DE102004025377B4

DE102004025377B4 - Fensterrahmen für Flugzeuge

Info

Publication number: DE102004025377B4
Application number: DE102004025377A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Bold Jens
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2004-05-24
Filing date: 2004-05-24
Publication date: 2013-02-14
Anticipated expiration: 2024-05-25
Also published as: US7988093B2; JP2008500229A; CN100471757C; CN1956884A; WO2005115836A1; EP1748925B1; DE602005022305D1; RU2369523C2; ATE473915T1; RU2006143856A; EP1748925A1; US20080078878A1; CA2563441A1; DE102004025377A1; BRPI0510635A; WO2005115836B1

Abstract

Fensterrahmen zum Einbau in die Außenhaut eines Flugzeuges, bestehend aus wenigstens je einem äußeren Flansch mit unterschiedlichen radialen Bereichen unterschiedlicher Dicke, einem inneren Flansch und einem senkrecht zu und zwischen diesen angeordneten vertikalen Flansch, wobei der äußere Flansch an der Flugzeugstruktur befestigbar ist und wobei am inneren Flansch ein zu halterndes Fensterelement in Anlage bringbar ist, das über den vertikalen Flansch gehaltert wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Fensterrahmen (1) aus einem faserverstärkten Harz besteht.

Description

Die Erfindung betrifft einen Fensterrahmen zum Einbau in die Außenhaut eines Flugzeuges, bestehend aus wenigstens je einem äußeren Flansch mit unterschiedlichen radialen Bereichen unterschiedlicher Dicke, 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.
DE 102 51 580 A1 sowie EP 1 342 553 A1 beschreiben ein Verfahren zur Herstellung eines Bauelementes aus faserverstärktem Kunststoff, insbesondere eines Fensterrahmens für Flugzeugfenster, unter Verwendung von textilen Halbzeugen (Vorprodukten), die für die Herstellung von textilen Vorformlingen (Preforms) konfektioniert, geformt, kompaktiert und fixiert werden.
WO 03/103 933 A1 beschreibt faserverstärkten Composite-Bauteile sowie ein Verfahren zur Herstellung dieser Bauteile, mit faserverstärkten Wandelementen.
DE 689 04 601 T2 beschreibt einen faserverstärkten Spant und sein Herstellungsverfahren.
DE 102 51 579 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer umlaufenden dreidimensionalen Faserverstärkungsstruktur für eine geschlossene Rahmenstruktur, wobei die Rahmenstruktur aus einer vorzugsweise runden oder ovalen flächenförmigen Sektion mit einem umlaufenden Bördel besteht.
EP 089 337 B1 beschreibt ein zusammengestelltes Fensterband sowie dessen Herstellungsverfahren.
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 gemäß 1,
3 einen Teil eines Formwerkzeuges zur Herstellung eines Fensterrahmens gemäß 1 in geöffneter Position,
4 das Formwerkzeug gemäß 3 in geschlossener Position,
5 und 6 eine Darstellung der Hauptrichtungen bei einem Fensterrahmen gemäß 1, wobei 6 und eine Detaildarstellung des mit VI gekennzeichneten Bereiches in 5 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 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 2 in diesem Fall jedoch einen gleichmäßig umlaufenden Rand auf. Ferner weist dieser äußere Flansch 2 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 Fensterrahmens 1 in der Außenhaut 5 eines Flugzeuges dargestellt ist. 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 Fensterrahmen 1 wird mittels der sogenannten ”Resin-Transfer-Moulding” oder RTM-Technologie hergestellt. Hierbei wird zunächst aus Fasern ein Formteil 10, das sogenannte Preform, hergestellt. Dieses wird anschließend in ein zweiteiliges Formwerkzeug 11 eingelegt, wie es in den 3 und 4 dargestellt ist. Innerhalb eines unteren Formwerkzeuges 12 und eines oberen Formwerkzeuges 13 sind dabei ein innerer Kern 14 und ein, in diesem Fall zweigeteilt ausgebildeter, äußerer Kern 15 angeordnet. Das Preform 10 wird zwischen die beiden Kerne 14 und 15 eingebracht, das Formwerkzeug 11 wird geschlossen und es wird unter Druck und Temperatur Harz in das Formwerkzeug injiziert. Das komplette Bauteil 1 wird anschließend innerhalb des Formwerkzeuges 11 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 Fensterrahmen 1 aus einzelnen Substruktur-Elementen oder Sub-Preforms zusammengesetzt wird. In jedem Fall aber besteht das Preform 10 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 den 5 und 6 dargestellt. Die 0°-Richtung ist dabei die Umfangsrichtung des Fensterrahmens 1, die 90°-Richtung verläuft in radialer Richtung und die 45°-Richtung verläuft im Bereich des Überganges vom vertikalen Flansch 4 zum äußerem Flansch 2.
7 zeigt einen Schnitt durch den aus Gewebehalbzeugen bestehenden Lagenaufbau des Fensterrahmens 1. In dieser Figur bezeichnen die Bezugszeichen 20 den 0°-Wickelkern im Innenflansch, 21 die ± 60°-Lagen in allen Außenbereichen sowie die ± 60°-Lagen durchgehend vom äußeren Flansch 2 zum inneren Flansch 3 und das Bezugszeichen 22 bezeichnet die 0°- und 90°-Lagen im Bereich des vertikalen Flansches 4. Diese Lagerichtungen sind dabei an der Schnittstelle von äußerem Flansch 2, innerem Flansch 3 und vertikalem Flansch 4 gemessen. Außerhalb dieses Bereiches ergibt sich für die gekrümmt verlegten Gewebehalbzeuge der folgende Sachverhalt:
vertikaler Flansch 4:

– alle Fasern bleiben in der Richtung, in der sie gemessen wurden,

3

2

– 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 Bezugszeichen 20 den 0°-Wickelkern im Innenflansch, 23 die Faserbündel mit einer ±60°-Lage in allen Außenbereichen sowie die ±60°-Lagen durchgehend vom äußeren Flansch 2 zum inneren Flansch 3, das Bezugszeichen 24 bezeichnet die Faserbündel mit 0°- und 90°-Lagen im Bereich des vertikalen Flansches 4 und das Bezugszeichen 25 die Faserbündel mit ±45°-Lagen im Bereich des äußeren Flansches 2. Diese Lagerichtungen sind an der Schnittstelle von äußerem Flansch 2, innerem Flansch 3 und vertikalem Flansch 4 gemessen. Um einen Faserverlauf zu erzielen, bei dem die Fasern der Belastungsrichtung folgen, wird für den Fensterrahmen 1 ein Aufbau gewählt, der sich wie folgt zusammensetzt:
äußerer Flansch 2:

– quasi-isotroper, radialer Aufbau im Bereich der Vernietung,

4

– 0°-Kern zur Hauptlastaufnahme,
– ±60°-Lagen an der Außenseite,

3

– 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 Flansch 4:

– alle Fasern bleiben in der Richtung, in der sie gemessen wurden,

3

2

– 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 Bezugszeichen 20 die Gewebelage den 0°-Wickelkern im Innenflansch, während das Bezugszeichen 27 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

Fensterrahmen zum Einbau in die Außenhaut eines Flugzeuges, bestehend aus wenigstens je einem äußeren Flansch mit unterschiedlichen radialen Bereichen unterschiedlicher Dicke, einem inneren Flansch und einem senkrecht zu und zwischen diesen angeordneten vertikalen Flansch, wobei der äußere Flansch an der Flugzeugstruktur befestigbar ist und wobei am inneren Flansch ein zu halterndes Fensterelement in Anlage bringbar ist, 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.