DE102004013147A1

DE102004013147A1 - Verfahren zur Integration von Verstärkungsbereichen in fertige Kernverbunde mit einer offenen dreidimensionalen Kernstruktur

Info

Publication number: DE102004013147A1
Application number: DE102004013147A
Authority: DE
Inventors: Gregor Christian Endres; Hans-Jürgen WEBER
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2004-03-17
Filing date: 2004-03-17
Publication date: 2005-10-13
Anticipated expiration: 2024-03-18
Also published as: DE102004013147B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Integration von Verstärkungsbereichen 21 in fertige Kernverbunde 1 mit einer offenen dreidimensionalen Kernstruktur 2, insbesondere einer Faltwabenstruktur, und beidseitig aufgebrachte Deckschichten 3. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird im Bereich der Kernstruktur 2 des fertigen Kernverbundes 1 mindestens ein Verstärkungsbereich 21 gebildet. DOLLAR A Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Schaffung von lokalen Verstärkungsbereichen 21 innerhalb von fertigen Kernverbunden 1 mit beidseitig aufgebrachten Deckschichten 3, die eine offene Kernstruktur 2, insbesondere eine dreidimensionale Faltwabenstruktur, aufweisen, schnell und einfach ermöglicht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Integration von Verstärkungsbereichen in fertige Kernverbunde mit einer offenen dreidimensionalen Kernstruktur, insbesondere einer Faltwabenstruktur, und beidseitig aufgebrachte Deckschichten.
Aufgrund ihres außerordentlich guten Verhältnisses von Steifigkeit bzw. Festigkeit zu Dichte finden Kernverbunde insbesondere im Bereich des Flugzeugbaus einen breiten Anwendungsbereich.

Kernverbunde werden im Allgemeinen aus einer oberen und einer unteren Deckschicht bzw. Decklage gebildet, zwischen denen sich zur Erhöhung der Steifigkeit beispielsweise eine aus vertikal verlaufenden Zellen mit hexagonalem Querschnitt gebildete, honigwabenartige Kernstruktur befindet.

Zur Bildung der Kernstruktur werden beispielsweise metallische, korrosionsgeschützte Aluminiumfolien verwendet oder auch nicht metallische Materialien, wie zum Beispiel Nomex^®- oder Kevlar^®/N636-Papier. Sowohl das Nomex^®-Papier als auch das Kevlar^®/N636-Papier werden zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit in einem Tauchverfahren mit Phenolharz beschichtet. Abschließend wird die Kernstruktur beidseitig mit Deckschichten versehen, um den fertigen Kernverbund zu bilden.

Eine lokale Versteifung einer fertigen Kernstruktur, wie sie die oben beschriebene Honigwabenstruktur darstellt, ist unproblematisch möglich. Durch die kleinvolumigen Wiederholungseinheiten kann ein Material zur Versteifung, das heißt zur Bildung eines Verstärkungsbereiches, beispielsweise unmittelbar in eine den Kernverbund durchsetzende Bohrung eingefüllt, eingepresst, eingeschäumt oder eingegossen werden. Bei dem versteifenden Material kann es sich beispielsweise um ein aushärtendes Kunststoffmaterial, zum Beispiel in Form eines Kunstharzes und/oder Kunststoffschaums handeln. Um eine Verbindung des Kernverbundes zu anderen Bauteilen zu ermöglichen, kann der Kernverbund im Bereich des Verstärkungsbereiches anschließend gebohrt werden. Erforderlichenfalls kann mit Hilfe einschlägig bekannter Verfahren auch ein Befestigungselement, beispielsweise eine Einsetzmutter oder ein Insert in den Verstärkungsbereich des Kernverbundes eingebracht werden.

Neuartige, insbesondere aus dreidimensionalen Faltwabenstrukturen gebildete Kernverbunde weisen im Unterschied zu den oben beschriebenen Kernverbunden, bei denen immer eine räumliche Begrenzung vorhanden ist, eine offene bzw. drainagefähige Struktur auf. Hierdurch wird beispielsweise eine Führung von Leitungen durch den Kernverbund ermöglicht, ohne vorher eine Durchführung, unter Einbußen zum Beispiel bei den mechanischen Eigenschaften, schaffen zu müssen.

Wird zur Bildung von Verstärkungsbereichen in die oben beschriebenen fertigen Kernverbunde mit drainagefähigen Kernstrukturen ein pastöses oder viskoses härtendes Material beispielsweise in eine den Kernverbund durchsetzende Bohrung eingebracht, so kann es sich je nach Viskosität mehr oder weniger unkontrolliert über die offene Kernstruktur ausbreiten. Im Gegensatz zu Honigwabenstrukturen, bei denen mit einer Bohrung grundsätzlich nur eine begrenzte Anzahl von Struktureinheiten geöffnet wird und so eingebrachte Substanzen immer räumlich begrenzt sind, können sich viskose oder pastöse Substanzen bei Verwendung offener drainagefähiger Kernstrukturen über größere Distanzen unkontrollierbar ausbreiten.

Damit sind die Standardverfahren nach Maßgabe des Standes der Technik zur Schaffung von Verstärkungsbereichen innerhalb fertiger – mit beiden Deckschichten versehenen – Kernverbunde mit einer offenen drainagefähigen Kernstruktur nicht ohne weiteres einsetzbar.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Bildung von Verstärkungsbereichen in bereits beidseitig mit Deckschichten versehene, fertige Kernverbunde, die eine offene Kernstruktur, insbesondere eine dreidimensionale Faltwabenstruktur aufweisen, zur Verfügung zu stellen.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst.

Dadurch, dass im Bereich der Kernstruktur des fertigen Kernverbundes mindestens ein Verstärkungsbereich gebildet wird, ist beispielsweise eine Krafteinleitung oder eine Einbringung von Ausnehmungen, insbesondere von Bohrungen möglich. Weiterhin gestattet die Erfindung die Integration von Befestigungselementen während oder nach der Ausbildung der Verstärkungsbereiche.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die einfache und schnelle Schaffung von lokalen Verstärkungsbereichen innerhalb von fertigen, bereits mit Deckschichten versehenen Kernverbunden, wobei diese Kernverbunde über eine offene Kernstruktur, insbesondere eine dreidimensionale Faltwabenstruktur verfügen.

Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in weiteren Patentansprüchen niedergelegt. Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Detailbeschreibung der Erfindung.

In der Zeichnung zeigen:
1 Einen fertigen Kernverbund, mit einer offenen dreidimensionalen Kernstruktur mit beidseitig aufgebrachten Deckschichten,
2 Kernverbund mit einer Bohrung, die in einem ersten Verfahrensschritt eingebracht wird,
3 Kernverbund mit einem Hohlraum, der in einem zweiten Verfahrensschritt gebildet wird,
4–7 eine Spiralhülse als Begrenzungselement zur Bildung einer Raumbegrenzung in einem Innenbereich des Kernverbundes in einem teilentspannten Zustand und in einem gespannten Zustand, jeweils in einer Seitenansicht und einer Querschnittsdarstellung,
8 Einbringung der Spiralhülse im gespannten Zustand in den Kernverbund in einem dritten Verfahrensschritt,
9 Spiralhülse im teilentspannten Zustand in einem vierten Verfahrensschritt,
10 Auffüllen der durch die Spiralhülse gebildeten Raumbegrenzung mit einer Füllmasse zur Bildung eines Verstärkungsbereiches in einem fünften Verfahrensschritt, und
11 Integration eines Befestigungselementes in den Verstärkungsbereich in einem fakultativen Verfahrensschritt.
Die 1 zeigt einen fertigen Kernverbund 1 mit einer schematisch dargestellten Kernstruktur 2 und beidseitig aufgebrachten Deckschichten 3. Die Kernstruktur 2 ist als offene dreidimensionale Faltwabenstruktur ausgebildet und fest mit den Deckschichten 3 zur Bildung des fertigen Kernverbundes 1 verbunden.
In der 2 ist die Einbringung einer Bohrung 4 mit einem Bohrungsdurchmesser 5 in den Kernverbund 1 in einem ersten Verfahrensschritt dargestellt. Die Bohrung 4 durchsetzt hierbei den gesamten Kernverbund 1, einschließlich der Deckschichten 3 sowie der Kernstruktur 2. Soll nur ein Verstärkungsbereich geschaffen werden oder in den Verstärkungsbereich beispielsweise ein Sackloch eingebracht werden, ist eine einseitige Bohrung 4 ausreichend.
Die 3 stellt schematisch und nicht maßstäblich die Einbringung eines Hohlraums 6 in den fertigen Kernverbund 1 mit einem nicht näher dargestellten Spezialwerkzeug, beispielsweise einem Spezialfräser, dar. Der Hohlraum 6 wird vorzugsweise zylindrisch ausgebildet, kann aber auch eine von der Zylindergeometrie abweichende Gestalt aufweisen. Zur Bildung des Hohlraums 6 wird der Spezialfräser in die Bohrung 4 eingeführt und die Kernstruktur 2 soweit aufgeweitet, bis ein Durchmesser 7 des Hohlraums 6 in etwa den 1,0 bis 20,0-fachen Betrag des Bohrungsdurchmessers 5 der Bohrung 4 erreicht hat. Der Bohrungsdurchmesser 5 in den Deckschichten 3 bleibt hiervon unberührt.
Die 4 und die 5 zeigen eine Spiralhülse 8 als ein mögliches Begrenzungsmittel zur Bildung eines Verstärkungsbereiches innerhalb des Kernverbundes in einem teilentspannten Zustand 9 in einer Seitenansicht und in einer Querschnittsdarstellung. Als Begrenzungsmittel können alternativ auch andere Einrichtungen, deren Querschnittsgeometrie gezielt veränderbar ist, wie beispielsweise aufblasbare Hohlkörper oder Hohlkörper mit Memory-Metallen etc. eingesetzt werden.
Die Spiralhülse 8 weist eine in etwa zylindrische Außengeometrie mit einer Mantelfläche 10 und einer Höhe 11 auf. Die Höhe 11 der Spiralhülse 8 entspricht in etwa der Höhe der Kernstruktur 2. Die Spiralhülse 8 wird aus einem ebenen federelastischen Materialstreifen 12, beispielsweise aus einem Kunststoffmaterial, der anschließend aufgerollt wird, gebildet. Die Spiralhülse 8 weist im teilentspannten Zustand 9 einen Durchmesser 13 auf, der in etwa dem Durchmesser 7 des Hohlraums 6 entspricht. Im vollständig entspannten Zustand der Spiralhülse 8, außerhalb des Kernverbundes 1, ist deren Durchmesser größer als oder gleich dem Durchmesser 7 des Hohlraums 6.
In der 6 und der 7 ist die Spiralhülse 8 in einem gespannten Zustand 14 jeweils in einer Seitenansicht und einer Querschnittsdarstellung gezeigt. Der gespannte Zustand 14 kann beispielsweise durch enges Aufrollen der Spiralhülse 8, vergleichbar mit dem Spannen einer Spiralfeder, erreicht werden. Im gespannten Zustand 14 weist die Spiralhülse 8 einen kleineren Durchmesser 15 auf, der in etwa dem Bohrungsdurchmesser 5 entspricht, sodass eine Einbringung der Spiralhülse 8 durch die Bohrung 4 hindurch in den Hohlraum 6 möglich ist. Die Höhe 11 der Spiralhülse 8 bleibt hierbei unverändert.
Der Materialstreifen 12 kann – vergleiche die Darstellung der Spiralhülse 8 in den 10 und 11 – zumindest bereichsweise mit Ausnehmungen versehen und hierdurch zumindest bereichsweise durchlässig gestaltet werden. Hierzu können kleine, vorzugsweise gleichmäßig über die Mantelfläche 10 verteilt angeordnete Ausnehmungen, insbesondere kleine Bohrungen etc., in den die Spiralhülse 8 bildenden Materialstreifen 12 eingebracht werden. In einer alternativen Variante des Verfahrens kann der Materialstreifen 12 auch aus einem Material mit einer netzartigen oder einer gewebeartigen Struktur gebildet werden.
Weiterhin kann zur Bildung des Materialstreifens 12 beispielsweise ein Kohle- oder Glasfasergewebe eingesetzt werden, das anschließend mit einem Kunststoffmaterial überzogen und/oder durchgetränkt wird, wobei zumindest bereichsweise Öffnungen im Materialstreifen 12 durchgängig bleiben. Mittels der Kohle- oder Glasfasergewebearmierung verbessern sich die Federeigenschaften des mit einem Kunststoffmaterial gebildeten Materialsstreifens 12.
Weiterhin ist es möglich, die Mantelfläche 10 der Spiralhülse 8 zumindest bereichsweise mit einer Klebeschicht zu versehen. In diesem Fall ist es nicht erforderlich, dass der Materialstreifen 12 Ausnehmungen aufweist. Die Klebeschicht muss hierbei derartig aufgebracht werden, dass die Expansion der Spiralhülse 8 vom gespannten Zustand 14 in den teilentspannten Zustand 9 durch die Klebeschicht nicht behindert wird.
Ferner kann der Materialstreifen 12 aus einem Material bestehen, das unter Temperatureinwirkung definiert erweicht. Schließlich kann der Materialstreifen 12 mit einem Material gebildet werden, das unter bestimmten Bedingungen selbsttätig aufschäumt. Auch in den beiden letztgenannten Fällen ist es nicht erforderlich, Ausnehmungen im Materialstreifen 12 vorzusehen.
Die 8 und die 9 zeigen die Einbringung einer Spiralhülse 8 ohne Ausnehmungen in den Hohlraum 6 im Inneren des Kernverbundes 1. Zunächst wird die Spiralhülse 8 im gespannten Zustand 14 durch die Bohrung 4 in die Kernstruktur 2, wie durch den Pfeil 16 angedeutet, eingeschoben, wo sie anschließend selbsttätig infolge ihrer Federelastizität, wie durch einen Pfeil 17 angedeutet, in den teilentspannten Zustand 9 zur Bildung einer Raumbegrenzung 18 expandiert. Die Mantelfläche 10 der Spiralhülse 8 liegt hierbei infolge der Federelastizität der Spiralhülse 8 zumindest abschnittsweise an freien Stegen 19 der Kernstruktur 2 an. Die Spiralhülse 8 wird zudem durch die, den Hohlraum 6 partiell bedeckenden Deckschichten 3 am Herausfallen aus der Bohrung 4 bzw. dem Kernverbund 1 gehindert.
Durch die Spiralhülse 8 wird im Inneren des Kernverbundes 1 die Raumbegrenzung 18 gebildet, in die ausweislich der 10 eine Füllmasse 20, beispielsweise ein Kunststoffmaterial, insbesondere ein aushärtbares Kunstharz und/oder ein aushärtbarer Kunststoffschaum, zur Bildung eines Verstärkungsbereiches 21 eingebracht werden kann.
Wird die Spiralhülse 8, wie oben im Rahmen der Beschreibung der 4 bis 7 bereits ausgeführt, beispielsweise mit einem zumindest bereichsweise Ausnehmungen 22 aufweisenden Materialstreifen 12 gebildet, kann die Füllmasse 20 in kontrolliertem und daher begrenztem Umfang in die Kernstruktur 2 außerhalb der Raumbegrenzung 18 eintreten, wodurch eine kraftschlüssige Anbindung der Stege 19 der Kernstruktur 2 an die Spiralhülse 8 bzw. die darin ausgehärtete Füllmasse 20 erreicht wird. Damit wird eine Kraftüberleitung vom Verstärkungsbereich 21 auf die Kernstruktur 2 mit den Deckschichten 3 und damit auf den gesamten Kernverbund 1 ermöglicht.
Dieselbe Wirkung ist erzielbar, wenn die Mantelfläche 10 der Spiralhülse 8 zumindest bereichsweise mit einer Klebeschicht versehen wird. Weiterhin ist es möglich, die Spiralhülse 8 mit einem Material zu bilden, das bei einer bestimmten Temperatur erweicht und somit eine kraftschlüssige Anbindung der Spiralhülse 8 an die Stege 19 der Kernstruktur 2 und damit an den gesamten Kernverbund 1 zu erreichen. Die Stege 19 drücken sich hierbei in die erweichte Spiralhülse 8 ein. Darüber hinaus kann die Spiralhülse 8 auch mit einem Material gebildet werden, das nach dem Einsetzen in den Hohlraum 6 aufschäumt und somit eine Anbindung der Spiralhülse 8 an die Stege 19 der Kernstruktur 1 erreicht wird. In den drei letztgenannten Varian ten ist es nicht zwingend erforderlich, die Spiralhülse 8, bzw. den diese bildenden Materialstreifen 12 mit zumindest bereichsweisen Ausnehmungen 22 zu versehen.
Die 11 illustriert die fakultative Integration eines Befestigungselementes 23 in den Verstärkungsbereich 21. Bei dem Befestigungselement 23 kann es sich beispielsweise um eine Einsetzmutter oder ein Insert handeln. Weitere Varianten von Befestigungselementen 23 sind in diesem Zusammenhang denkbar. Zur Integration des Befestigungselementes 23 wird zunächst eine Befestigungsbohrung 24 in die den Verstärkungsbereich 21 bildende Füllmasse 20 eingebracht. Anschließend wird das Befestigungselement 23 mit bekannten Methoden in der Befestigungsbohrung 24 positioniert und kraftschlüssig in dieser, beispielsweise durch Einkleben, befestigt. Ausgehend vom Befestigungselement 23 können Kräfte über die Füllmasse 20, die Spiralhülse 8 sowie die daran angebundenen Stege 19 auf den aus der Kernstruktur 2 mit beidseitigen Deckschichten 3 gebildeten Kernverbund übergeleitet werden.
Alternativ kann das Befestigungselement 23 auch vor dem Auffüllen der Spiralhülse 8 mit der Füllmasse 20 eingesetzt werden.

1: Kernverbund
2: Kernstruktur
3: Deckschicht
4: Bohrung
5: Bohrungsdurchmesser
6: Hohlraum
7: Durchmesser
8: Spiralhülse
9: teilentspannter Zustand
10: Mantelfläche
11: Höhe
12: Materialstreifen
13: Durchmesser
14: gespannter Zustand
15: Durchmesser
16: Pfeil
17: Pfeil
18: Raumbegrenzung
19: Steg
20: Füllmasse
21: Verstärkungsbereich
22: Ausnehmung
23: Befestigungselement
24: Befestigungsbohrung

Claims

Verfahren zur Integration von Verstärkungsbereichen in fertige Kernverbunde (1) mit einer offenen dreidimensionalen Kernstruktur (2), insbesondere einer Faltwabenstruktur, und beidseitig aufgebrachte Deckschichten (3), dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Kernstruktur (2) des fertigen Kernverbundes (1) mindestens ein Verstärkungsbereich (21) gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst eine Bohrung (4) mit einem Bohrungsdurchmesser (5) in den Kernverbund (1) eingebracht wird und anschließend ein Hohlraum (6) mit einem größeren oder gleichen Durchmesser (7) als der Bohrungsdurchmesser (5) im Bereich der Kernstruktur (2) geschaffen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Bohrung (4) ein Begrenzungsmittel in den Hohlraum (6) eingebracht wird, wobei das Begrenzungsmittel nach dem Einbringen zumindest abschnittsweise an Stegen (19) der Kernstruktur (2) anliegt, und anschließend in eine durch das Begrenzungsmittel gebildete Raumbegrenzung (18) eine Füllmasse (20) zur Bildung des Verstärkungsbereiches (21) eingebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Begrenzungsmittel insbesondere als eine Spiralhülse (8) ausgebildet wird, die in einem gespannten Zustand (14) durch die Bohrung (4) in den Kernverbund (2) einbringbar ist und die in einem mindestens teilentspannten Zustand (9) an den Stegen (19) der Kernstruktur (2) anliegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiralhülse (8) eine Höhe (11) aufweist, die etwa einer Höhe der Kernstruktur (2) entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiralhülse (8) zumindest bereichsweise mit Ausnehmungen (22) versehen wird, um einen begrenzten Austritt der Füllmasse (20) in die Kernstruktur (2) zur Anbindung einer Mantelfläche (10) der Spiralhülse (8) an die Kernstruktur (2) zu erreichen.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (22) in etwa regelmäßig, insbesondere zur Schaffung einer lochblechartigen und/oder netzartigen, gewebeartigen Struktur der Spiralhülse, in einen diese bildenden Materialstreifen (12) eingebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Materialstreifen (12) mit einem zumindest bereichsweise Ausnehmungen (22) aufweisenden Kunststoffmaterial mit federelastischen Eigenschaften gebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelfläche (10) der Spiralhülse (8) zumindest bereichsweise mit einer Klebeschicht zur Anbindung der Mantelfläche (10) der Spiralhülse (8) an die Kernstruktur (2) versehen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiralhülse (8) mit einem Material gebildet wird, das unter bestimmten Temperaturbedingungen erweicht, um eine Anbindung der Mantelfläche (10) der Spiralhülse (8) an die Kernstruktur (2) zu erreichen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiralhülse (8) mit einem Material gebildet wird, das unter bestimmten Bedingungen aufschäumt, um eine Anbindung der Mantelfläche (10) der Spiralhülse (8) an die Kernstruktur (2) zu erreichen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Befestigungselement (23), insbesondere eine Einsetzmutter oder ein Insert, in den Verstärkungsbereich (21) integriert wird.