DE102005026010A1

DE102005026010A1 - Verfahren zur Herstellung einer verstärkten Schale zur Bildung von Teilkomponenten für Luftfahrzeuge sowie Schale zur Bildung von Teilkomponenten für Luftfahrzeuge

Info

Publication number: DE102005026010A1
Application number: DE102005026010A
Authority: DE
Inventors: Bernd Dipl.-Ing. Räckers
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2005-06-07
Filing date: 2005-06-07
Publication date: 2006-12-28
Anticipated expiration: 2025-06-08
Also published as: DE102005026010B4; DE602006019579D1; CA2607041A1; US20090039208A1; JP2008542119A; BRPI0611247A2; EP1888323A1; CN101189118A; RU2007144050A; CN101189118B; EP1888323B1; WO2006131532A1; RU2408462C2; US7897095B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer mit einer Vielzahl von Versteifungselementen verstärkten Schale, insbesondere einer Rumpfschale, einer Flügelschale, einer Höhenleitwerkschale oder einer Seitenleitwerkschale, zur Bildung von Teilkomponenten für Luftfahrzeuge mit hoher Maßhaltigkeit, wobei die Versteifungselemente und eine Schalenhaut mit zumindest teilweise ausgehärteten kohlefaserverstärkten Halbzeugen mit Epoxydharz gebildet sind, mit den folgenden Schritten:
- Positionieren der Versteifungselemente auf der Schalenhaut,
- Anlegen von Verbindungselementen an die Schalenhaut und an die Versteifungselemente und
- Aushärten der Verbindungselemente zur Bildung der Schale.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine nach Maßgabe des erfindungsgemäßen Verfahrens gebildete Schale, insbesondere Rumpfschale, Flügelschale, Höhenleitwerkschale oder Seitenleitwerkschale.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer mit einer Vielzahl von Versteifungselementen verstärkten Schale, insbesondere einer Rumpfschale, einer Flügelschale, einer Höhenleitwerkschale oder einer Seitenleitwerkschale, zur Bildung von Teilkomponenten für Luftfahrzeuge mit hoher Maßhaltigkeit, wobei die Versteifungselemente und eine Schalenhaut mit zumindest teilweise ausgehärteten kohlefaserverstärkten Halbzeugen mit Epoxydharz gebildet sind.

Weiterhin betrifft die Erfindung eine Schale, insbesondere eine Rumpfschale, eine Flügelschale, eine Höhenleitwerkschale oder eine Seitenleitwerkschale nach Maßgabe des erfindungsgemäßen Verfahrens gebildet, mit einer Vielzahl auf eine Schalenhaut aufgebrachten Versteifungselementen, zur Bildung von Teilkomponenten für Luftfahrzeuge mit hoher Maßhaltigkeit, wobei die Versteifungselemente und die Schalenhaut mit zumindest teilweise ausgehärteten kohlefaserverstärkten Halbzeugen mit Epoxydharz gebildet sind.

Aufgrund ihres niedrigen Gewichts und ihrer hohen mechanischen Belastbarkeit finden kohlefaserverstärkte Epoxydharze auch zur Herstellung von Schalen für tragende Teilkomponenten eines Luftfahrzeugs, wie zum Beispiel Rumpfzellen, Tragflügel, Höhenleitwerke sowie Seitenleitwerke, zunehmend Anwendung. Derartige Teilkomponenten eines Luftfahrzeugs werden in der Regel mit mindestens zwei Schalen, die zusammengefügt werden, gebildet. So wird ein Seitenleitwerk beispielsweise mit zwei an ihren jeweiligen Längskanten zusammengefügten, spiegelsymmetrischen (Halb-)Schalen gebildet.

Die Schalen werden mittels unterschiedlicher Verfahren mit so genannten "Prepregs" gebildet. Unter dem Begriff der "Prepregs" werden mit einem aushärtbaren und kohlefaserverstärkten Epoxydharz hergestellte Halbzeuge verstanden. Derartige "Prepregs" weisen im Allgemeinen eine plattenförmige bzw. bahnförmige geometrische Gestalt auf, können aber auch als Profile mit einer beispielsweise L-förmigen Querschnittsgeometrie ausgebildet sein.

Vor der Aushärtung sind die "Prepregs" flexibel und können somit in eine nahezu beliebige Form gebracht werden. Erst nach der vollständigen Aushärtung erlangen die mit "Prepregs" gefertigten Schalen zur Bildung von Teilkomponenten für Luftfahrzeuge ihre charakteristischen mechanischen Eigenschaften in Gestalt einer außerordentlich hohen mechanischen Belastbarkeit in Verbindung mit einem sehr geringen Gewicht. Die Aushärtung der mit den "Prepregs" gebildeten Schalen zur Bildung der Teilkomponenten erfolgt im Allgemeinen in Autoklaven bei einer Temperatur zwischen 120°C und 180°C sowie bei Drücken von bis zu 10 bar. Die Lagerzeit der "Prepregs" ist aufgrund von ständig ablaufenden Vernetzungsprozessen beschränkt und beträgt bei Raumtemperatur im Allgemeinen nur zwischen 10 bis 30 Tage. Im weiteren Teil der Beschreibung wird anstatt des Begriffs "Prepregs" durchgängig der Begriff der Halbzeuge verwendet.

Die Schalen werden im Wesentlichen mit einer Schalenhaut und einer darauf angeordneten Vielzahl von Versteifungselementen und Anschlusswinkeln zur Verstärkung gebildet. Im Allgemeinen sind pro Versteifungselement beidseitig zwei, sich über die gesamte Länge eines Verstärkungselements erstreckende Anschlusswinkel zur Verbindung mit der Schalenhaut vorgesehen. Sowohl die Schalenhaut, die Anschlusswinkel als auch die Versteifungselemente sind mit Halbzeugen gefertigt.

Aus dem Stand der Technik sind eine Vielzahl von Fertigungsverfahren zur Herstellung derartiger Schalen aus Halbzeugen bekannt:
Beim so genannten "co-curing"-Verfahren wird die gesamte Schale, die insbesondere die Schalenhaut, die Versteifungselemente sowie die Anschlusswinkel umfasst, von einem einzigen Vakuumsack umschlossen. Der Vakuumsack wird anschließend in einen Autoklaven eingebracht, wodurch die Aushärtung der ganzen Schale erfolgt. Beim "co-curing"-Verfahren erfolgt der Aushärtungsprozess somit in einem einzigen Schritt.

Der Hauptnachteil dieses Verfahrens liegt darin, dass eine sehr aufwändige Vorrichtung zur Positionierung und Fixierung der Versteifungselemente in Relation zur Schalenhaut während des Aushärtungsprozesses erforderlich ist, was insbesondere bei Schalen mit größeren Abmessungen zur Bildung komplexer Teilkomponenten, wie zum Beispiel Tragflügeln, zu einem unverhältnismäßig hohen Aufwand führt.

Beim so genannten "co-bonding"-Verfahren werden in einem ersten Schritt zunächst die Versteifungselemente ausgehärtet. Anschließend wird die noch nicht ausgehärtete Schalenhaut auf die Versteifungselemente gelegt. Während des abschließenden Aushärtungsprozesses der Schalenhaut werden gleichzeitig die Versteifungselemente mit der Schalenhaut gefügt. Die umgekehrte Vorgehensweise, bei der zunächst die Schalenhaut ausgehärtet und dann die nicht ausgehärteten Versteifungselemente zusammen mit der Schalenhaut ausgehärtet und dadurch gefügt werden, ist nach einer Verfahrensvariante des "co-bonding" ebenfalls möglich. Die Aushärtung erfolgt in jedem Fall durch in einen Autoklaven eingebrachte Vakuumsäcke. Nach diesen beiden Verfahrensweisen erfolgt der Aushärtungsprozess der Schale in zwei Schritten.

Der Hauptnachteil dieser Verfahrensvariante besteht darin, dass das jeweils nicht ausgehärtete Bauteil, also zum Beispiel die Versteifungselemente oder die Schalenhaut, nicht vernachlässigbaren Qualitätsschwankungen unterliegt. Diese Qualitätsschwankungen führen insbesondere zu einer ungünstigen Faserverteilung in der Harzmatrix, zu Verwerfungen sowie zu Poren und Lufteinschlüssen, die ihre Ursache in erster Linie in Setzbewegungen des ausgehärteten Bauteils während des Härtungsprozesses haben.

Nach Maßgabe der so genannten "secondary bonding"-Technik werden sowohl die Schalenhaut als auch die Versteifungselemente in zwei getrennten Schritten vorab ausgehärtet und anschließend durch Verkleben gefügt.

Bei dieser Vorgehensweise ist insbesondere die höhere Anzahl der erforderlichen Fertigungsschritte sowie die erforderliche Passgenauigkeit der Versteifungselemente, der Anbindungswinkel sowie der Schalenhaut, die bei Schalen mit größeren Abmessungen im Allgemeinen nicht mehr sicher zustellen ist, als nachteilig zu nennen.

Aufgabe der Erfindung ist es, die vorstehend beschriebenen Nachteile der bekannten Verfahren zu vermeiden und eine vereinfachte Fertigung von Schalen mit einer Schalenhaut und mit Versteifungselementen zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer mit einer Vielzahl von Versteifungselementen verstärkten Schale, insbesondere einer Rumpfschale, einer Flügelschale, einer Höhenleitwerkschale oder einer Seitenleitwerkschale, zur Bildung von Teilkomponenten für Luftfahrzeuge mit hoher Maßhaltigkeit, wobei die Versteifungselemente und eine Schalenhaut mit zumindest teilweise ausgehärteten kohlefaserverstärkten Halbzeugen mit Epoxydharz gebildet sind, umfasst die folgenden Schritte:

– Positionieren der Versteifungselemente auf der Schalenhaut,
– Anlegen von Verbindungselementen an die Schalenhaut und an die Versteifungselemente und
– Aushärten der Verbindungselemente zur Bildung der Schale.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Verbindungselemente vor dem Aushärten mit einem Klebemittel versehen. Hierdurch ergibt sich ein besserer Toleranzausgleich zwischen der Schalenhaut und den Versteifungselementen. Zum anderen wird eine mechanisch innigere Verbindung zwischen den Versteifungselementen und der Schalenhaut sowie den Verbindungselementen erreicht. Der Klebemittelauftrag auf die Verbindungselemente stellt eine optionale Vorgehensweise bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dar. Im Allgemeinen wird eine ausreichend feste Anbindung der Verstei fungselemente an die Schalenhaut durch die allenfalls teilausgehärteten und daher noch kleb- und anpassungsfähigen Verbindungselemente erreicht.

Weiterhin wird die erfindungsgemäße Aufgabe durch eine Schale nach Maßgabe des Patentanspruchs 8 gelöst.

Dadurch, dass die Versteifungselemente mit der Schalenhaut durch nachträglich ausgehärtete Verbindungselemente verbunden sind,
ist eine einfache Herstellbarkeit der erfindungsgemäßen Schale gegeben.

Da sowohl die Versteifungselemente als auch die Schalenhaut zumindest teilweise ausgehärtet sind und nur die Verbindungselemente noch vollständig ausgehärtet werden müssen, können die Vorrichtungen zur Positionierung der Verbindungselemente auf der Schalenhaut einfach ausgebildet sein. Die erforderlichen Vorrichtungen können aufgrund der hohen Eigenstabilität der zumindest teilweise ausgehärteten Schalenhaut und der zumindest teilweise ausgehärteten Versteifungselemente zudem auch außerhalb des Vakuumsacks angeordnet sein. Ungeachtet der bereits ausgehärteten Schalenhaut und Versteifungselemente ist ein Toleranzausgleich mittels der noch nicht ausgehärteten Verbindungselemente möglich. Weiterhin lassen sich bei der erfindungsgemäßen Schale in Bereichen der Schalenhaut, die Aufdickungen oder dergleichen aufweisen, mittels der noch flexiblen Verbindungselemente Versteifungselemente vorsehen. In diesem Fall müssen die Versteifungselemente Ausnehmungen aufweisen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens und der erfindungsgemäßen Schale sind in den weiteren Patentansprüchen dargelegt.

In der Zeichnung zeigt:
1 eine perspektivische Ansicht eines Ausschnitts aus einer Schale mit einem nach dem erfindungsgemäßen Verfahren befestigten Versteifungselement in einer ersten Ausführungsvariante,
2 eine Querschnittsdarstellung durch einen Ausschnitt einer Schale mit der ersten Variante eines Versteifungselements und
3 eine Querschnittsdarstellung durch einen Ausschnitt einer Schale mit einer zweiten Variante eines Versteifungselements.
Im Weiteren soll das erfindungsgemäße Verfahren sowie die erfindungsgemäße Schale anhand der 1 bis 3 erläutert werden.
Die 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Ausschnitts aus einer Schale mit einem nach Maßgabe des erfindungsgemäßen Verfahrens aufgebrachten Versteifungselement in einer ersten Ausführungsvariante.
Eine Schale 1 umfasst unter anderem eine Schalenhaut 2, ein Versteifungselement 3 sowie die Verbindungselemente 4, 5. Das Versteifungselement 3 weist in der Darstellung der 1 eine im Wesentlichen rechteckförmige Querschnittsgeometrie auf. Hiervon abweichende Querschnittsgeometrien des Versteifungselements 3 sind gleichfalls möglich. Die Verbindungselemente 4, 5 sind als Anbindungswinkel mit einer im Wesentlichen L-förmigen Querschnittsgeometrie ausgebildet. Die Schalenhaut 2, das Versteifungselement 3 sowie die Verbindungselemente 4, 5 sind mit einer Vielzahl von Halbzeugen in der Form von aushärtbaren "Prepregs" gebildet. Die "Prepregs" sind kohlefaserverstärkte Flächengebilde, die mit einem aushärtbaren Epoxydharz durchtränkt sind. Im unausgehärteten Zustand kann den "Prepregs" eine nahezu beliebige geometrische Gestalt gegeben werden. So können mit "Prepregs" als Halbzeugen beispielsweise auch in zwei Raumrichtungen gekrümmte Schalenhäute oder Versteifungselemente mit L-förmigen Querschnittsgeometrien gebildet werden.
Zur Herstellung der Schale 1 nach Maßgabe des erfindungsgemäßen Verfahrens werden zunächst in einem ersten Schritt die Schalenhaut 2 und das Versteifungselement 3 vorzugsweise vollständig ausgehärtet. Alternativ ist es auch möglich, die Schalenhaut 2 und das Versteifungselement 3 nur teilweise auszuhärten, so dass ein Toleranzausgleich in einem noch größeren Umfang möglich ist. Weiterhin ist es möglich eine vorgefertigte, das. heißt schon ausgehärtete Schalenhaut 2 sowie vorgefertigte, vorkonfektionierte Versteifungselemente 3 zu verwenden. In diesem Fall kann der erste Schritt ersatzlos entfallen.
In einem zweiten Schritt wird das Versteifungselement 3 auf der Schalenhaut 2 positioniert, woran im Anschluss in einem dritten Schritt die erfindungsgemäß allenfalls teilausgehärteten Verbindungselemente 4, 5 bevorzugt auf beiden Seiten des Versteifungselement 3 angelegt werden. Infolge der erfindungsgemäß zumindest nicht vollständig ausgehärteten Verbindungselemente 4, 5 kann hierbei noch ein Toleranzausgleich zwischen der Schalenhaut 2 und dem Versteifungselement 3 erfolgen. Gegebenenfalls kann das Versteifungselement 3 mittels nicht näher dargestellter Hilfsmittel vor der Einbringung in den Vakuumsack fixiert werden. Im Anschluss daran wird die gesamte Anordnung in einen Vakuumsack gegeben, der in einen Autoklaven zur Aushärtung verbracht wird.
Nach einer Verfahrensvariante ist es nicht erforderlich die gesamte Anordnung in einen Vakuumsack zu geben. Vielmehr kann beispielsweise für einzelne Versteifungselemente 3 jeweils ein individueller, kleinvolumigerer Vakuumsack vorgesehen werden, so dass die Gefahr von Undichtigkeiten verringert wird und somit insgesamt das Ausschussrisiko minimiert wird. Weiterhin kann die Aushärtung der Anordnung auch ohne einen Autoklaven erfolgen, wodurch sich die Herstellungskosten verringern lassen. Die Aushärtung kann beispielsweise in einem Vakuumsack erfolgen, der in einen einfachen Ofen verbracht wird. Weiterhin kann die Aushärtung auch durch eine externe Erwärmung auf eine Temperatur zwischen 60°C und 180°C erfolgen.
In einem vierten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens werden dann die Verbindungselemente 4, 5 im Autoklaven vollständig ausgehärtet. Nach der vollständigen Aushärtung der Verbindungselemente 4, 5 im Autoklaven ist die Schale 1 nach Maßgabe des erfindungsgemäßen Verfahrens fertig gestellt. Der Vakuumsack umschließt hierbei die Schalenhaut 2, das Versteifungselement 3 sowie die Verbindungselemente 4, 5 vollständig. Infolge des im Vakuumsacks herrschenden Unterdrucks werden die Verbindungselemente 4, 5 durch den Umgebungsluftdruck bzw. den im Autoklaven herrschenden hohen Überdruck fest an das Versteifungselement 3 sowie die Schalenhaut 2 gepresst. Die Aushärtung im Autoklaven erfolgt bei einer Temperatur zwischen 120°C bis 180°C und bei einem Druck von bis zu 10 bar. Im Zuge der Aushärtung der Verbindungselemente 4,5 erfolgt gleichzeitig die unlösbare Verbindung, das heißt Vernetzung zwischen dem Versteifungselement 3, den Ver bindungselementen 4, 5 sowie der Schalenhaut 2. Während des Aushärtungsprozesses ist es erforderlich, die Schalenhaut 2 sowie das Versteifungselement 3 mittels nicht dargestellter Haltevorrichtungen in einer definierten Position zueinander zu halten.
Zur Positionierung und Fixierung des Versteifungselements 3 auf der Schalenhaut 2 ist im Allgemeinen eine in den Figuren nicht dargestellte Haltevorrichtung erforderlich. Diese Haltevorrichtung kann im Gegensatz zu den vorbekannten Fertigungsverfahren konstruktiv weniger aufwändig und gewichtsmäßig leichter ausgebildet sein, da aufgrund der bereits ausgehärteten Schalenhaut 2 und des bereits ausgehärteten Versteifungselements 3 diese nur noch in Position zueinander gehalten werden müssen, es aber nicht mehr erforderlich ist, eine vorgegebene geometrische Gestalt der genannten Bauteile während des Aushärtungsprozesses beizubehalten. Zusätzlich werden die zu Beginn des Aushärtungsprozesses noch nicht vollständig ausgehärteten Verbindungselemente durch das bereits ausgehärtete Versteifungselement 3 abgestützt, sodass innerhalb des die Schalenhaut 2 und das Versteifungselement 3 umgebenden Vakuumsacks keine Haltevorrichtungen erforderlich sind. Aufgrund des leichten Gewichts der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren in der Regel erforderlichen Haltevorrichtung verringert sich die im Autoklaven aufzuheizende Masse, wodurch sich eine zusätzliche Zeit- und Energieersparnis ergibt.
Dennoch erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren aufgrund der noch nicht vollständig ausgehärteten Verbindungselemente 4, 5 einen ausreichenden Toleranzausgleich zwischen dem Versteifungselement 3 und der Schalenhaut 2 zur Bildung einer Schale 1 mit hoher Maßhaltigkeit, die durch ein bloßes Verkleben des ausgehärteten Versteifungselements 3 mit der Schalenhaut 2 ("secondary bonding") nicht erreichbar ist. Durch die Anordnung der Haltevorrichtung außerhalb des Vakuumsacks wird der Verfahrensablauf einfacher gestaltet und damit abgekürzt, was insbesondere bei großformatigen Schalen, zum Beispiel Flügelschalen oder dergleichen, im Zusammenhang mit der begrenzten zeitlichen Haltbarkeit der "Prepregs" bzw. Halbzeuge von erheblicher Bedeutung ist.
Die Haltevorrichtung kann beispielsweise als ein leistenförmiges Element ausgebildet sein, in das eine Ausnehmung zur Aufnahme des vom Vakuumsack umgebenen Versteifungselements 3 eingebracht ist. Durch das Auflegen der Haltevorrichtung auf die im Vakuumsack befindliche Schale 2 mit dem Versteifungselement 3 wird im Wesentlichen ein Verkippen des Versteifungselements 3 in Bezug auf die Schalenhaut 2 während des Aushärtungsprozesses der Verbindungselemente 4, 5 im Autoklaven vermieden. Die Verbindungselemente 4, 5 werden hierbei infolge der Wirkung des Vakuumsacks auf das Versteifungselement 3 und die Schalenhaut 2 gepresst, so dass eine innige Vernetzung und Verbindung möglich ist. Da die Schalenhaut 2 bereits ausgehärtet ist, braucht für die Abstützung der Schalenhaut 2 ebenfalls nur eine leichte Unterstützungsvorrichtung vorgesehen werden. Diese Unterstützungsvorrichtung ist vorzugsweise an die geometrische Gestalt der Schalenhaut 2 angepasst und weist daher in bis zu zwei Richtungen des Raumes eine Krümmung auf. Alternative Ausführungsformen der Haltevorrichtung und/oder der Unterstützungsvorrichtung sind gleichfalls möglich und gleichfalls vom Grundgedanken der Erfindung umfasst.
Aufgrund des Umstandes, dass das Versteifungselement 3 vorzugsweise bereits vollständig ausgehärtet ist, reicht es im Allgemeinen aus, nur in einem Anfangsbereich und in einem Endbereich des Versteifungselements 3 eine Haltevorrichtung vorzusehen. Zur Aushärtung wird die Haltevorrichtung für das Versteifungselement 3 dann mit der Unterstützungsvorrichtung für die Schalenhaut 2 mit Spannelementen, beispielsweise durch Schraubzwingen oder dergleichen, verspannt. Aufgrund des Umstandes, dass die Haltevorrichtung bzw. die Unterstützungsvorrichtung außerhalb des Vakuumsacks angeordnet sind, kann dieser einfacher ausgebildet sein, wodurch die Wahrscheinlichkeit von Undichtigkeiten verringert wird.
Weist die Schalenhaut 2 eine größere Anzahl von Versteifungselementen 3 auf, so muss in die leistenförmigen Elemente der Haltevorrichtungen eine korrespondierende Anzahl von entsprechend zueinander beabstandet angeordneten Ausnehmungen zur Aufnahme der Versteifungselemente eingebracht werden. Weiterhin ist es erforderlich, eine Auflagekontur der leistenförmigen Elemente, mit der diese auf der Schalenhaut 2 aufliegen, einer beispielsweise in zwei Richtungen des Raumes gekrümmten Oberflächengeometrie der Schalenhaut 2 anzupassen. Weiterhin können an beiden Seiten der Ausnehmungen Anlagewinkel zur Vergrößerung der Anlagefläche an den Versteifungselementen vorgesehen sein. Auch können die Haltevor richtungen untereinander, beispielsweise durch Stege oder dergleichen verbunden werden.
Die Schalenhaut 2 kann abweichend von der ebenen Darstellung in der 1 auch in einer oder in zwei Richtungen des Raumes zumindest abschnittsweise gekrümmt ausgebildet sein. Weiterhin können auf der Schalenhaut 2 eine Vielzahl von Versteifungselementen 3 in einer nahezu beliebigen geometrischen Anordnung und/oder mit verschiedenen Längen vorgesehen sein.
Um eine innigere Vernetzung und damit eine mechanisch noch höher belastbare Verbindung zwischen dem Versteifungselement 3 und den Verbindungselementen 4, 5 bzw. zwischen den Verbindungselementen 4, 5 und der Schalenhaut 2 zu erreichen, kann es erforderlich sein, Anlageflächen 6, 7 der Verbindungselemente 4, 5 zumindest bereichsweise zusätzlich mit einem Klebemittel zu versehen. Als Klebemittel findet in diesem Fall vorzugsweise ein aushärtbares Epoxydharz des gleichen Typs, wie das zur Durchtränkung der Halbzeuge bzw. der "Prepregs" eingesetzte, Verwendung. Grundsätzlich ist aber das in den Halbzeugen bzw. in den "Prepregs" infolge der Durchtränkung auf der Oberseite immer vorhandene, überschüssige Epoxydharz zur Herstellung einer mechanisch hinreichend belastbaren Verbindung zwischen dem Versteifungselement 3 und der Schalenhaut 2 genügend.
Die 2 zeigt eine Querschnittsdarstellung durch einen Ausschnitt aus einer Schale mit einem Versteifungselement in der ersten Ausführungsvariante.
Eine Schale 8 ist unter anderem mit einer Schalenhaut 9, mit einem Versteifungselement 10 sowie mit den Verbindungselementen 11, 12 gebildet. Das Versteifungselement 10 weist eine im Wesentlichen rechteckförmige Querschnittsgeometrie auf. Hiervon abweichende Querschnittsgeometrien der Versteifungselemente 10 sind gleichfalls möglich. Die Verbindungselemente 11, 12 weisen eine im Wesentlichen L-förmige Querschnittsgeometrie auf, wobei die Schenkel der Verbindungselemente 11, 12 in etwa gleich lang ausgebildet sind. Die Verbindungselemente 11, 12 weisen eine Verstärkung mit Kohlefasern 13, 14 auf. Die Kohlefasern 13, 14 verlaufen im Wesentlichen parallel zu einer Oberfläche des Versteifungselements 10 bzw. einer Oberfläche der Schalenhaut 9. Um in Endbereichen 15 bis 18 der Verbindungsele mente 4, 5 eine Abschälung zu vermeiden, verlaufen die Kohlefasern 13, 14 in den Endbereichen 15 bis 18 nicht mehr parallel zur Oberfläche des Versteifungselements 10 bzw. der Oberfläche der Schalenhaut 9, sondern enden unter einem Winkel von 5° bis 90° in Bezug auf die genannten Oberflächen. Die dargestellten Kohlefasern 13, 14 sind nur repräsentativ für eine Vielzahl von Kohlefasern, die in etwa parallel zur Zeichenebene verlaufen und die in Verbindung mit weiteren Kohlefasern, die nicht parallel zur Zeichenebene verlaufen, in ihrer Gesamtheit die eigentliche Kohlefaserverstärkung der Halbzeuge bzw. der "Prepregs" zur Bildung der Verbindungselemente 11, 12 darstellen.
In einem Knickbereich 19, 20 der Verbindungselemente 11, 12 befinden sich die Zwickel 21, 22. Im Bereich der Zwickel 21, 22 besteht keine Verbindung zwischen den Verbindungselementen 11, 12 und der Schalenhaut 9 bzw. dem Versteifungselement 10. Um Korrosionsprozesse und/oder Kondensationsprozesse in den Zwickeln 21, 22 zu vermeiden, werden diese nach Abschluss des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem geeigneten Kunststoffmaterial verfüllt, das zusätzlich auch mit den Fasern versehen sein kann. Das Kunststoffmaterial braucht keine besonderen mechanischen Eigenschaften aufzuweisen, da die Zwickel 21, 22 im Allgemeinen keinerlei kraftübertragende Funktion haben.
Alternativ können die Zwickel beispielsweise mit einem aushärtbaren Kunststoffmaterial, insbesondere einem Epoxydharz, einem Polyesterharz oder dergleichen, gebildet werden, in das zusätzlich Verstärkungsfasern ("Rovings") zur Armierung eingelegt werden, so dass auch die Zwickel 21 – zumindest in einem geringen Umfang – mechanische Kräfte aufnehmen können.
Die Schalenhaut 9 kann auch abschnittsweise Aufdickungen zur Verstärkung aufweisen. In diesem Fall muss das Versteifungselement 10 an den entsprechenden Stellen Ausnehmungen aufweisen, damit das Versteifungselement 10 durchgängig und vollflächig auf der Oberseite der Schalenhaut 9 aufliegt. Hinsichtlich der Verbindungselemente 11, 12 müssen beim Aufbringen von Versteifungselementen im Bereich von Aufdickungen besondere Vorkehrungen getroffen werden, da die Verbindungselemente 11, 12 vor dem Aushärtungsprozess noch über eine ausreichende Flexibilität verfügen, die einen durchgängigen und im Wesentlichen vollflächigen Kontakt mit der Oberfläche der Schalenhaut 9 auch im Bereich der Aufdickungen gewährleistet.
Die 3 zeigt eine Querschnittsdarstellung durch einen Ausschnitt einer Schale, auf die ein Versteifungselement in einer zweiten Ausführungsvariante aufgebracht ist.
Die Schale 23 ist mit einer Schalenhaut 24 gebildet, auf die mindestens ein Versteifungselement 25 durch beidseitig angeordnete Verbindungselemente 26, 27 nach Maßgabe des erfindungsgemäßen Verfahrens befestigt ist. Im Unterschied zu dem Versteifungselement 10 weist das Versteifungselement 25 eine nicht rechteckförmige Querschnittsgeometrie auf. In einem unteren Bereich 28 weist das Versteifungselement 25 eine rechteckförmige Geometrie auf, während es in einem oberen Bereich 29 eine Verbreiterung 30 aufweist. Die Verbreiterung 30 ermöglicht eine höhere Biegesteifigkeit des Versteifungselements 25. Aufgrund der im oberen Bereich 29 angeordneten Verbreiterung 30 kann es erforderlich sein, die Schenkel 31, 32 im Vergleich zu den Schenkeln 33, 34 der Verbindungselemente 26, 27 kürzer auszubilden. Im Hinblick auf die Beschreibung der weiteren Einzelheiten der 3 wird auf die Beschreibung der 2 verwiesen.
Nach Maßgabe des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Schale zur Bildung von Teilkomponenten für Luftfahrzeuge durch Auflegen, Positionieren und Fixieren von bereits ausgehärteten Versteifungselementen auf die ebenfalls ausgehärtete Schale gebildet, in dem die Versteifungselemente mittels zumindest noch nicht vollständig ausgehärteter Verbindungselemente durch abschließendes Aushärten der Verbindungselemente fest mit der Schalenhaut verbunden werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Herstellung von Schalen mit sehr großen geometrischen Abmessungen mit einem im Vergleich zu vorbekannten Fertigungsverfahren signifikant reduziertem Aufwand.

1: Schale
2: Schalenhaut
3: Versteifungselement
4: Verbindungselement
5: Verbindungselement
6: Anlagefläche
7: Anlagefläche
8: Schale
9: Schalenhaut
10: Versteifungselement
11: Verbindungselement
12: Verbindungselement
13: Kohlefaser
14: Kohlefaser
15: Endbereich
16: Endbereich
17: Endbereich
18: Endbereich
19: Knickbereich
20: Knickbereich
21: Zwickel
22: Zwickel
23: Schale
24: Schalenhaut
25: Versteifungselement
26: Verbindungselement
27: Verbindungselement
28: unterer Bereich
29: oberer Bereich
30: Verbreiterung
31: Schenkel
32: Schenkel
33: Schenkel
34: Schenkel

Claims

Verfahren zur Herstellung einer mit einer Vielzahl von Versteifungselementen (3, 10, 25) verstärkten Schale (1, 8, 23), insbesondere einer Rumpfschale, einer Flügelschale, einer Höhenleitwerkschale oder einer Seitenleitwerkschale, zur Bildung von Teilkomponenten für Luftfahrzeuge mit hoher Maßhaltigkeit, wobei die Versteifungselemente (3, 10, 25) und eine Schalenhaut (2, 9, 24) mit zumindest teilweise ausgehärteten kohlefaserverstärkten Halbzeugen mit Epoxydharz gebildet sind, mit den folgenden Schritten: – Positionieren der Versteifungselemente (3, 10, 25) auf der Schalenhaut (2, 9, 24), – Anlegen von Verbindungselementen (4, 5, 11, 12, 26, 27) an die Schalenhaut (2, 9, 24) und an die Versteifungselemente (3, 10, 25) und – Aushärten der Verbindungselemente (4, 5, 11, 12, 25, 27) zur Bildung der Schale (1, 8, 23).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungselemente (4, 5, 11, 12, 26, 27) vor dem Aushärten mit einem Klebemittel versehen werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungselemente (4, 5, 11, 12, 26, 27) zusammen mit der Schalenhaut (2, 9, 24) und den Versteifungselementen (3, 10, 25) bevorzugt in einem Vakuumsack in einem Autoklaven ausgehärtet werden, wobei insbesondere die Versteifungselemente (3, 10, 25) in Relation zur Schalenhaut (2, 9, 24) mittels einer vorzugsweise außerhalb des Vakuumsacks angeordneten Haltevorrichtung positioniert und fixiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalenhaut (2, 9, 24) mittels einer Unterstützungsvorrichtung während des Aushärtens abgefangen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungselemente (4, 5, 11, 12, 26, 27) als Winkelprofile, insbesondere als Winkelprofile mit einer L-förmigen Querschnittsgeometrie, ausgebildet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (4, 5, 11, 12, 26, 27) oder die Verbindungselemente (4, 5, 11, 12, 26, 27) mit einem Halbzeug gebildet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbzeug mit einem faserverstärkten und aushärtbaren Kunststoffmaterial, insbesondere mit einem kohlefaserverstärkten Epoxydharz, gebildet wird.
Schale (1, 8, 23), insbesondere Rumpfschale, Flügelschale, Höhenleitwerkschale oder Seitenleitwerkschale zur Bildung von Teilkomponenten für Luftfahrzeuge mit hoher Maßhaltigkeit nach Maßgabe des Verfahrens nach einem der Patentansprüche 1 bis 7 gebildet, mit einer Vielzahl auf eine Schalenhaut (2, 9, 24) aufgebrachten Versteifungselementen (3, 10, 25), wobei die Versteifungselemente (3, 10, 25) und die Schalenhaut (2, 9, 24) mit zumindest teilweise ausgehärteten kohlefaserverstärkten Halbzeugen mit Epoxydharz gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Versteifungselemente (3, 10, 25) mit der Schalenhaut (2, 9, 24) durch nachträglich ausgehärtete Verbindungselemente (4, 5, 11, 12, 26, 27) verbunden sind.
Schale (1, 8, 23) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungselemente (4, 5, 11, 12, 26, 27) zumindest bereichsweise ein Klebemittel aufweisen.
Schale (1, 8, 23) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungselemente (4, 5, 11, 12, 26, 27) als Winkelprofile, insbesondere als Winkelprofile mit einer L-förmigen Querschnittsgeometrie, ausgebildet sind.
Schale (1, 8, 23) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungselemente (4, 5, 11, 12, 26, 27) mit einem Halbzeug gebildet sind.
Schale (1,8,23) nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbzeug mit einem faserverstärkten und aushärtbaren Kunststoffmaterial, insbesondere einem kohlefaserverstärkten Epoxydharz, gebildet ist.