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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung
eines sandwichartig aufgebauten Leichtbaubleches mit Schallabsorptionseigenschaften,
insbesondere für
die Verwendung in Gasturbinen, beispielsweise für den Lufteinlaß von Strahltriebwerken.
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Um
den beim Lufteinlaß in
einer Strahlturbine entstehenden Schall zu absorbieren, werden bereits
seit den 60-er Jahren sogenannte akustische Auskleidungen im Turbineneinlaß verwendet.
Dabei handelt es sich meist um Sandwichkonstruktionen, bei denen
eine dem Lufteinlaß zugewandte
Deckschicht eine poröse
Struktur aufweist, um den eintretenden Schall in die dahinter liegende
Struktur zu leiten. Der Durchflußwiderstand der porösen Deckschicht
ist dabei so ausgebildet, daß sich
ein bestimmter Raylwert ergibt, bei dem eine optimale Schallabsorption
stattfindet. Dabei wird ein Teil der Schallenergie in der porösen Deckschicht
in Wärme umgewandelt
und hierdurch eine signifikante Absorption erzielt.
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Ziel
vieler bekannter akustisch wirksamer Leichtbaubleche ist es, diese
Absorption über
einen möglichst
weiten Frequenzbereich zu erlangen. Die US-A-3,439,774 beschreibt
beispielsweise ein Leichtbaublech der genannten Art, das Schallwellen im
unteren sowie im oberen Frequenzbereich absorbieren kann. Das sandwichartig
aufgebaute Leichtbaublech umfaßt
eine mikroporöse
Deckschicht mit hoher Durchlässigkeit,
die im wesentlichen Schallwellen mit hoher Frequenz absorbiert,
eine mikroporöse
Zwischenschicht mit geringerer Durchlässigkeit, die im wesentlichen
parallel zur Deckschicht angeordnet ist und Schallwellen im unteren
Frequenzbereich absorbiert, eine im wesentlichen undurchlässige Bodenschicht,
die unterhalb und im wesentlichen parallel zu den beiden anderen
Schichten angeordnet ist, erste Abstandsmittel, die zwischen der
Deckschicht und der ersten Zwischenschicht angeordnet sind und einen
vorbestimmten Abstand zwischen diesen beiden Schichten erzeugen,
und zweiter Abstandsmittel, die zwischen der ersten Zwischenschicht
und der Bodenschicht angeordnet sind und einen definierten Abstand
zwischen diesen beiden Schichten erzeugen, wobei zumindest die ersten oder
die zweiten Abstandsmittel eine gitterartige Struktur aufweisen.
Die auf die Deckschicht treffenden Schallwellen durchdringen die
mikroporöse Deckschicht
mit hoher Durchlässigkeit,
wobei ein Großteil
der hochfrequenten Schallwellen absorbiert wird, während Schallwellen
mit geringeren Frequenzen die Deckschicht im wesentlichen frei passieren. Die
Schallwellen bewegen sich weiter zur Zwischenschicht, wo Schallwellen
mit geringer Frequenz absorbiert werden, während die hochfrequenten Schallwellen,
die beim ersten Durchgang durch die Deckschicht nicht absorbiert
wurden, zurück
in Richtung der Deckschicht reflektiert und dort absorbiert werden.
Diejenigen Schallwellen mit geringer Frequenz, die nicht beim ersten
Durchgang durch die Zwischenschicht absorbiert werden, bewegen sich
weiter zur im wesentlichen undurchlässigen Bodenschicht, wo sie
zurück
in Richtung Zwischenschicht reflektiert und dort absorbiert werden.
Auf diese Weise wird ein gutes Absorptionsergebnis bezüglich eines
breiten Frequenzspektrums erzeugt.
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Ein
weiteres sandwichartig aufgebautes Leichtbaublech für die Verwendung
in Gasturbinen ist beispielsweise in der DE-A-3935120 beschrieben.
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Die
zuvor genannten Leichtbaubleche werden normalerweise hergestellt,
indem die einzelnen Schichten untereinander verbunden werden. Eine
typische und seit langem durchgeführte Verbindungstechnik ist
das Kleben. Hierbei werden die einzelnen Schichten, die häufig aus
unterschiedlichen Materialien bestehen, in ihrer endgültigen Form
miteinander verklebt. Dies geschieht typischerweise in einem Autoklaven.
Diese Art der Verbindungstechnik führt jedoch im Laufe der Zeit
zu Ablösungen
der Komponenten voneinander, vornehmlich in den unteren Bereichen
des Lufteinlasses, in dem sich Regenwasser und Feuchtigkeit sammeln
können,
wodurch die Klebeverbindungen im Laufe der Zeit zerstört werden. Das kann
zu einem Ausfall des Bauteils führen.
Ein weiteres Problem kommt dann auf, wenn Werkstoffe wie beispielsweise
Aluminium und Stahl miteinander gepaart werden, da eine galvanische
Korrosion auftritt, wenn diese Materialien miteinander in Kontakt stehen,
was ebenfalls zum Ausfall des Bauteils oder zumindest zu erhöhten Wartungs-
und Reparaturkosten führt.
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Die
US-A-6,439,340 beschreibt schließlich ein sandwichartig aufgebautes
Leichtbaublech für
die Verwendung in Gasturbinen, bei dem für die einzelnen Schichten rein
metallische Werkstoffe verwendet werden. Dabei werden eine gelochte
Deckschicht, eine unmittelbar darunter angeordnete poröse und akustisch
wirksame Metallfasermatte, eine Zwischenschicht mit Honigwabenstruktur
und eine sich daran anschließende
Bodenschicht miteinander verschweißt, wodurch eine wesentlich
stärkere
Verbindung als beim Kleben erzeugt wird. Die endgültige Form
erhalten diese Leichtbaubleche in einem sich anschließenden Formgebungsprozeß. Entsprechend werden
mit dem in der US-A-6,439,340 vorgeschlagenen Leichtbaublech die
zuvor beschriebenen Probleme hinsichtlich der Klebstoffverbindungen
und der galvanischen Korrosion gelöst. Andererseits entstehen
größere Probleme
bei der Formgebung, da ein an sich sehr steifes Leichtbaublech beispielsweise mit
Hilfe einer Streckziehanlage in die endgültige Form gebracht werden
muß. Hierbei
entstehen sehr hohe Spannungen in dem Material, was wiederum zu einem
möglichen
Ausfall des Bauteils führen
kann, wenn diese Spannungen im Laufe der Zeit relaxieren und die
Schweißverbindungen
zerstören.
Ein solcher Formgebungsprozeß schließt darüber hinaus
auch die Verwendung hochfester Werkstoffe aus, die über ein
nur sehr geringes Streckgrenzenverhältnis verfügen, wie es beispielsweise
bei Titan der Fall ist. Ein weiterer Nachteil eines Leichtbaubleches
der genannten Art ist darin zu sehen, daß die akustische wirksame Schicht
in Form einer Metallfasermatte zwischen der Zwischenschicht mit
Honigwabenstruktur und der oberen gelochten Deckschicht angeordnet und
verschweißt
ist. Aufgrund des Einsatzes der Metallfasermatte kann es zu undefinierten
Schweißverbindungen
kommen, da die Metallfasern keine gleichmäßigen Materialeigenschaften
aufweisen, wie es bei vollmetallischen Verbindungen der Fall ist. Wird
eine Metallfasermatte als akustisch wirksames Medium verwendet,
so sind aus konstruktiver Sicht die mechanischen Anforderungen und
die akustischen Anforderungen zwingend miteinander verbunden. Versagt
eine der Komponenten, so versagt das ganze Bauteil.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
zur Herstellung eines sandwichartig aufgebauten Leichtbaubleches
mit besonderen akustischen Eigenschaften zur Schallabsorption sowie
ein mit diesem Verfahren hergestelltes Leichtbaublech zu schaffen,
bei dem die oben genannten Nachteile nicht auftreten.
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Diese
Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung
durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
zur Herstellung eines sandwichartig aufgebauten Leichtbaubleches
mit Schallabsorptionseigenschaften werden eine akustisch absorbierende
Deckschicht, eine im wesentlichen gitterförmig aufgebaute erste Zwischenschicht
und eine Bodenschicht miteinander verbunden. Erfindungsgemäß erhält das Leichtbaublech
während
des Verbindens der einzelnen Schichten eine definierte Oberflächenkrümmung. Der
Verbindungsschritt ist also zumindest Teil des Formgebungsprozesses,
der dem Leichtbaublech seine endgültige Form verleiht. Die endgültige Form
kann dabei auch direkt erzeugt werden. Auf einen sich an den Fügeprozeß anschließenden Formgebungsprozeß kann im
Gegensatz zum Stand der Technik entsprechend teilweise oder ganz
verzichtet werden, so daß geringere
oder gar keine zusätzlichen
Spannungen in das Leichtbaublech induziert werden.
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Vorteilhaft
wird zwischen der Deckschicht und der ersten Zwischenschicht eine
weitere gelochte Zwischenschicht angeordnet und mit der Deckschicht
und der ersten Zwischenschicht verbunden. Durch das Vorsehen der
gelochten Zwischenschicht wird die Gesamtfestigkeit der Leichtbauplatte
erhöht. Aufgrund
der Tatsache, daß das
akustisch wirksame Medium die oberste Deckschicht bildet, wird sichergestellt,
daß die
einzelnen Schweißpunkte
zwischen der gelochten Zwischenschicht, der gitterförmig aufgebauten
ersten Zwischenschicht und der Bodenschicht sehr definiert verschweißt werden
können und
auch einzeln überprüfbar sind,
was beispielsweise bei der Verwendung eine Metallfasermatte, wie
es bei der US-A-6,439,340 der Fall ist, nicht möglich ist. Für die Festigkeit
der Leicht bauplatte spielt dann die akustisch wirksame Deckschicht
keine Rolle. Entsprechend kann die Deckschicht in Bezug auf ihre Schallabsorptionseigenschaften
in optimaler Art und Weise konstruiert werden, ohne auf Anforderungen
in Bezug auf Festigkeit- und Steifigkeit der Leichtbauplatte achten
zu müssen.
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Vorzugsweise
werden die Verbindungen zwischen den einzelnen Schichten gemäß der vorliegenden
Erfindung mittels Form- und/oder Stoffschluß erzeugt, wie beispielsweise
durch Stecken, Kleben oder Schweißen, wobei Schweißen besonders
vorteilhaft ist.
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Für die verwendete
Deckschicht wird bevorzugt ein besonders feines Streckmetall verwendet, das
gegenüber
normalerweise verwendeten Metallfaservliesen einen wesentlich definierteren
akustischen Durchflußwiderstand
aufweist. Vorteilhaft wird das Streckmetall in Form dünner Folien
verwendet, wobei durch Übereinanderschichten
einzelner Folien der Raylwert der Deckschicht einstellbar ist.
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Die
gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren
verwendete erste gitterförmig
aufgebaute Zwischenschicht umfaßt
vorzugsweise einzelne sich kreuzende Blechstreifen, in die an den
Kreuzungspunkten vorteilhafterweise periodisch Schlitze eingebracht
sind, wodurch entsprechende Steckverbindungen erzeugt werden können. Die
Blechstreifen sind bevorzugt aus Titan hergestellt. Auch bei der Deckschicht
handelt es sich bevorzugt um ein besonders feines Titanstreckmetall.
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Weiterhin
können
die Blechstreifen der ersten Zwischenschicht, beispielsweise mittels
Laserstrahlschneiden, bereits in ihrer endgültigen Form aus einem Blech
ausgeschnitten werden, so daß die Zwischenschicht
beispielsweise nach Herstellung der Steckverbindungen ihre endgültige Form
aufweist.
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Ferner
ist es gemäß der vorliegenden
Erfindung vorteilhaft, für
die einzelnen Schichten ausschließlich metallische Werkstoffe
zu verwenden, damit sämtliche
Verbindungen zwischen den einzelnen Schichten durch Schweißpunkte
bzw. Schweißnähte erzeugt
werden können.
Insbesondere an Punkten, an denen während der späteren Verwendung
des Leichtbaubleches mit einer Krafteinleitung gerechnet wird, werden
die Blechstreifen bevorzugt enger zueinander gesteckt, um diese
höheren
Kräfte
zu kompensieren.
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Daher
werden die Blechstreifen zur Gewichtsreduzierung vorteilhaft mit
Löchern
versehen.
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Auch
werden die Blechstreifen vorteilhaft beidseitig mit einem periodischen
Wellenmuster versehen, um eine definierte Schweißverbindung zu erzeugen. Dies
geschieht bevorzugt, wenn die Blechstreifen mittels Laserstrahlschneiden
aus einem Blech geschnitten werden.
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Schließlich bezieht
sich die vorliegende Erfindung auf die Verwendung eines gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellten Leichtbaubleches als Lufteinlaß für Stahltriebwerke.
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Nachfolgend
wird die vorliegende Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung
genauer erläutert.
Daran ist:
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1:
eine perspektivische Ansicht eines gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellten Leichtbaubleches;
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2:
eine Seitenansicht des in 1 dargestellten
Leichtbaubleches und
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3:
eine perspektivische Ansicht einer gitterförmig aufgebauten Zwischenschicht,
die bei einem in den 1 und 2 dargestellten
Leichtbaublech verwendet wird.
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1 ist
eine perspektivische Ansicht und zeigt einen Ausschnitt eines Leichtbaubleches 10, das
mit einem Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung hergestellt wurde. Das Leichtbaublech 10 umfaßt, in 1 von
oben nach unten betrachtet, eine akustisch absorbierende Deckschicht 12,
eine darunter angeordnete, in 1 nicht
sichtbare gelochte Zwischenschicht 14, eine im wesentlichen
gitterförmig
aufgebaute Zwischenschicht 16 und eine Bodenschicht 18,
die alle aus metallischen Werkstoffen bestehen und jeweils durch
Schweißverbindungen
miteinander verbunden sind. Die Deckschicht 12 umfaßt mehrere
besonders feine Titanstreckmetallfolien, die übereinander angeordnet sind
und jeweils einen vorbestimmten Durchflußwiderstand aufweisen. Durch
das Übereinanderlegen
einzelner Folien kann hier ein gewünschter Raylwert sehr genau
eingestellt werden, und zwar wesentlich genauer, als es beispielsweise
bei Metallfaservliesen der Fall ist. Bei der gelochten Zwischenschicht 14 handelt
es sich um ein dünnes
Metallblech, in dem in regelmäßigen Abständen Durchgangslöcher vorgesehen
sind, so daß die zu
absorbierenden Schallwellen durch die Deckschicht 12 und
die Durchgangslöcher
der gelochten Zwischenschicht 14 ins Innere des Leichtbaubleches 10 eindringen
können.
Die gitterförmige
Zwischenschicht 16 besteht vorwiegend aus Titanblechstreifen 20 und 22,
die derart in Längs-
und Querrichtung des Leichtbaubleches 10 angeordnet sind,
daß sich
eine gitterförmige
Struktur ergibt. Die Bodenschicht 18 besteht aus einem
Metallblech.
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Die
Oberflächen
der Deckschicht 12 des in 1 dargestellten
Leichtbaubleches 10 weisen eine Oberflächenkrümmung auf. Diese Oberflächenkrümmung wird
erzeugt, indem die Blechstreifen 20 und 22 der
gitterförmigen
Zwischenschicht 16 in der in 1 dargestellten
Form aus einem Blechmaterial ausgeschnitten werden, was beispielsweise
mittels Laserstrahlschneiden erfolgen kann. Anschließend wird
aus den Blechstreifen 20 und 22 die gitterförmige Zwischenschicht 16 erzeugt
und daraufhin werden die Deckschicht 12, die gelochte Zwischenschicht 14,
die gitterförmige
Zwischenschicht 16 und die Bodenschicht 18 miteinander
verschweißt.
Zum Erzeugen der in 1 dargestellten Form des Leichtbaubleches 10 ist
demnach kein weiterer Formgebungsprozeß erforderlich, der sich an
den Verbindungsschritt der einzelnen Schichten anschließt, wie beispielsweise
Streckziehen oder dergleichen. Vielmehr können die Deckschicht 12 und
die Bodenschicht 18, soweit dies erforderlich ist, einzeln
durch einen Formgebungsprozess dergestalt verformt werden, daß sie die
Freiformfläche
der gitterförmigen Zwischenschicht
beidseitig abbilden. Das Leichtbaublech 10 erhält beim
Verbinden der einzelnen Schichten eine definierte Oberflächenkrümmung, die
vorliegend der Krümmung
der endgültigen
Form des Leichtbaubleches 10 entspricht und somit weitestgehend
spannungsfrei hergestellt werden kann.
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2 ist
eine vergrößerte Seitenansicht
des in 1 dargestellten Leichtbaubleches 10,
wobei hier nur ein kleiner Ausschnitt des Leichtbaubleches 10 gezeigt
ist. Das sandwichartig aufgebaute Leichtbaublech 10 umfaßt, in 2 von
oben nach unten betrachtet, die Deckschicht 12, die gelochte
Zwischenschicht 14, die gitter förmig aufgebaute Zwischenschicht 16 und
die Bodenschicht 18, die miteinander verschweißt sind.
Die gelochte Zwischenschicht 14 umfaßt Durchgangslöcher 24,
die in regelmäßigen Abständen vorgesehen
sind. In den Blechstreifen 20 und 22, welche die
gitterförmig
ausgebildete Zwischenschicht 16 bilden, sind an den jeweiligen
Kreuzungspunkten der Blechstreifen 20 und 22 Schlitze 26 vorgesehen,
so daß die
Blechstreifen 20 und 22 ineinander gesteckt werden
können.
In der in 2 gezeigten Ansicht sind allerdings
nur die Schlitze 26 der sich längs erstreckenden Blechstreifen 20 zu
erkennen. Die Schlitze 26 enden in kreisförmigen Aussparungen 28,
die eine Rißbildung
in den Schlitzen 26 verhindern sollen.
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Die
zu absorbierenden Schallwellen treten von außen durch die akustisch wirksame
Deckschicht 12 in das Leichtbaublech 10 ein und
werden in der Deckschicht 12 zumindest teilweise absorbiert. Die
nicht absorbierten Schallwellen gelangen durch die Durchgangslöcher 24 der
gelochten Zwischenschicht 14 ins Innere der Konstruktion
und werden dort an dem Blechstreifen 20 und 22 der
gitterförmig ausgebildeten
Zwischenschicht 16 sowie an der Bodenschicht 18 reflektiert,
so daß sie
erneut in Richtung der Deckschicht 12 bewegt werden, wo
eine weitere Absorption stattfinden kann.
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3 ist
eine perspektivische Ansicht zweier Blechstreifen 20 und 22 der
gitterförmig
ausgebildeten Zwischenschicht 16, wobei die Blechstreifen 20 und 22 im
wesentlichen orthogonal zueinander ausgerichtet sind. Die Blechstreifen 20 und 22 umfassen jeweils
Schlitze 26, die in kreisförmigen Aussparungen 28 enden.
An einem Kreuzungspunkt 30 der beiden Blechstreifen 20 und 22 sind
die jeweiligen Schlitze 26 der beiden Blechstreifen 20 und 22 ineinander
gesteckt, wodurch eine Steckverbindung erzeugt wird. Für eine definierte
Schweißverbindung werden
beide Blechstreifen 20 und 22 beidseitig mit einem
periodischen Wellenmuster 33 versehen. Dies geschieht vorzugsweise,
wenn die Blechstreifen mittels Laserstrahlschneiden aus einem Blech
ausgeschnitten werden.
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Es
sollte klar sein, daß das
in den 1 bis 3 dargestellte Ausführungsbeispiel
des gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellten Leichtbaubleches 10 nicht einschränkend ist.
Vielmehr sind Modifikationen und Änderungen möglich, ohne den Schutzbereich
der vorliegenden Erfindung zu verlassen, der durch die beiliegenden
Ansprüche definiert
ist.
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- 10
- Leichtbaublech
- 12
- Deckschicht
- 14
- gelochte
Zwischenschicht
- 16
- gitterförmige Zwischenschicht
- 18
- Bodenschicht
- 20
- Blechstreifen
(längs)
- 22
- Blechstreifen
(quer)
- 24
- Durchgangslöcher
- 26
- Schlitze
- 28
- kreisförmige Aussparungen
- 30
- Kreuzungspunkt
- 33
- Wellenmuster