DE102006008728B3

DE102006008728B3 - Verfahren zur Herstellung eines räumlichen Stabwerks als Kernstruktur einer Sandwichkonstruktion

Info

Publication number: DE102006008728B3
Application number: DE102006008728A
Authority: DE
Inventors: Hans-Jürgen WEBER; Gregor Christian Endres
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2006-02-24
Filing date: 2006-02-24
Publication date: 2007-07-19
Anticipated expiration: 2026-02-25
Also published as: CN101389423A; JP4898839B2; CN101389423B; ATE516903T1; BRPI0708198A2; JP2009527379A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines räumlichen Stabwerks, welches als Kernstruktur für eine Sandwichkonstruktion zum Einsatz kommen kann. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Stabwerk für eine Sandwichkonstruktion, welches nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist. Bei dem Verfahren wird eine zweidimensionale Gitterstruktur (1) aus stabförmigen linearen Halbzeugen (2, 3) hergestellt, bei der sich die Halbzeuge (2, 3) an definierten Kreuzungspunkten (4) überkreuzen; die stabförmigen linearen Halbzeuge (2, 3) werden an den Kreuzungspunkten (4) verbunden und durch lokale Temperaturbeaufschlagung der Gitterstruktur (1) entlang jeweils dreier sich nicht schneidender (gedachter) Geraden (5, 6) erweicht; um der Gitterstruktur (1) eine dreidimensionale Gestalt zu verleihen, wird eine Kraft F in die Gitterstruktur entlang der mittleren der temperaturbeaufschlagten (gedachten) Geraden (5, 6) eingeleitet, wobei die eingeleitete Kraft F infolge einer Verformung der Gitterstruktur in Kräftepaare von in den Halbzeugen wirkenden Zugkräfte umgelenkt wird, wodurch die Gitterstruktur (1) entlang der mittleren temperaturbeaufschlagten (gedachten) Geraden (5, 6) in eine dritte Dimension gezogen wird.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft das technische Gebiet der Verbundwerkstoffe. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines räumlichen Stab werks, welches als Kernstruktur für eine Sandwichkonstruktion zum Einsatz kommen kann. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Stabwerk für eine Sandwichkonstruktion, welches nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist, und ein Flugzeug mit einem Strukturbauteil in Form eines Kernverbunds, dessen Kernstruktur unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt worden ist.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Aufgrund ihres guten Verhältnisses von Steifigkeit bzw. Festigkeit zur Dichte finden im Bereich des Flugzeugbaus Verbundswerkstoffe und insbesondere Sandwichkonstruktionen einen breiten Anwendungsbereich. Kernverbunde werden im Allgemeinen aus einer oberen und unteren Deckschicht bzw. -lage gebildet, zwischen denen sich zur Erhöhung der Steifigkeit beispielsweise eine aus vertikal verlaufenden Zellen mit hexagonalem Querschnitt gebildete, wabenartige Kernstruktur befinden kann.

Alternativ zu dem Aufbau mit Wabenstrukturen können Hartschaumstoffe zum Einsatz kommen. Kernverbunde mit einem Hartschaumkern erweisen sich jedoch dadurch als eher nachteilhaft, dass sie im Vergleich zu Kernverbunden mit wabenartigen Kernstruktur und vergleichbarer Dichte geringere mechanische Eigenschaften aufweisen. Um diese zu kompensieren, können Fasern, Fäden oder pultrudierte Stabhalbzeuge unter definierten Winkeln und in definierter Dichte in den Hartschaum eingebracht werden. Im Falle von Fasern oder Fäden und einem nachgelagerten Harzinfiltrationsprozess tragen die Fasern dann zur mechanischen Verstärkung des Schaumstoffs bei. Der Schaumstoff dient in diesem Falle zum einen als Träger, der die Pins in Form der Harzverstärkten Fasern oder Fäden in Position hält. Zum anderen dient der Schaumstoff zur Stabilisierung der Pins, um deren Ausknicken unter Last zu verhindern oder zumindest zu verzögern.

Da die Tragfähigkeit derartig verstärkter Hartschaumstoffe jedoch maßgeblich durch die eingebrachten Pins oder durch eingebrachte, pultrudierte Stabhalbzeuge bestimmt wird, trägt der vorhandene Schaumkern in aller Regel eher in unerwünschter Weise zur Erhöhung der Kernstrukturdichte bei. Darüber hinaus verfügt eine verstärkte Hartschaumstruktur in aller Regel nur über einen kleinen Bereich, in der sie sich unter Last elastisch verhält, sodass Schäden am Verbund in aller Regel eher plastisch und dauerhaft sind. Letztendlich ist eine Belüftung oder Entwässerung einer Sandwichstruktur mit einem verstärkten Hartschaumstoff nicht möglich, da der Zwischenraum zwischen den Decklagen vollständig durch den Hartschaumstoff ausgefüllt wird.

Aus der WO 2004/022869 A2 sowie aus der WO 03/101721 A1 sind beispielsweise Verfahren zur Herstellung einer räumlichen Gitterstruktur bekannt, bei denen zunächst metallische Gitter erzeugt werden, welche mittels einer Matrize und einem zugehörigen Stempel in die dritte Dimension gebogen werden, sodass ein räumliches Gitterwerk entsteht. Bei diesem Biegen wird die metallische Gittermatte an ihren seitlichen Berandungen nicht festgehalten, da dies ein Biegen in die dritte Dimension verhindern würde. Ein derartiges Biegen unter Verwendung von Matrize und zugehörigem Stempel ist jedoch verhältnismäßig unflexibel, da zur Variation der Gitterwinkel und zur Variation der Höhe des Gitterwerks die Matrize und der zugehörige Stempel gewechselt werden müssen.

Auch die US 3,884,646 beschreibt ein Herstellungsverfahren für ein räumliches Gitterwerk zur Verwendung in einer Sandwichkonstruktion als Kernstruktur. Hierbei wird zunächst aus einem Metallblech ein ebenes Gitter geformt, welches anschließend wiederum in einem Umformprozess mittels Matrize und zugehörigem Stempel gebogen wird, um ihm eine dreidimensionale Gestalt zu verleihen.

Zwar sind die unter Verwendung der in den genannten Druckschriften hergestellten räumlichen Gitterstrukturen nicht mit den zuvor erläuterten Nachteilen schaumverstärkter Kernstrukturen behaftet, jedoch sind die erläuterten Herstellungsverfahren zur Herstellung räumlicher Gitterstrukturen aufgrund des Einsatzes von Matrize und Stempel verhältnismäßig unflexibel.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Der Erfindung liegt daher unter anderem die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines räumlichen Stabwerks ohne den Einsatz eines Trägermaterials beispielsweise in Form eines Hartschaumstoffs anzugeben, und welches bezüglich der Erzeugung unterschiedlicher Gittergeometrien flexibler ist, als die beschriebenen Umformverfahren unter Verwendung von Matrize und Stempel.

Sofern im Rahmen der vorliegenden Erfindung von einem stabförmigen linearen Halbzeug die Rede ist wird, so sind hierunter pultrudierte, extrudierte oder stranggezogene, stabförmige Geometrien eines definierten Querschnitts zu verstehen, welcher beispielsweise rund, dreieckig, viereckig, hexagonal, rohrförmig oder mit vergleichbaren Geometrie ausgestaltet sein kann. Die Halbzeuge können dabei mit oder ohne Armierungsfasern zur Verstärkung ausgebildet sein. Die Halbzeuge können beispielsweise aus extrudierten Thermoplasten, pultrudierten (teilvernetzten) Polymeren insbesondere Duromeren, stranggezogenen Metallen oder auch Keramiken, insbesondere Precursor-Keramiken bestehen, wobei die Thermoplaste und Duromere zusätzlich mit Armierungsfaser versehen sein können.

Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die derselben zugrunde liegende Aufgabe mit einem Verfahren zur Herstellung eines räumlichen Stabwerks gelöst werden, bei dem in einem ersten Schritt eine zweidimensionale Gitterstruktur aus stabförmigen linearen Halbzeugen hergestellt wird. Die linearen Halbzeuge können dabei als Endlosmaterial zur Verfügung gestellt werden. Die linearen Halbzeuge werden dabei so zu einer zweidimensionalen Gitterstruktur angeordnet, dass sie sich an definierten Kreuzungspunkten überkreuzen. Beispielsweise kann zunächst eine erste Lage linearer Halbzeuge angeordnet werden, bei der sich die einzelnen stabförmigen Halbzeuge gruppenweise parallel zueinander erstrecken. Auf diese erste Lage kann anschließend eine zweite Lage gruppenweise parallel zueinander verlaufender Halbzeuge aufgebracht werden, wobei die linearen Halbzeuge unter einem anderen Winkel als in der ersten Lage ausgerichtet sind, sodass sich die linearen Halbzeuge der beiden Lagen an definierten Kreuzungspunkten überkreuzen. Die gebildete Gitterstruktur aus zu Beginn noch nicht miteinander verbundenen stabförmigen Halbzeugen kann ein gleichmäßiges Muster aufweisen, was jedoch nicht zwangsweise der Fall sein muss. In einem weiteren Verfahrensschritt werden anschließend die stabförmigen linearen Halbzeuge an den Kreuzungspunkten miteinander verbunden. Dieses Verbinden kann beispielsweise durch ein punktuelles Erwärmen im Bereich der Kreuzungspunkte erfolgen, wodurch die Halbzeuge erweichen und leicht miteinander verkleben. In einem weiteren, darauf folgenden Verfahrensschritt werden anschließend die stabförmigen linearen Halbzeuge erweicht, sodass diese einen leichten Tack bekommen, also leicht klebrig werden. Dieses Erweichen kann beispielsweise durch eine lokale Temperaturaufschlagung der Gitterstruktur entlang jeweils dreier sich nicht schneidender gedachter Geraden erfolgen. Die Temperaturaufschlagung der zweidimensionalen Gitterstruktur kann beispielsweise entlang einer ersten Gruppe (gedachter) sich nicht schneidender Geraden und in entsprechender Weise entlang einer zweiten Gruppe (gedachter) sich nicht schneidender Geraden erfolgen, wobei die Geraden der ersten Gruppe und die Geraden der zweiten Gruppe jeweils abwechselnd zueinander verlaufen, was also bedeutet, dass zwischen je zwei Geraden der ersten Gruppe eine Gerade der zweiten Gruppe liegt und das zwischen zwei Geraden der zweiten Gruppe jeweils eine Gerade der ersten Gruppe liegt.

Um der Gitterstruktur anschließend die gewünschte räumliche Struktur zu verleihen, wird in die Gitterstruktur entlang der mittleren der gedachten temperaturbeaufschlagten Geraden eine Kraft eingeleitet, sodass sich die Gitterstruktur aus ihrer zweidimensionalen Ebene heraus verformt. In Folge dieser Verformung der Gitterstruktur wird die eingeleitete Kraft in Kräftepaare von in den Halbzeugen wirkenden Zugkräfte umgelenkt, wodurch die Gitterstruktur entlang der mittleren temperaturbeaufschlagten gedachten Geraden in eine dritte Dimension gezogen wird. Bei diesem Schritt handelt es sich somit quasi um einen Tiefziehvorgang, bei dem das Material der Halbzeuge nicht gedehnt wird. Vielmehr verkürzt sich die Gitterstruktur in der Ebene infolge der Umformung in die dritte Dimension. Damit die Gitterstruktur nicht nur ungeordnet bei der Krafteinleitung ausweicht, kann die Gitterstruktur an ihren Rändern oder auch an den die mittlere gerade beflankenden Geraden an verfahrbaren Lagern festgehalten werden, wodurch gewährleistet werden kann, dass sich die eingeleitete Kraft gezielt in Zugkräfte in den Halbzeugen umwandeln bzw. zerlegen kann.

Bei dem Schritt, bei dem eine Kraft in die Gitterstruktur eingeleitet wird, wird die zweidimensionale Gitterstruktur somit in eine dreidimensionale Faltstruktur durch aufeinander folgendes und abwechselndes Erzeugen von Bergen und Tälern verformt. Die Hochpunkte der Berge liegen dabei auf den Geraden der ersten Gruppe und die Tiefpunkte der Täler liegen auf den Geraden der zweiten Gruppe. Sofern von der Erzeugung von Bergen und Tälern die Rede ist, so bezieht sich diese Terminologie auf eine Querschnittansicht der erzeugten dreidimensionalen Faltstruktur, in der die Berge bzw. Täler erkannt werden können. In perspektivischer Ansicht betrachtet, handelt es sich bei den Bergen bzw. Tälern um langgestreckte Bergzüge mit jeweils dazwischen liegenden langgestreckten Tälern in Bezug auf die Oberfläche der Gitterstruktur betrachtet. Die Berge und Täler werden dabei erzeugt, indem im Bereich der Geraden der beiden Geradengruppen abwechselnd eine Kraft in die Gitterstruktur in Richtung der zu erzeugenden Hochpunkte und Tiefpunkte eingeleitet wird. Durch die Einleitung der Kraft in Richtung der zu erzeugenden Hochpunkte und Tiefpunkte verformt sich die zweidimensionale Gitterstruktur aus der Ebene heraus, wodurch entlang der Geraden der beiden Geradengruppen die erwähnten Bergzüge mit den zwischenliegenden Tälern entstehen. Dadurch, dass auf die Halbzeuge der Gitterstruktur entlang der Geraden der beiden geraden Gruppen eine Kraft ausgeübt wird, verformt sich die zweidimensionale Gitterstruktur aus der Ebene heraus, wodurch in gewünschter Weise die Berge bzw. Täler entstehen. Zur Klarstellung sei an dieser Stelle erwähnt, dass, sofern hier davon die Rede ist, dass eine Kraft "entlang" einer Geraden in die Gitterstruktur eingeleitet wird, dass dies bedeutet, dass die Gitterstruktur im wesentlichen senkrecht mit einer Kraft beaufschlagt wird, welche sich entlang der Geraden verteilt.

Um das Verfahren zeitoptimiert durchzuführen, kann das Verbinden der stabförmigen linearen Halbzeuge an den Kreuzungspunkten, das Erweichen der stabförmigen linearen Halbzeuge sowie das Krafteinleiten in einem kontinuierlichen Fließprozess erfolgen, bei dem die genannten Schritte in einer Produktionsrichtung fortschreitend in einem kontinuierlichen, sich wiederholenden Prozess durchgeführt werden. Insbesondere bietet es sich an, das Verbinden der stabförmigen linearen Halbzeuge während dem Erweichen derselben durchzuführen, da diese durch das Erweichen einen leichten Tack bekommen, also leicht klebrig werden, sodass die aufeinander liegenden Halbzeuge leicht miteinander verkleben. Dies setzt selbstverständlich voraus, dass das Erweichen der stabförmigen linearen Halbzeuge im Bereich der Kreuzungspunkte erfolgt, sodass die stabförmigen linearen Halbzeuge sich in diesen Bereichen miteinander verbinden. Der kontinuierliche, sich wiederholende Fertigungsprozess zeichnet sich dabei dadurch aus, dass in einer Produktionsrichtung fortschreitend immer weitere gedachte Geraden der Gitterstruktur mit einer Temperatur beaufschlagt und entlang dieser Geraden mit einer Kraft zur Verformung der Gitterstruktur beaufschlagt werden.

Um den Fertigungsprozess noch weiter zu optimieren, kann das Krafteinleiten während dem Beaufschlagen der Gitterstruktur mit einer Temperatur entlang der drei sich nicht schneidenden gedachten Geraden erfolgen. Durch diese Temperaturaufschlagung kann somit in gezielter Art und Weise eine plastische Verformung der Gitterstruktur entlang der genannten Geraden in Folge der Krafteinleitung erfolgen.

Da es aus statischen wie auch konstruktiven Gründen wünschenswert sein kann, dass die Kreuzungspunkte der stabförmigen linearen Halbzeuge in der dritten Dimension die äußere Berandung des zu erzeugenden räumlichen Stabwerks bilden, kann die Temperaturbeaufschlagung so erfolgen, dass senkrecht zur Produktionsrichtung liegende Kreuzungspunkte stets gleichzeitig mit einer Temperatur beaufschlagt werden. Bei diesen senkrecht zur Produktionsrichtung liegenden Kreuzungspunkten handelt es sich um benachbarte Kreuzungspunkte, in denen sich verschiedene lineare Halbzeuge der Gitterstruktur kreuzen. Da die Krafteinleitung in die Gitterstruktur stets entlang einer mittleren von drei temperaturbeaufschlagten Geraden auf der Gitterstruktur erfolgt, werden somit in Folge der Krafteinleitung und deren Umlenkung in Folge einer Verformung der Gitterstruktur in Kräftepaare von in den Halbzeugen wirkenden Zugkräften die temperaturbeaufschlagten Kreuzungspunkte in die gewünschte dritte Dimension gezogen und bilden somit die äußere Berandung des räumlichen Stabwerks in der dritten Dimension.

Wie bereits zuvor angesprochen, kann das Verbinden der stabförmigen linearen Halbzeuge an den Kreuzungspunkten während und durch das gleichzeitige Temperaturbeaufschlagen der senkrecht zur Produktionsrichtung liegenden Kreuzungspunkte erfolgen. Dies bietet sich insbesondere dann an, wenn die Temperaturbeaufschlagung so erfolgt, dass senkrecht zur Produktionsrichtung liegende Kreuzungspunkte gleichzeitig mit Temperatur beaufschlagt werden, da dadurch die linearen Halbzeuge in den einzelnen Lagen im Bereich der Kreuzungspunkte erweichen und sich in Folge ihrer Berührung und gegebenenfalls einer entsprechenden Krafteinwirkung (beispielsweise Schwerkraft) miteinander verbinden.

Gemäß einem besonderen Aspekt der vorliegenden Erfindung kann eine dreidimensionale Faltstruktur dadurch erzeugt werden, indem in dem kontinuierlichen, sich wiederholenden Prozess nacheinander Kräfte in die Gitterstruktur entlang jeder zweiten temperaturbeaufschlagten gedachten Geraden eingeleitet werden, welche die Halbzeuge bis in eine gewünschte Tiefe in die dritte Dimension ziehen. Die Gitterstruktur verformt sich dabei so in der Ebene dass sich die beiden Geraden, welche die mittlere temperaturbeaufschlagte Gerade beflanken, einander in der Ebene annähern, wodurch eine Faltstruktur von im Querschnitt betrachtet ziehharmonikaartiger Gestalt erzeugt wird. Selbstverständlich ist es auch möglich, die Gitterstruktur entlang jeder zweiten temperaturbeaufschlagten Geraden in eine positive Richtung der dritten Dimension zu beaufschlagen, wohingegen jede erste, dritte, fünfte usw. temperaturbeaufschlagte Gerade in einer negativen Richtung der dritten Dimension ebenfalls mit einer Kraft beaufschlagt wird, wobei sich ebenfalls wiederum eine zickzackförmige Faltstruktur erzeugen lässt.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist gegenüber den bekannten Verfahren unter Verwendung von Matrize-Stempel-Umformwerkzeugen sehr flexibel, da durch die Krafteinleitung entlang der temperaturbeaufschlagten Geraden eine beliebige und individuelle Dicke bzw. Stärke des räumlichen Stabwerks erzeugt werden kann. Beispielsweise lässt sich die Kraft und die Temperatur auf die Halbzeuge mittels einer in die dritte Dimension verfahrbaren und beheizbaren Kante aufbringen, wobei je nachdem, wie tief die Kante in die Tiefe der dritten Dimension eingefahren wird, sich eine variable Dicke des Stabwerks erzeugen lässt. So lässt sich beispielsweise die Dicke des räumlichen Stabwerks kontinuierlich ändern, indem die Kante an verschiedenen Stellen der Gitterstruktur unterschiedlich weit in die dritte Dimension zur Verformung der Gitterstruktur verfahren wird.

Um ein sicheres Verbinden der stabförmigen linearen Halbzeuge an den Kreuzungspunkten sicher zu stellen, kann die Kraft bereits während der Temperaturbeaufschlagung zum Erweichen der stabförmigen linearen Halbzeuge entlang der senkrecht zur Produktionsrichtung liegenden Kreuzungspunkte eingeleitet werden, sodass sich im Bereich der Kreuzungspunkte geringfügige Materialquetschungen an den linearen Halbzeugen einstellen, was als positiven Nebeneffekt eine leichtere Faltbarkeit der Halbzeuge an diesen Stellen mit sich bringen kann.

In den voran stehenden Passagen wurde ein Herstellungsverfahren zur Herstellung eines räumlichen Stabwerks beschrieben, bei dem sich die Geraden, an denen die zweidimensionale Gitterstruktur gefaltet wird, ganz allgemein ausgedrückt nicht schneiden. Um eine möglichst regelmäßige räumliche Gitterstruktur zu erzeugen, kann die Gitterstruktur jedoch selbstverständlich entlang paralleler (gedachter) Geraden mit einer Temperatur beaufschlagt werden und an selbigen Geraden die Kraft in die Gitterstruktur eingeleitet werden.

Um das Verformen der zweidimensionalen Gitterstruktur in die dritte Dimension zu erleichtern, können in einem weiteren Schritt Vorverformungen in die Halbzeuge entlang der temperaturbeaufschlagten Geraden in Richtung der später zu erzeugenden Verformung in Richtung der dritten Dimension eingeprägt werden. Dieses Einprägen von Vorverformungen kann in einem vollständig separaten Schritt mit einem eigens dafür vorgesehenen kantenförmigen Prägewerkzeug erfolgen; alternativ dazu können die Vorverformungen jedoch ebenfalls auch mit der verfahrbaren und beheizbaren Kante in die Halbzeuge eingeprägt werden. Da sich die stabförmigen linearen Halbzeuge in den einzelnen Lagen in den Kreuzungspunkten überkreuzen, sodass an diesen Stellen quasi eine doppelte Materialdicke vorliegt, lassen sich durch die Einprägungen von Vorverformungen im Bereich der Kreuzungspunkte diese Aufdickungen verringern oder im Falle von thermoplastischen Halbzeugen sogar gänzlich entfernen. Insbesondere können für thermoplatische Halbzeuge auch Schweißverfahren zu Fügen zum Einsatz kommen.

Um das Widerstandsmoment der auf diese Weise hergestellten räumlichen Stabwerkstruktur zu vergrößern, sodass diese in Bezug auf Biegeverformungen unempfindlicher reagiert, können in einem weiteren Verfahrensschritt Decklagen auf zumindest einer Seite des erzeugten räumlichen Stabwerks befestigt, beispielsweise aufgeklebt werden, sodass die Decklage an den in die dritte Dimension gezogenen Extrema der jeweiligen Seite des Stabwerks anliegt. Diese Decklagen nehmen somit die in Folge einer Biegemoment beanspruchung aufgebrachten Druck- und Zugkräfte auf, sodass sich das räumliche Stabwerk selbst nicht oder nur noch geringfügig bei einer Biegemomentbeanspruchung verformt.

Um diese Decklagen in Bezug auf Schubbeanspruchungen bzw. den zugehörigen Schubverformungen in Bezug auf das räumliche Stabwerk unempfindlich zu machen, und um insbesondere die übertragbaren Schubkräfte zu erhöhnen, können die Decklagen zusätzlich zu der angesprochenen Fixierung an den Extrema der jeweiligen Seite des Stabwerks mittels eines Nähverfahrens angenäht werden, wobei insbesondere Einseitnähverfahren zum Einsatz kommen können. Alternativ lassen sich die Decklagen auch an dem Stabwerk sichern, indem ein Sicherungskamm mit seinen Zinken durch das Stabwerk entlang seiner Extrema in die Decklagen eingepresst wird, wobei die Zinken abschließend in der Decklage infolge der Aushärtung eines Harzes fixiert werden.

Wie aus den voran stehenden Passagen hervorgeht, lässt sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines räumlichen Stabwerks gegenüber der Ausbildung einer Kernstruktur unter Verwendung von Hartschaumstoffen eine Reduktion der Kernstrukturdichten erreichen, da bei dem erfindungsgemäßen Verfahren auf derartige Hartschaumstoffe verzichtet werden kann. Zum anderen lässt sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine offene Struktur herstellen, welche sich dadurch auszeichnet, dass sie leicht drainiert, also belüftet oder entwässert werden kann. Darüber hinaus lassen sich in Folge der offenen Ausbildung der Struktur problemlos Kabel durch die Struktur hindurch legen, ohne dabei deren mechanische Integrität durch künstliche Kanäle schwächen zu müssen.

Im Unterschied zu Kernstrukturen unter Verwendung von Hartschaumstoffen verfügt die unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellte räumliche Stabstruktur fernerhin über einen größeren Bereich elastischer Verformung, sodass keine oder nur geringe plastischen Verformungsschäden zurückbleiben. Vielmehr können die einzelnen Stäbe in Form der gefalteten linearen Halbzeuge bei zu hoher Belastung elastisch ausknicken, wodurch sich eine verbessern Schadentoleranz erzielen lässt.

Dadurch, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren pultrudierte, extrudierte oder stranggezogene Geometrien eines definierten Querschnitts (dreieckig, viereckig, hexagonal, hohl, rohrförmig, rund) zum Einsatz kommen können, wird dem Konstrukteur oder Designer eine weitere Möglichkeit zur Modifikation des Knickverhaltens der einzelnen Stäbe des räumlichen Stabwerks gegeben, wodurch sich durch gezielte Auswahl definierter Stabgeometrien die Kernstruktureigenschaften gezielt verbessern lassen.

Da das Verfahren in einem kontinuierlichen Fließprozess erfolgen kann, lässt sich durch eine Veränderung der Fließ- bzw. Abzugsgeschwindigkeit durch die Modifikation der Winkel in der Gitterstruktur die Bildung von Rampen, Dichte- und Dickenunterschieden des räumlichen Stabwerks ermöglichen.

Dadurch, dass bei der Faltung der zweidimensionalen Gitterstruktur in eine dritte Dimension auf eine aus dem Stand der Technik bekannte Matrize-Stempel-Anordnung verzichtet wurde, kann die Flexibilität des Prozesses erhöht werden, da unter Verwendung von Matrize-Stempel-Anordnungen sowohl die Matrize als auch der Stempel gewechselt werden müssen, um den Faltwinkel und die Strukturhöhe variieren zu können. Unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens lässt sich eine derartige Veränderung der Faltwinkel sowie der Strukturhöhe unter Verwendung der in die dritte Dimension verfahrbaren beheizbaren Kante bewirken, in dem diese unterschiedlich tief in die Tiefe der dritten Dimension eingefahren wird.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. An dieser Stelle sei betont, dass die Zeichnungen lediglich zu Illustrationszwecken einer beispielhaften Ausführungsform dienen und insbesondere nicht als den Schutzbereich einschränkend aufgefasst werden dürfen. Es zeigt:
1 zeigt eine zweidimensionale Gitterstruktur aus stabförmigen linearen Halbzeugen;
2 erläutert das Einprägen von Vorverformungen in die Halbzeuge;
3 veranschaulicht das Einleiten der Kräfte in die Gitterstruktur, um diese in die dritte Dimension zu ziehen;
4 zeigt das Endprodukt eines räumlichen Stabtragwerks; und
5 erläutert das Aufbringen von Decklagen auf dem räumlichen Stabwerk; In sämtlichen Figuren hinweg sind gleiche oder einander entsprechende Elemente mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
BESCHREIBUNG EINER BEISPIELHAFTEN
AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG
Die 1 zeigt eine zweidimensionale Gitterstruktur 1, welche in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel aus zwei Gruppen linearer Halbzeuge 2 hergestellt wurde, wobei zunächst die erste Gruppe 2 angeordnet wurde, sodass sich die Halbzeuge parallel und beabstandet voneinander in einer ersten Lage erstrecken. Auf diese erste Lage wurde anschließend eine zweite Gruppe 3 stabförmiger linearer Halbzeuge 3 angeordnet, sodass sich die einzelnen stabförmigen linearen Halbzeuge 3 der zweiten Gruppe auf der ersten Lage 2 in einer zweiten Lage beabstandet und parallel zueinander erstrecken. Durch diese Anordnung der stabförmigen linearen Halbzeuge der ersten Gruppe 2 und der zweiten Gruppe 3 entsteht eine zweidimensionale Gitterstruktur 1, bei der sich die einzelnen stabförmigen linearen Halbzeuge der beiden Lagen in definierten Kreuzungspunkten 4 überkreuzen.
Bei den linearen Halbzeugen kann es sich beispielsweise um pultrudiertes (teilvernetztes) Duromermaterial, um extrudiertes Thermoplastmaterial, um stranggezogenes Metall oder auch um Keramiken, insbesondere Precursor-Keramiken handeln, wobei unterschiedliche Querschnittgeometrien zum Einsatz kommen können.
Um die Gestalt der so erzeugten Gitterstruktur für den später folgenden Verformungsschritt zu sichern, werden die beiden Lagen 2, 3 der stabförmigen linearen Halbzeuge an den Kreuzungspunkten 4 miteinander verbunden, was beispielsweise durch eine Temperaturbeaufschlagung und gegebenenfalls eine entsprechenden Krafteinwirkung entlang der in der 1 gestrichelt eingezeichneten Geraden 5, 6 erfolgen kann. Die Verbindung kann dabei in Produktionsrichtung 7 fortlaufend und nacheinander erfolgen. Dabei werden in Produktionsrichtung 7 nacheinander Kreuzungspunkte 4 gleichzeitig mit Temperatur beaufschlagt, welche auf einer im Wesentlichen senkrecht zur Produktionsrichtung 7 erstreckenden Geraden 5, 6 liegen. Durch diese Temperaturbeaufschlagung werden die linearen Halbzeuge an den Kreuzungspunkten 4 geringfügig erwärmt, sodass sie einen leichten Tack bekommen, also leicht klebrig werden und sich somit miteinander verbinden.
In einem weiteren Verfahrensschritt können anschließend die stabförmigen linearen Halbzeuge 2, 3 jeweils gruppenweise entlang dreier sich nicht schneidender Geraden 5, 6 erweicht werden, was beispielsweise ebenfalls durch eine lokale Temperaturbeaufschlagung der Gitterstruktur 1 erfolgen kann. Da bereits das Verbinden der stabförmigen linearen Halbzeuge an den Kreuzungspunkten 4 unter Temperatureinwirkung erfolgen kann, kann es sich anbieten, das Verbinden und Erweichen der stabförmigen linearen Halbzeuge in einen Schritt zusammen zu legen, sodass dementsprechend die Gitterstruktur 1 entlang dreier in der 1 gestrichelt eingezeichneter Geraden erweicht wird, welche senkrecht zur Produktionsrichtung 7 liegende Kreuzungspunkte 4 miteinander verbinden.
Um in dem später folgenden Verformungsschritt das Verformen der Gitterstruktur 1 in eine dritte Dimension zu erleichtern, können in einem Zwischenschritt Vorverformungen in die Halbzeuge 2, 3 eingeprägt werden, wie dies die 2 zeigt. Wie hieraus erkannt werden kann, werden in der Ansichtdarstellung der 2 kleine Kerben in die Gitterstruktur 1 eingeprägt, wobei sich die Kerben 9 jeweils in die Richtung erstrecken, in welche später die Gitterstruktur 1 in eine dritte Dimension gezogen wird. Die Kerben 9 liegen dabei gleichermaßen auf den zuvor angesprochenen Geraden 5, 6, entlang welcher die Gitterstruktur 1 zur Erweichung der stabförmigen linearen Halbzeuge 2, 3 mit einer Temperatur beaufschlagt wurde. Da das Erweichen der stabförmigen linearen Halbzeuge 2, 3 vorzugsweise so erfolgt, dass diese im Bereich der Kreuzungspunkte 4 mit Temperatur beaufschlagt werden, kann durch die Einprägung der hier angesprochenen Vorverformungen 9 mithin erreicht werden, dass die Materialaufdickungen im Bereich der Kreuzungspunkte 4 vermindert oder im Falle von thermoplastischen Halbzeugen sogar gänzlich entfernt werden können.
Wie unter Bezugnahme auf die 3 erkannt werden kann, wird in einem weiteren Verfahrensschritt eine Kraft F in die Gitterstruktur 1 entlang der mittleren von drei Temperatur beaufschlagten gedachten Geraden eingeleitet, wobei die eingeleitete Kraft F eine Verformung der Gitterstruktur 1 in eine dritte Dimension hervorruft, was zur Folge hat, dass die eingeleitete Kraft F in Kräftepaare von in den Halbzeugen wirkenden Zugkräften F' und F'' umgelenkt wird, wie dies im Zwischenstadium der 3 angedeutet ist. Diese Kräfte zerlegung bzw. Umlenkung ist in dem separaten Kräfteparallelogramm in der 3 anschaulich erläutert. Auf diese Weise werden somit in die Halbzeuge Zugkräfte eingeleitet, welche die Gitterstruktur entlang der mittleren temperaturbeaufschlagten Geraden in die dritte Dimension ziehen.
Wie der 3 fernerhin entnommen werden kann, wird die Gitterstruktur entlang der gewünschten Geraden 5, 6, welche später die Extrema der räumlichen Stabwerkstruktur darstellen sollen, zwischen Doppelbalken 10 eingeklemmt, welche gleichzeitig dreierlei Funktion erfüllen können. So können diese Doppelbalken 10 beheizbar und in die dritte Dimension verfahrbar ausgebildet werden. Somit lassen sich die einzelnen Lagen der stabförmigen linearen Halbzeuge 2, 3 der Gitterstruktur 1 unter Verwendung der Doppelbalken 7 miteinander verbinden, sofern diese entlang benachbarter Kreuzungspunkte 4 an der Gitterstruktur 1 angreifen. Durch eine Erwärmung der Doppelbalken 10 wird somit eine Temperatur auf die Gitterstruktur 1 bzw. die Kreuzungspunkte 4 aufgebracht, wodurch die stabförmigen linearen Halbzeuge 2, 3 an diesen Stellen erweichen und sich miteinander verbinden. Dieses Verbinden der stabförmigen linearen Halbzeuge 2, 3 an den Kreuzungspunkten 4 kann zusätzlich dadurch unterstützt werden, indem die Doppelbalken 10 gegeneinander zusammengepresst werden, wodurch in vorteilhafter Weise unerwünschte Materialaufdickungen an den Kreuzungspunkten 4 verringert werden können. Darüber hinaus können durch dieses Zusammenpressen der Doppelbalken 10 Vorverformungen 9 in die Halbzeuge in Richtung der später zu erzeugenden Verformung in Richtung der dritten Dimension eingeprägt werden, was das Verformen in Folge einer Krafteinleitung in die Gitterstruktur 1 erleichtern kann. Um letztendlich die Gitterstruktur in die dritte Dimension zu ziehen, kann über eine Kante 8 der Doppelbalken 10 eine Kraft in die Gitterstruktur entlang der Mittleren dreier temperaturbeaufschlagter Geraden 5, 6 in die Gitterstruktur eingeleitet werden, sodass sich die Gitterstruktur 1 in Folge der zuvor erläuterten Kräftezerlegung in die dritte Dimension verformt, wie dies in der 3 angedeutet ist. Um tatsächlich auch bei dieser Kräftezerlegung in Richtung der Halbzeuge definierte Zugkräfte F', F'' erzeugen zu können, klemmen die Doppelbalken 10 die Gitterstruktur entlang zweier Geraden 5 fest. Dabei sind die Doppelbalken 10 jedoch in der Ebene der Gitterstruktur 1 verfahrbar, wie dies in 3 durch die Pfeile angedeutet ist, so dass sie sich infolge der Kraftbeauschlagung F in Richtung der mittleren Geraden 6 verschieben bzw. gezogen werden. Die Doppelbalken 10 setzten dabei der Verschiebung eine Gegenkraft entgegen, so dass in gezielter Art und Weise die Zugkräfte F' und F'' hervorgerufen werden können.
Wie aus den voranstehenden Erläuterungen ersichtlich wird, kann das Verbinden der stabförmigen linearen Halbzeuge an den Kreuzungspunkten 4, das Erweichen der stabförmigen linearen Halbzeuge 2, 3 und das Krafteinleiten in einem gemeinsamen Schritt unter Verwendung der verfahrbaren und beheizbaren Doppelbalkenanordnung 10 erfolgen, wobei die genannten Schritte in Produktionsrichtung 7 betrachtet fortschreitend und in einem kontinuierlichen, sich wiederholenden Prozess durchgeführt werden können.
Das erfindungsgemäße Verfahren, bei dem eine Kraft F in die Gitterstruktur 1 entlang einer mittleren und dreier temperaturbeaufschlagter Geraden 5, 6 in die Gitterstruktur 1 eingeleitet wird, zeichnet sich insbesondere durch seine Flexibilität gegenüber bekannten Umformverfahren unter Verwendung von Matrize und Stempel aus. So lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren räumliche Stabwerke variierender Dichte und Dicke erzeugen, indem die Doppelbalkenanordnung 10 bzw. die Kante 8 unterschiedlich tief in die dritte Dimension eingefahren wird, wodurch sich die Dickenabmessung des räumlichen Stabwerks beeinflussen lässt. Es muss somit nicht aufwändig eine Matrizen-Stempel-Anordnung ausgetauscht werden, um unterschiedlich dicke räumliche Stabwerke zu erzeugen.
Die 4 zeigt das unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellte räumliche Stabwerk. Durch die Umformung der in der 1 gezeigten zweidimensionalen Gitterstruktur 1 kann eine sich periodisch wiederholende räumliche Gitterstruktur erzeugt werden, welche sich aus einer Vielzahl vierseitiger Pyramiden zusammensetzt. Hierbei werden die Pyramidenspitzen durch die Kreuzungspunkte 4 der einst zweidimensionalen Gitterstruktur 1 gebildet, welche in Folge der Temperaturbeaufschlagung und Krafteinleitung entlang benachbarter Kreuzungspunkte 4 nach dem Umformvorgang die das räumliche Stabwerk seitlich begrenzenden Extrema bilden. Zur Veranschaulichung sind in der 4 nochmals drei Geraden 5, 6 angedeutet, entlang derer die einst zweidimensionale Gitterstruktur 1 durch lokale Temperaturbeaufschlagung an den Kreuzungspunkten 4 erweicht wurde, um in Folge einer Krafteinleitung in die Gitterstruktur entlang der mittleren der temperaturbeaufschlagten Geraden die zweidimensionale Gitterstruktur 1 in die dritte Dimension zu ziehen.
Die 5 beschreibt abschließend einen optionalen Verfahrensschritt, bei dem beiderseits des erzeugten räumlichen Stabwerks eine Decklage 11 appliziert wird, sodass diese punktuell an den erzeugten Pyramidenspitzen anliegt. Um die Decklagen 11 an dem räumlichen Stabwerk zu befestigen, können die Decklagen an den Pyramidenspitzen verklebt werden. Da die Klebefläche an den Pyramidenspitzen jedoch nur gering ist, können die Decklagen 11 an den Extrema der räumlichen Stabwerksstruktur in Form der Pyramidenspitzen zusätzlich angenäht werden, wobei vorzugsweise ein Einseitnähverfahren zum Einsatz kommen kann, wie dies in der 5 durch die schematisch angedeuteten Nähstiche 12 veranschaulicht wird.
Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass „umfassend" keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „eine" oder „ein" keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.

1: Gitterstruktur (2-dim)
2: Stabförmige lineare Halbzeuge (erste Gruppe, erste Lage)
3: Stabförmige lineare Halbzeuge (zweite Gruppe, zweite Lage)
4: Kreuzungspunkte
5: Geraden (erste Gruppe)
6: Geraden (zweite Gruppe)
7: Produktionsrichtung
8: Kante (verfahrbar, beheizbar)
9: Vorverformung, Kerbe
10: Doppelbalken
11: Decklage
12: Nähstich

Claims

Verfahren zur Herstellung eines räumlichen Stabwerks mit den Schritten: – Herstellen einer zweidimensionalen Gitterstruktur (1) aus stabförmigen linearen Halbzeugen (2, 3), bei der sich die Halbzeuge (2, 3) an definierten Kreuzungspunkten (4) überkreuzen; – Verbinden der stabförmigen linearen Halbzeuge (2, 3) an den Kreuzungspunkten (4); – Erweichen der stabförmigen linearen Halbzeuge (2, 3) durch lokale Temperaturbeaufschlagung der Gitterstruktur entlang jeweils dreier sich nicht schneidender Geraden (5, 6); – Einleiten einer Kraft (F) in die Gitterstruktur (1) entlang der mittleren der temperaturbeaufschlagten Geraden (5, 6), wobei die eingeleitete Kraft (F) infolge einer Verformung der Gitterstruktur (1) in Kräftepaare von in den Halbzeugen (2, 3) wirkenden Zugkräfte (F', F'') umgelenkt wird, wodurch die Gitterstruktur (1) entlang der mittleren temperaturbeaufschlagten Geraden (5, 6) in eine dritte Dimension gezogen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Verbinden der stabförmigen linearen Halbzeuge (2, 3) an den Kreuzungspunkten (4), das Erweichen der stabförmigen linearen Halbzeuge (2, 3) und das Krafteinleiten in einem kontinuierlichen Fließprozess erfolgt, bei dem die genannten Schritte in einer Produktionsrichtung (7) fortschreitend in einem kontinuierlichen, sich wiederholenden Prozess durchgeführt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das Krafteinleiten während dem Temperaturbeaufschlagen der Gitterstruktur (1) entlang der drei sich nicht schneidender Geraden (5, 6) erfolgt.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das Temperaturbeaufschlagen so erfolgt, dass senkrecht zur Produktionsrichtung (7) liegende Kreuzungspunkte (4) gleichzeitig mit Temperatur beaufschlagt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei das Verbinden der stabförmigen linearen Halbzeuge (2, 3) an den Kreuzungspunkten (4) während und durch das gleichzeitige Temperaturbeaufschlagen der senkrecht zur Produktionsrichtung (7) liegende Kreuzungspunkte (4) erfolgt.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, wobei eine dreidimensionale Faltstruktur erzeugt wird, indem in dem kontinuierlichen, sich wiederholenden Prozess nacheinander eine Kraft in die Gitterstruktur (1) entlang jeder zweiten temperaturbeaufschlagten Geraden (5, 6) eingeleitet wird, welche die Halbzeuge bis in eine gewünschte Tiefe in die dritte Dimension zieht.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Kraft und die Temperatur auf die Halbzeuge (2, 3) mittels einer in die dritte Dimension verfahrbaren und beheizbaren Kante (8) aufgebracht wird.
Verfahren gemäß Anspruch 7, wobei die Kante (8) zur Erzeugung einer variablen Dicke des Stabwerks unterschiedlich tief in die Tiefe der dritten Dimension eingefahren wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 4 bis 8, wobei das Verbinden der stabförmigen linearen Halbzeuge (2, 3) an den Kreuzungspunkten (4) erfolgt, indem die Kraft während der Temperaturbeaufschlagung zum Erweichen der stabförmigen linearen Halbzeuge (2, 3) entlang der senkrecht zur Produktionsrichtung (7) liegenden Kreuzungspunkte (4) eingeleitet wird.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das Temperaturbeaufschlagen der Gitterstruktur (1) entlang paralleler Geraden (5, 6) erfolgt.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, mit dem weiteren Schritt: – Einprägen von Vorverformungen (9) in die Halbzeuge (2, 3) entlang der temperaturbeaufschlagten Geraden (5, 6) in Richtung der später zu erzeugenden Verformung in Richtung der dritten Dimension.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, mit dem weiteren Schritt: – Befestigen von Decklagen (11) auf zumindest einer Seite des erzeugten räumlichen Stabwerks, so dass die Decklage (11) an den in die dritte Dimension gezogenen Extrema der jeweiligen Seite des Stabwerks anliegt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Befestigen der Decklagen an den Extrema der jeweiligen Seite des Stabwerks mittels eines Einseitnähverfahrens (12) erfolgt.
Stabtragwerk für eine Sandwichkonstruktion, wobei das Stabtragwerk nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13 hergestellt ist.
Flugzeug mit einem Strukturbauteil in Form eines Kernverbunds, dessen Kernstruktur unter Verwendung des Verfahrens gemäß einem de Ansprüche 1 bis 13 hergestellt worden ist.