DE102004025377A1 - Fensterrahmen für Flugzeuge - Google Patents
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Abstract
Ein Fensterrahmen zum Einbau in die Außenhaut eines Flugzeuges, der aus wenigstens je einem äußeren Flansch, einem inneren Flansch und einem senkrecht zu und zwischen diesen angeordneten vertikalen Flansch besteht, wird aus einem faserverstärkten Kunstharz hergestellt, indem zunächst ein aus einem Fasermaterial bestehendes Halbzeug in ein Formwerkzeug eingebracht wird, in das unter Druck und Temperatur Harz injiziert wird, und anschließend das so entstandene Bauteil im Formwerkzeug ausgehärtet wird. Das Halbzeug kann einen Lagenaufbau entweder aus einem Gewebematerial, aus Faserbündeln oder aber aus einer Kombinattion aus Faserbündeln und einem Gewebematerial aufweisen.
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. 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.
- 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. Zugleich sollen die Kosten für die Herstellung eines solchen Fensterrahmens möglichst niedrig liegen. Weiterhin soll durch die Erfindung ein möglichst einfach und kostengünstig 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 Harz besteht. Die Lösung der weiteren Aufgabe erfolgt durch ein Verfahren, bei dem ein aus einem Fasermaterial bestehendes Halbzeug in ein Formwerkzeug eingebracht wird, in das unter Druck und Temperatur Harz injiziert wird, und bei dem das so entstandene Bauteil anschließend im Formwerkzeug ausgehärtet wird.
- Die Erfindung ermöglicht die Verwendung eines Fensterrahmens, der in Faserverbundbauweise hergestellt wird, wodurch gegenüber den bislang eingesetzten Aluminium-Fensterrahmen eine Gewichtsersparnis von bis zu 50 Prozent erzielt wird. 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 0,2 mm bei einer durchschnittlichen Wandstärke von 5 mm Dicke herzustellen, was einer Fertigungstoleranz von etwa 4 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 gemäß1 , -
3 einen Teil eines Formwerkzeuges zur Herstellung eines Fensterrahmens gemäß1 in geöffneter Position, -
4 das Formwerkzeug gemäß3 in geschlossener Position, -
5 und6 eine Darstellung der Hauptrichtungen bei einem Fensterrahmen gemäß1 , wobei6 und eine Detaildarstellung des mit VI gekennzeichneten Bereiches in5 ist, -
7 den Aufbau eines ersten Preforms in Schnittdarstellung, -
8 den Aufbau eines zweiten Preforms in Schnittdarstellung und -
9 den Aufbau eines dritten Preforms in Schnittdarstellung. - Der in
1 dargestellte Fensterrahmen1 ist in Faserbauweise hergestellt und weist, wie auch die bekannten Aluminium-Schmiederahmen, einen äußeren Flansch2 , einen inneren Flansch3 sowie einen zwischen diesen beiden angeordneten vertikalen Flansch4 auf. Im Gegensatz zu herkömmlichen Aluminium-Fensterrahmen weist der äußere Flansch2 in diesem Fall jedoch einen gleichmäßig umlaufenden Rand auf. Ferner weist dieser äußere Flansch2 im Gegensatz zum entsprechenden Aluminium-Schmiedeteil in unterschiedlichen radialen Bereichen eine unterschiedliche Dicke auf. Dies führt zu einer wesentlich besseren Materialausnutzung im Bereich der Vernietung und des Hautauschnittes.2 verdeutlicht dies in einem Detailschnitt, in dem die Einbaulage eines solchen Fensterrahmens1 in der Außenhaut5 eines Flugzeuges dargestellt ist. Angedeutet sind in dieser Figur auch die Nietpositionen6 für die Verbindung des Rahmens mit der Außenhaut5 , sowie zwei Fensterscheiben7 und8 , die zusammen mit einer Dichtung9 das Fensterelement bilden. - Der Fensterrahmen
1 wird mittels der sogenannten "Resin-Transfer-Moulding" oder RTM-Technologie hergestellt. Hierbei wird zunächst aus Fasern ein Formteil10 , das sogenannte Preform, hergestellt. Dieses wird anschließend in ein zweiteiliges Formwerkzeug11 eingelegt, wie es in den3 und4 dargestellt ist. Innerhalb eines unteren Formwerkzeuges12 und eines oberen Formwerkzeuges13 sind dabei ein innerer Kern14 und ein, in diesem Fall zweigeteilt ausgebildeter, äußerer Kern15 angeordnet. Das Preform10 wird zwischen die beiden Kerne14 und15 eingebracht, das Formwerkzeug11 wird geschlossen und es wird unter Druck und Temperatur Harz in das Formwerkzeug injiziert. Das komplette Bauteil1 wird anschließend innerhalb des Formwerkzeuges11 ausgehärtet. - Das Preform
10 kann dabei entweder als ein komplettes Teil oder aber in der sogenannten Sub-Preform-Technik hergestellt werden, bei der der komplette Fensterrahmen1 aus einzelnen Substruktur-Elementen oder Sub-Preforms zusammengesetzt wird. In jedem Fall aber besteht das Preform10 aus einzelnen Lagen, die im Prinzip auf drei verschiedene Arten aufgebaut sein können - – aus Gewebehalbzeugen,
- – aus Faserbündeln,
- – aus einer Kombination aus Gewebehalbzeugen und Faserbündeln.
- Entscheidend für die mit dem hier beschriebenen Fensterrahmen
1 erzielbare Gewichtsersparnis ist dabei die Richtung der Fasern in den einzelnen Lagen, die einen belastungsgerechten Lagenaufbau gewährleisten. Eine Faserrichtung, die nicht umlaufend im Rahmen ist, könnte nicht die Gewichtsersparnis erzielen, wie sie mit der hier beschriebenen Anordnung erreicht wird. Die prinzipielle Faserrichtung mit den Hauptrichtungen 0°, 45 und 90° ist in den5 und6 dargestellt. Die 0°-Richtung ist dabei die Umfangsrichtung des Fensterrahmens1 , die 90°-Richtung verläuft in radialer Richtung und die 45°-Richtung verläuft im Bereich des Überganges vom vertikalen Flansch4 zum äußerem Flansch2 . -
7 zeigt einen Schnitt durch den aus Gewebehalbzeugen bestehenden Lagenaufbau des Fensterrahmens1 . In dieser Figur bezeichnen die Bezugszeichen20 den 0°-Wickelkern im Innenflansch,21 die ± 60°-Lagen in allen Außenbereichen sowie die ± 60°-Lagen durchgehend vom äußeren Flansch2 zum inneren Flansch3 und das Bezugszeichen22 bezeichnet die 0°- und 90°-Lagen im Bereich des vertikalen Flansches4 . Diese Lagerichtungen sind dabei an der Schnittstelle von äußerem Flansch2 , innerem Flansch3 und vertikalem Flansch4 gemessen. Außerhalb dieses Bereiches ergibt sich für die gekrümmt verlegten Gewebehalbzeuge der folgende Sachverhalt:
vertikaler Flansch4 : - – alle Fasern bleiben in der Richtung, in der sie gemessen wurden,
- – 0°-Fasern bleiben in der Richtung, in der sie gemessen wurden,
- – ±45°-Fasern bleiben in der Richtung, in der sie gemessen wurden, sind aber gekrümmt,
- – ±60°-Fasern bleiben in der Richtung, in der sie gemessen wurden, sind aber gekrümmt.
-
8 zeigt einen belastungsgerechten Lagenaufbau mit Faserbündeln, wobei wiederum ein Schnitt durch den Lagenaufbau der Faserbündel dargestellt ist. In dieser Figur bezeichnen die Bezugszeichen20 den 0°-Wickelkern im Innenflansch,23 die Faserbündel mit einer ± 60°-Lage in allen Außenbereichen sowie die ± 60°-Lagen durchgehend vom äußeren Flansch2 zum inneren Flansch3 , das Bezugszeichen24 bezeichnet die Faserbündel mit 0°- und 90°-Lagen im Bereich des vertikalen Flansches4 und das Bezugszeichen25 die Faserbündel mit ±45°-Lagen im Bereich des äußeren Flansches2 . Diese Lagerichtungen sind an der Schnittstelle von äußerem Flansch2 , innerem Flansch3 und vertikalem Flansch4 gemessen. Um einen Faserverlauf zu erzielen, bei dem die Fasern der Belastungsrichtung folgen, wird für den Fensterrahmen1 ein Aufbau gewählt, der sich wie folgt zusammensetzt:
äußerer Flansch2 : - – quasi-isotroper, radialer Aufbau im Bereich der Vernietung,
- – 0°-Kern zur Hauptlastaufnahme,
- – ±60°-Lagen an der Außenseite,
- – 0°-Richtung vorherrschend,
- – ±60°-Lagen an den Außenseiten,
- – 90° zur Versteifung.
- Damit ergibt sich damit für die jeweils gerade verlegte Faser der folgende Sachverhalt:
vertikaler Flansch4 : - – alle Fasern bleiben in der Richtung, in der sie gemessen wurden,
- – 0°-Fasern bleiben in der Richtung, in der sie gemessen wurden,
- – ±45°-Fasern ändern ihren Winkel zu ±60°,
- – ±60°-Fasern ändern ihren Winkel zu ±70°.
-
9 schließlich zeigt einen Lagenaufbau mit einer Kombination aus Geweben und Faserbündeln. Hier bezeichnet wieder das Bezugszeichen20 die Gewebelage den 0°-Wickelkern im Innenflansch, während das Bezugszeichen27 die 0° gewickelten Schieben, 28 die ±60° Gewebelagen,29 die 0°/90° Gewebelagen darstellen. - Der auf diese Weise hergestellte Fensterrahmen
1 weist gegenüber herkömmlichen Aluminium-Fensterrahmen eine etwa 50-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 (8)
- 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 ) aus einem faserverstärkten Harz besteht. - Fensterrahmen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Fensterrahmen (
1 ) aus einem Gewebehalbzeug hergestellt ist. - Fensterrahmen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Fensterrahmen (
1 ) aus einem aus Faserbündeln bestehenden Halbzeug hergestellt ist. - Fensterrahmen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Fensterrahmen (
1 ) aus einem Halbzeug hergestellt ist, das aus einer Kombination aus Faserbündeln und einem Gewebehalbzeug besteht. - Verfahren zur Herstellung eines Fensterrahmens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein aus einem Fasermaterial bestehendes Halbzeug (
10 ) in ein Formwerkzeug (11 ) eingebracht wird, in das unter Druck und Temperatur Harz injiziert wird, und daß das so entstandene Bauteil (1 ) anschließend im Formwerkzeug (11 ) ausgehärtet wird. - Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbzeug (
10 ) einen Lagenaufbau aus einem Gewebematerial aufweist. - Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbzeug (
10 ) einen Lagenaufbau aus Faserbündeln aufweist. - Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbzeug (
10 ) einen Lagenaufbau aufweist, der aus einer Kombination aus Faserbündeln und einem Gewebematerial besteht.
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