-4c中借助于三维的渐进式生产视图示出：根据本发明的力导入配件48能够如何借助于集成到空腔中的增强元件50制成。这类复杂的造型能够通过选择性激光熔化方法（SLM）逐层地制造，即通过将力导入配件的轮廓在金属粉末床中逐层地通过借助于激光射线的局部加热来构造。将不需要的粉末移除或者从在制造中形成的空腔中吹出。因此，与现有技术相反，不需要将之后必须相互连接的单独的构件分开制造。也就是说，根据本发明的力导入配件48作为唯一的、一件式的构件以一体的结构类型来提供，不会由于材料的焊接或不同的局部加热而产生机械应力。
所述制造方法的特点在于，能够直接由CAD数据以电脑控制的方式制造这类构件，这从第一构件开始已经以低成本的方式发生，因为，由于与制造机器的所需的匹配，不产生装配费用。
图5示出根据本发明的制造方法的主要步骤。根据本发明的力导入配件的制造通过选择性激光溶化方法（SLM方法）来进行。在这种情况下，通过所谓的“分层”，基于现有的CAD数据，借助于大量的层制造力导入配件，这导致一件式的构件。
粉末或颗粒在构造平台上借助于例如刮板在整个平面上施加52大约0.001mm至大约0.2mm的厚度。所述层通过控制适合的激光射线，根据支承体的“已分层的”轮廓逐层融化54到粉末床中。之后，基底平台略微下沉56，并且其后施加新的粉末层。粉末通过将粉末平台抬高或作为在刮板中的储存来提供。由激光器供应的能量由粉末吸收，并且导致粉末颗粒的局部限定的融化。
因为根据SLM方法，单独的层通过控制激光射线在粉末床中熔化，粉末残留在空腔中，并且在制成之后通过相应的开口移除58。
作为用于制造根据本发明的力导入配件的材料，例如能够使用铝合金AlZn6MgCu、AlZn5.5MgCu或AlZn6CuMgZr、高强度钢或不锈钢，如A17Cr-4Ni-3Cu、或例如也能够使用钛合金TiAl6V4。
最后，图6示出飞机60，其在机身中具有多个内装配件，所述内装配件能够借助于轻型结构组件18实现，其中，所述轻型结构组件分别示例地装配有至少一个根据本发明的力导入配件2。
要补充指出的是，“具有”不排除其他元件或者步骤，并且“一个”不排除多个。此外要指出的是，参考上述实施例之一说明的特征也能够与其他上述实施例的其他特征组合使用。在权利要求中的附图标记不视为限制。
附图标记列表
2 力导入配件
4 轴向力导入面
6 径向力导入面
8 径向力导入面
10 衬套
12 纵轴线
14 开口
16 开口
18 轻型结构组件
20 芯层
22 覆盖层
24 覆盖层
26 导入面
28 力导入配件
30 开口
32 开口
34 径向力导入面
36 径向力导入面
38 力导入配件
40 径向力导入面
42 径向力导入面
44 轴向力导入面
46 增强元件
48 力导入配件
50 增强元件
52 施加粉末
54 熔化
56 基底平台下沉
58 移除粉末
60 飞机
Claims (14)
1.用于轻型结构组件的力导入配件(2、28、38、48)，其中，所述力导入配件构成为罐形，并且具有
-两个盘形的径向力导入面(6、8)；
-至少一个设计为圆柱形外壳的轴向力导入面(4)；和
-用于支承所述力导入配件的至少一个容纳机构(10)；
其中，所述径向力导入面(6、8)和所述轴向力导入面(4)围成空腔，并且
其中，所述力导入配件(2、28、38、48)构成为一件式的、无接缝的构件。
2.根据权利要求1所述的力导入配件(2、28、38、48)，具有粗糙的表面。
3.根据权利要求1或2所述的力导入配件(2、28、38、48)，还具有至少一个增强元件(46、50)，所述增强元件设置在所述空腔的内部中。
4.根据权利要求3所述的力导入配件(2、28、38、48)，其中，所述增强元件(46、50)设计为平坦的构件。
5.根据权利要求3所述的力导入配件(2、28、38、48)，其中，所述增强元件(46、50)设计为杆形构件。
6.根据权利要求1或2所述的力导入配件(2、28、38、48)，其中，所述力导入配件在所述径向力导入面(6、8)的区域中的壁厚在径向上从纵轴线(12)向外变小。
7.根据权利要求1或2所述的力导入配件(2、28、38、48)，其中，所述容纳机构构成为至少一个开口，所述开口延伸到所述径向力导入面(6、8)中。
8.根据权利要求1或2所述的力导入配件(2、28、38、48)，其中，所述容纳机构设计为至少一个衬套，所述至少一个衬套延伸到所述径向力导入面(6、8)中。
9.根据权利要求1或2所述的力导入配件(2、28、38、48)，所述力导入配件通过创成式层构造法制造。
10.轻型结构组件，具有
-至少一个芯层(20)，
-至少一个覆盖层(22、24)，和
-至少一个根据权利要求1至8之一所述的力导入配件(2、28、38、48)，
其中，所述轻型结构组件具有与轴向力导入面(4)相应地成形的导入面(26)，所述导入面用于紧贴到所述力导入配件(2、28、38、48)的所述轴向力导入面上，并且
其中，所述力导入配件(2、28、38、48)的延伸设计用于使所述芯层和紧贴所述芯层的所述力导入配件(2、28、38、48)对齐地被覆盖。
11.根据权利要求10所述的轻型结构组件(18)在飞机中的使用。
12.用于通过创成式层构造法制造根据权利要求1至9之一所述的力导入配件(2、28、38、48)的方法，其中，将由可熔融的材料制成的所述力导入配件(2、28、38、48)借助于所述层构造法逐层地熔融。
13.用于通过选择性激光熔化方法制造根据权利要求1至9之一所述的力导入配件(2、28、38、48)的方法，其中，将由可熔融的材料制成的所述力导入配件(2、28、38、48)借助于所述选择性激光熔化方法逐层地熔融。
14.具有至少一个内装物体的飞机(60)，所述内装物体具有至少一个轻型结构组件(18)，所述轻型结构组件具有：
用于支承所述轻型结构组件的至少一个力导入配件(2、28、38、48)，其中，所述力导入配件(2、28、38、48)构成为罐形；
两个盘形径向力导入面(6、8)；
至少一个设计为圆柱形外壳的轴向力导入面(4)；和
用于所述力导入配件的支承和力导入的至少一个容纳机构(10)，其中，所述径向力导入面(6、8)和所述轴向力导入面(4)围成空腔，并且所述力导入配件(2、28、38、48)形成一件式的、无接缝的构件。
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