DE102004025376B4

DE102004025376B4 - Fensterrahmen für Flugzeuge

Info

Publication number: DE102004025376B4
Application number: DE102004025376A
Authority: DE
Inventors: Jens Dipl.-Ing. Bold
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2004-05-24
Filing date: 2004-05-24
Publication date: 2011-01-13
Anticipated expiration: 2024-05-25
Also published as: DE102004025376A1; CN1956880A; US20080048068A1

Abstract

Fensterrahmen zum Einbau in die Außenhaut eines Flugzeuges, bestehend aus wenigstens je einem äußeren Flansch, einem inneren Flansch und einem senkrecht zu und zwischen diesen angeordneten vertikalen Flansch, wobei die Verbindung mit der Flugzeugstruktur über den äußeren Flansch erfolgt und wobei am inneren Flansch ein zu halterndes Fensterelement zur Anlage kommt, das über den vertikalen Flansch gehaltert wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Fensterrahmen (1) mehrere miteinander verschweißte Substrukturen (16–19) umfasst und aus einem faserverstärkten Thermoplastmaterial besteht.

Description

Die Erfindung betrifft einen Fensterrahmen zum Einbau in die Außenhaut eines Flugzeuges, bestehend aus wenigstens je einem äußeren Flansch, einem inneren Flansch und einem senkrecht zu und zwischen diesen angeordneten vertikalen Flansch, wobei die Verbindung mit der Flugzeugstruktur über den äußeren Flansch erfolgt und wobei am inneren Flansch ein zu halterndes Fensterelement zur Anlage kommt, das über den vertikalen Flansch gehaltert wird, und wobei der Fensterrahmen mehrere verschweißte Substrukturen umfasst und aus einem faserverstärkten Thermoplastmaterial besteht. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Fensterrahmens.
In den meisten der derzeit hergestellten und in Betrieb befindlichen Passagierflugzeuge sind Fensterrahmen aus Aluminium eingesetzt, die aus einem Teil bestehen, das durch Schmieden und Richten hergestellt wird. Das Bauteil gliedert sich dabei in insgesamt drei Bereiche: einen äußeren Flansch, einen inneren Flansch und einen senkrecht zu und zwischen diesen beiden angeordneten vertikalen Flansch. Die Fensterrahmen werden üblicherweise mit zwei Nietreihen über den äußeren Flansch mit der Flugzeugstruktur bzw. mit der Außenhaut des Flugzeuges verbunden. Am inneren Flansch liegt ein Fensterelement an, das seinerseits üblicherweise aus zwei Scheiben und einer dazwischen angeordneten Dichtung besteht und das über Niederhalter, die mit dem vertikalen Flansch verbunden sind, in seiner Position gehaltert wird.
Ein derartiger Fensterrahmen hat neben der Fixierung des Fensterelementes auch die Funktion, die Spannungsüberhöhungen aufzufangen, die am Rand des für das Fenster in die lastübertragende Außenhaut eingebrachten, vergleichsweise großen Ausschnittes auftreten. Der äußere Flansch des Fensterrahmens dient dabei einerseits der Verstärkung dieses Ausschnittes, anderseits werden über ihn der Rahmen und die Außenhaut mittels Nieten miteinander verbunden. Da die Herstellung der bekannten Aluminium-Fensterrahmen üblicherweise mittels Schmieden erfolgt, ist es nicht möglich, einen für die Nietkraftverteilung günstigen Querschnittsverlauf des Rahmenprofils zu erreichen, da die Schräge des Flansches maximal etwa 2 Winkelgrad betragen darf, um eine einfache Vernietung zu gewährleisten.
Der innere Flansch dient der Aufnahme des Fensterelementes, wobei hier eine Schräge den Einbau des Fensters vereinfacht. Gleichzeitig wird die durch den Innendruck, der in der Passagierkabine herrscht, entstehende Last über diesen Innenflansch auf die Außenhaut des Flugzeuges übertragen.
Der vertikale Flansch schließlich dient als Versteifungsrippe auf dem Rahmen, um so die Spannungen in der Außenhaut mit geringst möglichem Gewicht zu minimieren. An diesem vertikalen Flansch sind auch die Augbolzen befestigt, mit denen üblicherweise die Niederhalter oder Retainer für die Fensterelemente in ihrer Position gehalten werden. Gleichzeitig bildet der vertikale Flansch auch die Führung bei der Montage des Fensterelementes.
EP 1 342 553 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Bauelementes aus faserverstärktem Kunststoff, insbesondere eines Fensterrahmens für Flugzeugfenster, unter Verwendung von textilen Halbzeugen und Vorförmlingen (Preforms). Um die Vorförmlinge zu einem Fensterrahmen zu vereinen, werden diese mittels eines Matrix-Systems mit einem Klebeharz getränkt und unter erhöhter Temperatur und gegebenenfalls unter erhöhtem Druck ausgehärtet. Dies erfolgt, indem die Preform in einem RTM-Werkzeug nach Injektion des Matrix-Systems aushärtet.
DE 40 02 067 A1 und DE 40 04 599 A1 beschreiben Laminate mit verbesserter Kantenfestigkeit bzw. mit stabilen Befestigungsstellen aus einer schaum- oder wabenförmigen Kernschicht aus einem temperaturbeständigen Kunststoff und mindestens einer Deckschicht aus einem faserverstärkten temperaturbeständigen Kunststoff. Nach DE 40 02 067 A1 ist mindestens eine Kante der Kernschicht mit einem schaumförmigen Streifen höherer Dichte aus einem temperaturbeständigen thermoplastischen Kunststoff verbunden, während in DE 40 04 599 A1 das zuletzt genannte Material für mindestens einen schaumförmigen Einsatz in der Kernschicht verwendet wird. DE 42 00 572 C2 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von regenerosionsgeschützten Radomen, wobei eine duroplastische Basisstruktur mit einer thermoplastischen Regenerosionsdeckschicht verbunden wird und die Basisstruktur und die Deckschicht in einer Form angeordnet werden und ein Gemisch aus einem Harz und einem Harter in die Form infiltriert und ausgehärtet wird.
EP 089 337 B1 beschreibt einen Graphit verstärkten Epoxydharz-Fensterrahmen, ein zusammengestelltes Fensterband sowie dessen Herstellungsverfahren. Dabei ist ein Fensterrahmen aus mehreren Rahmenteilen zusammengesetzt. Ein Graphitfilm wird als Verspannungselement verwendet, indem es um die Fensterteile gewickelt wird.
DE 40 30 478 C2 beschreibt ein Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Kraftfahrzeugteilen sowie Innenverkleidungen bestehend aus mindestens einer äußeren Kunststoffschicht, die auf einer Oberflächenseite die Form des Teiles oder der Innenverkleidung aufweist, an der über eine Zwischenschicht oder unmittelbar dahinter mindestens eine Kunststoffschaumschicht angeordnet ist, wobei die geformte Kunststoffschicht bzw. das Kunststoffformteil im Tiefzieh-, Extrusionsguss-, Blas- oder Blasformverfahren hergestellt wird und mit der dahinter angeordneten Schaumschicht unmittelbar oder über eine Zwischenschicht verbunden wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Fensterrahmen der eingangs genannten Art bereitzustellen, der eine beträchtliche Gewichtsersparnis im Vergleich zu den heute für diesen Verwendungszweck eingesetzten Fensterrahmen ermöglicht. Weiterhin soll durch die Erfindung ein möglichst einfach durchzuführendes Verfahren zur Herstellung eines solchen Fensterrahmens bereitgestellt werden.
Die Erfindung löst die erste Aufgabe, indem sie vorsieht, dass ein derartiger Fensterrahmen aus einem faserverstärkten Thermoplastmaterial besteht. Die Lösung der weiteren Aufgabe erfolgt durch ein Verfahren, bei dem ein aus Gewebe und Thermoplastmaterial bestehendes Halbzeug als quasi–isotropes Plattenmaterial hergestellt und in einem Tiefziehprozess umgeformt wird.
Die Erfindung ermöglicht die Verwendung eines Fensterrahmens, der in Faserverbundbauweise hergestellt wird und der gegenüber den bislang eingesetzten Aluminium-Fensterrahmen eine Gewichtsersparnis von etwa 20 Prozent erbringt. Trotz dieses großen Gewichtseinsparungspotentials erhöhen sich die Kosten für ein solches Bauteil im Vergleich zu einem als Aluminium-Schmiedeteil hergestellten Fensterrahmen nicht.
Zugleich ist es möglich, den Faserfensterrahmen gemäß der Erfindung mit einer Toleranz von nur etwa 0,5 mm bei einer durchschnittlichen Wandstärke von 5 mm Dicke herzustellen, was einer Fertigungstoleranz von etwa 10 Prozent entspricht. Bei Aluminium-Schmiederahmen sind dagegen, bedingt durch das Fertigungsverfahren, Toleranzen von etwa 1,5 mm zu akzeptieren, was bei gleicher Wandstärke einer Fertigungstoleranz von etwa 30 Prozent entspricht. Damit werden durch die Erfindung nicht nur die Gewichtsschwankungen zwischen den einzelnen Fensterrahmen erheblich verringert, sondern es wird zugleich auch der Einbau des Rahmens in ein Flugzeug bzw. die Montage des Fensterelementes im Rahmen beträchtlich vereinfacht. Weitere Vorteile sind schließlich eine erhöhte Sicherheit sowie eine deutlich verbesserte thermische Isolierung der Fensterrahmen nach der Erfindung.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigen
1 einen Fensterrahmen in perspektivischer Darstellung,
2 einen Detailschnitt durch die Einbauposition eines Fensterrahmens gemäß 1,
3 den Aufbau des Fensterrahmens gemäß 1 in einer Explosionsdarstellung
4 einen Detailschnitt durch einen Fensterrahmen gemäß 1,
5 eine Darstellung der Hauptrichtungen bei einem Fensterrahmen gemäß 1 und
6 eine Detaildarstellung des mit VIII gekennzeichneten Bereiches in 5.
Der in 1 dargestellte Fensterrahmen 1 ist in Faserbauweise hergestellt und weist, wie auch die bekannten Aluminium-Schmiederahmen, einen äußeren Flansch 2, einen inneren Flansch 3 sowie einen zwischen diesen beiden angeordneten vertikalen Flansch 4 auf. Im Gegensatz zu herkömmlichen Aluminium-Fensterrahmen weist der äußere Flansch 1 in diesem Fall jedoch einen gleichmäßig umlaufenden Rand auf, der, wiederum im Gegensatz zum Aluminium-Schmiedeteil, eine konstante Dicke besitzt. 2 zeigt in einem Detailschnitt die Einbaulage eines solchen Fensterrahmens 1 in der Außenhaut 5 eines Flugzeuges. Angedeutet sind in dieser Figur auch die Nietpositionen 6 für die Verbindung des Rahmens mit der Außenhaut 5, sowie zwei Fensterscheiben 7 und 8, die zusammen mit einer Dichtung 9 das Fensterelement bilden.
Der Faserfensterrahmen 1 wird mittels der sogenannten Thermoplast-Tiefzieh-Technologie hergestellt. Bei dieser Technologie wird zunächst als Vormaterial ein aus Verstärkungsgewebe und Thermoplast hergestelltes Halbzeug erzeugt, das anschließend als quasi-isotropes Plattenmaterial tiefgezogen wird. Das Halbzeug 10 selbst wird in Form von einzelnen Substruktur-Elementen 16 bis 19 hergestellt, wie sie in der Explosionsdarstellung in 3 gezeigt sind, während in 4 in einer Schnittdarstellung der Aufbau des kompletten Thermoplast-Fensterrahmens 1 mit den einzelnen Substrukturen 16 bis 19 dargestellt ist. Die Substrukturen 16 und 19 sind dabei jeweils aus einer dünnen Platte tiefgezogen, während die Substruktur 18 aus einer dicken Platte entstanden ist und nachbearbeitet wurde. Diese drei Substrukturen weisen einen quasi-isotropen Lagenaufbau, bezogen auf ein in 5 gezeigtes festes Koordinatensystem, auf. Die Substruktur 17 ist hingegen eine unidirektionale Substruktur, bei der Verstärkungsfasern in Umfangsrichtung des Rahmens verlaufen.
Entscheidend für die mit dem hier beschriebenen Fensterrahmen erzielbare Gewichtsersparnis ist die Richtung der einzelnen Faserlagen. Die prinzipielle Lagenrichtung mit den Hauptrichtungen 0° und 90° ist in 5 dargestellt. Dabei stellt die 0°-Richtung die Breitenrichtung, die 90°-Richtung die Höhenrichtung des Rahmens 1 dar. Für das 0°-gewickelte Halbzeug, d. h. die Substruktur 17, ist die Umfangsrichtung entscheidend, dargestellt durch den Pfeil in 6. Das Zusammenfügen der einzelnen Substrukturen erfolgt in der aus der Explosionsdarstellung gemäß 5 hervorgehenden Reihenfolge mittels Thermoplast-Schweißens.
Der auf diese Weise hergestellte Fensterrahmen 1 weist gegenüber herkömmlichen Aluminium-Fensterrahmen eine etwa 20-prozentige Gewichtsersparnis bei etwa gleichen Herstellungskosten auf. Seine Toleranzen liegen wesentlich niedriger als die Toleranzen der entsprechenden Aluminiumbauteile. Zugleich bietet der Rahmen eine höhere Sicherheit und eine bessere thermische Isolierung als herkömmliche Aluminium-Fensterrahmen.

Claims

Fensterrahmen zum Einbau in die Außenhaut eines Flugzeuges, bestehend aus wenigstens je einem äußeren Flansch, einem inneren Flansch und einem senkrecht zu und zwischen diesen angeordneten vertikalen Flansch, wobei die Verbindung mit der Flugzeugstruktur über den äußeren Flansch erfolgt und wobei am inneren Flansch ein zu halterndes Fensterelement zur Anlage kommt, das über den vertikalen Flansch gehaltert wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Fensterrahmen (1) mehrere miteinander verschweißte Substrukturen (16–19) umfasst und aus einem faserverstärkten Thermoplastmaterial besteht.
Fensterrahmen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Fensterrahmen (1) einen aus unidirektional verlaufendem Gewebe bestehenden Kern (17) aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Fensterrahmens (1) gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein aus Gewebe und Thermoplastmaterial bestehendes Halbzeug als quasi-isotropes Plattenmaterial hergestellt und in einem Tiefziehprozess umgeformt wird, um zunächst mehrere Substrukturen (16–19) herzustellen, welche anschließend mittels Thermoplast-Schweißen zusammengefügt werden.