DE102004025381A1

DE102004025381A1 - Fensterrahmen für Flugzeuge

Info

Publication number: DE102004025381A1
Application number: DE102004025381A
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: 2005-12-22
Anticipated expiration: 2024-05-25
Also published as: JP2008500233A; US8096506B2; CA2563574A1; CN1956837B; CN1956837A; BRPI0511162A; WO2005115728A1; RU2006140137A; US20080197237A1; EP1748879A1; DE102004025381B4

Abstract

Ein Verfahren zur Herstellung eines Fensterrahmens für den 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, sieht vor, daß zunächst ein aus mehreren einzelnen Substrukturen bestehendes Halbzeug hergestellt wird, das anschließend in ein Formwerkzeug eingebracht wird, in das unter Druck und Temperatur Harz injiziert wird, und daß das so entstandene Bauteil anschließend im Formwerkzeug ausgehärtet wird. Die Substrukturen werden vor dem Einbringen in das Formwerkzeug zusammengefügt. Das Halbzeug weist einen Lagenaufbau auf, der aus einem Gewebematerial, aus Faserbündeln oder aus einer Kombination aus Faserbündeln und einem Gewebematerial besteht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Fensterrahmens für den 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.

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, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, das eine möglichst einfache, flexible und kostengünstige Herstellung eines solchen Fensterrahmens gewährleistet.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Verfahren, bei dem zunächst ein aus mehreren einzelnen Substrukturen bestehendes Halbzeug hergestellt wird, das anschließend in ein Formwerkzeug eingebracht wird, in das unter Druck und Temperatur Harz injiziert wird, und daß das so entstandene Bauteil anschließend im Formwerkzeug ausgehärtet wird.

Die Erfindung ermöglicht damit die kostengünstige Herstellung einer Vielzahl verschiedener derartiger in Faserverbundbauweise hergestellter Fensterrahmen, durch die gegenüber den bislang eingesetzten Aluminium-Fensterrahmen eine Gewichtsersparnis von bis zu 50 Prozent erzielt wird. Trotz dieses großen Gewichtseinsparungspotentials erhöhen sich durch das erfindungsgemäße Verfahren 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 den Aufbau des Fensterrahmens gemäß 1 in einer Explosionsdarstellung
4 einen Detailschnitt durch einen Fensterrahmen gemäß 1,
5 den Aufbau eines ersten Preforms in Schnittdarstellung,
6 den Aufbau eines zweiten Preforms in Schnittdarstellung und
7 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, das sogenannte Preform, hergestellt. Dieses wird anschließend in ein zweiteiliges Formwerkzeug eingelegt, das Formwerkzeug wird geschlossen und es wird unter Druck und Temperatur Harz in das Formwerkzeug injiziert. Das komplette Bauteil 1 wird anschließend innerhalb des Formwerkzeuges ausgehärtet.
Das Preform wird in der sogenannten Sub-Preform-Technik hergestellt werden, bei der der komplette Fensterrahmen 1 aus einzelnen Substruktur-Elementen oder Sub-Preforms 11 bis 17 zusammengesetzt wird, wie sie in der Explosionsdarstellung in 3 gezeigt sind. 4 zeigt in einer Schnittdarstellung den Aufbau des kompletten Faserverbund- Fensterrahmens 1 aus den einzelnen Substrukturen 11 bis 17. Die vergleichsweise hohe Anzahl unterschiedlicher Substrukturen ermöglicht dabei auf einfache Weise eine Anpassung an unterschiedlich hohe Beanspruchungen, die an einen solchermaßen gefertigten Fensterrahmen 1 gestellt werden. So kann beispielsweise bei niedrigerer Last das Sub-Preform oder Substruktur-Element 14 entfallen, während umgekehrt bei höheren Beanspruchungen ein oder mehrere Substruktur-Elemente 14 oder eventuell sogar 15 hinzugefügt werden können. Die unterschiedlichen Dicken, die hierbei entstehen, werden durch die gute Trapierbarkeit der einzelnen Sub-Preforms ausgeglichen. Bei unterschiedlichen Wandstärken der Flugzeughaut 5 kann schließlich zum Ausgleich der gesamte Bereich um das Sub-Preform 15 paprallel verschoben werden, auch dies infolge der guten Trapierbarkeit.
Das Preform kann im Prinzip auf drei verschiedene Arten hergestellt werden

– aus Gewebehalbzeugen,
– aus Faserbündeln,
– aus einer Kombination aus Gewebehalbzeugen und Faserbündeln.

5 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.

6 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°.

7 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

Verfahren zur Herstellung eines Fensterrahmens für den 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, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst ein aus mehreren einzelnen Substrukturen (11-17) bestehendes Halbzeug hergestellt wird, das anschließend in ein Formwerkzeug eingebracht wird, in das unter Druck und Temperatur Harz injiziert wird, und daß das so entstandene Bauteil (1) anschließend im Formwerkzeug ausgehärtet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Substrukturen (11-17) vor dem Einbringen in das Formwerkzeug zusammengefügt werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Substrukturen (11-17) mittels Thermoplast-Schweißen gefügt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbzeug einen Lagenaufbau aus einem Gewebematerial aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbzeug einen Lagenaufbau aus Faserbündeln aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbzeug einen Lagenaufbau aufweist, der aus einer Kombination aus Faserbündeln und einem Gewebematerial besteht.