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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Versteifungselement für ein Luft-
oder Raumfahrzeug und ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen
Versteifungselements für
ein Luft- oder Raumfahrzeug.
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Obwohl
auf beliebige Versteifungselemente anwendbar, werden die vorliegende
Erfindung sowie die ihr zugrunde liegende Problematik in Bezug auf Spanten
zur Versteifung einer Rumpfschale eines Flugzeugs näher erläutert.
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Üblicherweise
werden Rumpfschalen für Flugzeuge
in so genannter Leichtbauweise aus einer Außenhaut hergestellt, die an
der Innenseite durch eine zweidimensionale Struktur aus in Längsrichtung des
Flugzeugs verlaufenden Stringern und quer zur Längsrichtung des Flugzeugs verlaufenden
Spanten als Versteifungselementen verstärkt ist.
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Als
herkömmliches
Material für
Außenhaut, Stringer
und Spanten werden dabei seit Jahrzehnten Aluminium und Aluminiumlegierungen
verwendet. Diese werden jedoch zunehmend durch Faserverbundwerkstoffe,
insbesondere durch kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff (CFK) ersetzt,
da hierdurch bei gleicher Festigkeit und Steifigkeit des Flugzeugrumpfs
ein geringeres Gesamtgewicht des Flugzeugs und damit ein geringerer
Energieverbrauch im Flugbetrieb erzielt werden kann. Weitere Vorteile
der Faserverbundwerkstoffe gegenüber
Aluminiumwerkstoffen sind geringe Materialermüdung und die Abwesenheit von
Korrosion.
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Zur
Verarbeitung von Faserverbundwerkstoffen sind jedoch Techniken notwendig,
die sich oft grundlegend von den zur Verarbeitung von Aluminiumwerkstoffen
eingesetzten Techniken unterscheiden. Beispielsweise lassen sich
Aluminiumspanten für
Rumpfsektionen unterschiedlichen Durchmessers durch Biegen eines
Strangpressprofils in die jeweils gewünschte Krümmung und anschließendes Befräsen in die
präzise
Zielform herstellen. Zur Herstellung entsprechend unterschiedlich
geformter Spanten aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff muss jedoch eine
Vielzahl jeweils entsprechend unterschiedlich geformter Laminiervorrichtungen
bereitgestellt werden, in denen Fasergelege drapiert und mit Epoxidharz
in der jeweils gewünschten
Zielform laminiert werden können.
Dies erfordert neben erhöhten
Investitionskosten einen erheblichen logistischen Aufwand, der sich
in hohen Herstellungskosten niederschlägt.
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Um
durch weitgehenden Einsatz von kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff
das Gesamtgewicht des Flugzeugs senken zu können, gleichzeitig aber die
Herstellungskosten zu begrenzen, ist es daher sinnvoll, Spante aus
einem Aluminiumwerkstoff in Verbindung mit einer Außenhaut
und/oder Stringern aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff zu verwenden.
Hierbei ergibt sich das Problem, dass zwischen Aluminium und kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff
ein elektrochemisches Potenzial besteht, das bei Kontakt zwischen
den beiden Werkstoffen zu Korrosion auf Seiten des Aluminiums führt.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Versteifungselement
zu schaffen, wobei insbesondere bei geringem Gewicht und geringen
Herstellungskosten eine dauerhafte und korrosionsbeständige Verbindung
mit einer zu versteifenden Struktur aus einem Faserverbundwerkstoff
erreicht werden soll.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch Versteifungselement mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1 oder durch ein Verfahren zur Herstellung eines Versteifungselements
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12 gelöst.
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Demgemäß wird ein
Versteifungselement, insbesondere für ein Schalenbauteil eines
Luft- oder Raumfahrzeugs bereitgestellt, das einen Versteifungsprofilteil
und einen Fußteil
umfasst. Das Versteifungsprofilteil weist dabei einen Leichtmetallwerkstoff
und das Fußteil
einen hochkorrosionsbeständigen
Werkstoff auf.
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Ferner
wird ein Verfahren zur Herstellung eines Versteifungselements, insbesondere
für ein Schalenbauteil
eines Luft- oder Raumfahrzeugs bereitgestellt. Die Verfahrensschritte
werden im Folgenden kurz beschrieben. Zunächst werden ein Versteifungsprofilhalbzeug
aus einem Leichtmetallwerkstoff und ein Fußteil aus einem hochkorrosionsbeständigen Werkstoff
bereitgestellt. Daraufhin werden das Fußteil und das Versteifungsprofilhalbzeug
stoffschlüssig
verbunden. Anschließend
wird das Versteifungsprofilhalbzeug mit dem Fußteil einer spanenden Bearbeitung
in eine Zielform des Versteifungselements unterzogen.
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Die
der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin,
dass ein hybrides Versteifungselement bereitgestellt wird, das die
Vorzüge des
Leichtmetallwerkstoffs und des hochkorrosionsfesten Werkstoffs in
sich vereint. Dadurch, dass der Fußteil, der auf der zu versteifenden
Struktur aufsetzt, aus dem hochkorrosionsfesten Werkstoff besteht,
besteht keine Gefahr der Korrosion. Gleichzeitig ist dadurch, dass
das Versteifungsprofilteil aus einem Leichtmetallwerkstoff besteht,
gewährleistet, dass
bei der leichten Verarbeitbarkeit eines Metalls und entsprechend
kostengünstiger
Herstellung die versteifende Funktion des Versteifungselements bei geringem
Gewicht erreicht wird. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird zudem erreicht,
dass das Verstei fungselement gemäß einer
präzisen
Zielform gefertigt werden kann.
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In
den Unteransprüchen
finden sich vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der
Erfindung.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung ist der Fußteil als Profilteil, insbesondere
als ein L- oder T-Profilteil ausgebildet. Hierdurch wird ermöglicht, über die
Fußfläche der
jeweiligen Profile eine feste Verbindung, z.B. durch Verkleben,
mit der zu versteifenden Struktur zu erreichen.
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Bevorzugt
ist der hochkorrosionsbeständige Werkstoff
als Metallwerkstoff und insbesondere als Titan oder eine Titanlegierung
ausgebildet. Dies ist besonders vorteilhaft, da Titan an der Luft
eine äußerst beständige oxidische
Schutzschicht bildet, die Korrosion effektiv verhindert. Da sich
diese Schutzschicht bei mechanischer Verletzung zudem innerhalb
von Minuten oder sogar Sekunden neu bildet, besteht auch keine Gefahr,
durch leichte, mechanische Beschädigungen
Korrosion auszulösen.
Durch die hohe mechanische Stabilität von Titan wird eine dauerhafte
mechanische Anbindung an die zu versteifende Struktur erreicht.
Titan ist außerdem
im Verhältnis
zur seiner mechanischen Stabilität
relativ leichtgewichtig, so dass es zu keiner wesentliche Gewichtserhöhung des
gesamten Versteifungselements kommt.
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Gemäß einer
weiter bevorzugten Weiterbildung ist der Leichtmetallwerkstoff als
Aluminium oder eine Aluminiumlegierung ausgebildet. Hierdurch wird im
Vergleich eines z.B. insgesamt aus Titan gefertigten Versteifungselements
ein geringeres Gewicht erreicht. Geht man von einer im gegenwärtigen Flugzeugbau üblichen
Dicke von Aluminiumspanten von etwa 2 mm aus, so könnte diese
Dicke aus mechanischen Gründen
auch angesichts der gegenüber
Aluminium erhöhten
Stabilität
von Titan nicht wesentlich verringert werden, was ein höheres Gewicht
zur Folge hätte.
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Gemäß einer
weiter bevorzugten Weiterbildung weist der Versteifungsprofilteil
eine Nut auf, in die der Fußteil
eingesteckt ist. Dies hat den Vorteil, dass eine präzise Verbindung
zwischen den beiden Teilen erreicht wird, die aufgrund ihrer Formschlüssigkeit
Druck- und Scherkräfte
zuverlässig
aufnimmt. Dadurch, dass die Nut und eine entsprechende Materialverdickung
zu beiden Seiten der Nut im Leichtmetallwerkstoff vorgesehen ist,
wird ein geringeres Gewicht erreicht, als wenn dies in vertauschter
Geometrie im hochkorrosionsbeständigen
Werkstoff der Fall wäre.
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Bevorzugt
sind der Versteifungsprofilteil und der Fußteil durch eine stoffschlüssige Verbindung, insbesondere
durch eine Schweißverbindung,
miteinander verbunden. Hierdurch wird eine dauerhafte Verbindung
zwischen den beiden Teilen erreicht, die auch auf Zug belastet werden
kann.
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Gemäß einer
weiter bevorzugten Weiterbildung wird ein Schalenbauteil, insbesondere
für ein Luft-
oder Raumfahrzeug, bereitgestellt. Das Schalenbauteil umfasst ein
Hautfeld sowie ein Versteifungselement gemäß wenigstens einer der vorstehend
beschriebenen Ausführungen,
wobei das Versteifungselement über
den Fußteil
mit dem Hautfeld verbunden ist. Hierdurch wird ein kostengünstiges Schalenbauteil
bereitgestellt, bei dem für
das Hautfeld beliebige Werkstoffe gewählt werden können, beispielsweise
um bestimmte mechanische Eigenschaften zu erreichen, ohne dass es
zu Korrosion an der Verbindungsfläche kommen kann.
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Bevorzugt
weist das Hautfeld einen Faserverbundwerkstoff auf, der insbesondere
als kohlenstofffaserverstärkter
Kunststoff ausgebildet ist. Diese Ausführungsform ist besonders vorteilhaft,
da das Schalenbauteil ein besonders geringes Gewicht, niedrige Herstellungskosten
bei großer
Flexibilität
in der Formgestaltung und Korrosionsbeständigkeit in sich vereint.
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Gemäß einer
weiter bevorzugten Weiterbildung umfasst das Hautfeld mindestens
einen im Wesentlichen senkrecht zum Versteifungselement verlaufenden
Stringer. Mit anderen Worten bilden der Stringer und das die Rolle
eines Spants übernehmende
Versteifungselement eine zweidimensionale Struktur, die das Hautfeld
verstärkt.
Das Versteifungselement weist eine Aussparung für den Stringerdurchgang auf,
die geometrisch so gestaltet ist, dass der hindurchgehende Stringer
berührungslos zum
Versteifungsprofilteil ist. Dies hat den Vorteil, dass der Stringer
nicht mit dem Leichtmetallwerkstoff des Versteifungsprofilteils
in Berührung
kommen und so Korrosion auslösen
kann.
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Gemäß einer
weiter bevorzugten Weiterbildung ist der Fußteil des Versteifungselements
mit dem Stringer verbunden. Dies ist besonders vorteilhaft, da das
Schalenbauteil durch die vergrößerte Kontaktfläche zwischen
dem Versteifungselement und der versteiften Struktur eine hohe mechanische Steifheit
aufweist. Gleichzeitig wird Korrosion effektiv verhindert, da der
Kontakt durch das den hochkorrosionsbeständigen Werkstoff aufweisende
Fußteil
hergestellt ist.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind zwei weitere Verfahrensschritte
vorgesehen sind. In einem der Schritte wird eine Nut im Versteifungsprofilhalbzeug ausgearbeitet,
und zwar durch teilweise spanende Bearbeitung des Versteifungsprofilhalbzeugs
im Bereich der Nut. In dem weiteren Schritt wird das Fußteil in
die Nut eingesteckt. Durch diese zusätzlichen Schritte wird eine
größere mechanische
Stabilität
erreicht als durch das stoffschlüssige
Anbinden allein. Außerdem
wird das Fußteil
durch das Einsetzen in die Nut provisorisch fixiert, was die Ausführung der stoffschlüssigen Verbindung
erleichtert und mögliches
Verziehen während
des Schritts des stoffschlüssigen
Verbindens vermeidet.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung wird der Fußteil als Fußprofilhalbzeug
bereitgestellt wird, analog zum Bereitstellen des Versteifungsprofilteils
als Versteifungsprofilhalbzeug. Das spanende Bearbeiten in die Zielform
des Versteifungselements erstreckt sich hierbei sowohl auf das Versteifungsprofilhalbzeug
als auch auf das Fußprofilhalbzeug. Auf
diese Weise kann eine besonders präzise Zielform erreicht werden,
da selbst dann, wenn der Fußteil
sich während
des Schritts des stoffschlüssigen Verbindens
verziehen sollte, dies durch die abschließende spanende Bearbeitung
vollständig
ausgeglichen würde.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung erfolgt das stoffschlüssige Verbinden als Verschweißen, insbesondere
mit einer Doppelkehlnaht. Auf diese Weise wird eine besonders hohe
mechanische Stabilität
der Verbindung erreicht.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf die beiliegenden Figuren der Zeichnung näher erläutert.
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Von
den Figuren zeigen:
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1 eine
perspektivische Darstellung eines Ausschnitts eines Versteifungselements
gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung;
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1A eine
vergrößerte Querschnittsdarstellung
aus 1;
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2 eine
schematische Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines
Versteifungselements gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung; und
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3 eine
perspektivische Sicht auf einen Ausschnitt der Innenseite eines
Schalenbauteils gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung.
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In
den Figuren bezeichnen dieselben Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche
Komponenten, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.
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1 zeigt
eine perspektivische Darstellung eines Ausschnitts eines Versteifungselements
gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung. Bei dem gezeigten Versteifungselement 100 handelt
es sich um einen Spant, wie er beispielsweise zur Versteifung einer
aus einer mit im Wesentlichen parallel verlaufenden Stringern versehenen
Außenhaut
eines Flugzeugs geeignet ist. Zur Durchführung der Stringer durch den
Spant 100 sind dabei im Fußbereich Aussparungen 110 vorgesehen.
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Zur
Verdeutlichung des Aufbaus des Spants 100 ist ein angeschnittener
Bereich A in 1A in Querschnittsdarstellung
vergrößert wiedergegeben. Wie
aus der Querschnittsdarstellung ersichtlich, ist der Spant 100 aus
zwei Teilen 102, 104 zusammengesetzt, die zur
Kennzeichnung unterschiedlicher Werkstoffe in der Querschnittsdarstellung
unterschiedlich eingefärbt
sind.
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Ein
aus Aluminium bestehender Versteifungsprofilteil 102 ist
mit dunkler Farbe gekennzeichnet. Er weist im Wesentlichen ein L-förmiges Profil auf,
an der in der Mitte des Spantprofils ein Versteifungsgurt 112 ausgebildet
ist. Am unteren Rand des Versteifungsprofilteils 102 ist
eine Nut 106 ausgebildet, in die ein Fußteil 104 eingesetzt
ist.
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Der
aus Titan bestehender Fußteil 104 ist
zur Verdeutlichung des Werkstoffs in heller Farbe dargestellt. Er
hat ebenfalls das Profil eines „L", das in Verbindung mit dem L-Profil
des Versteifungsprofilteils 102 insgesamt ein U-förmiges Profil
des Versteifungselements bildet. Das Fußteil 104 ist mittels
einer Schweißverbindung
mit einer Doppelkehlnaht 108 mit dem Versteifungsprofilteil 102 fixiert.
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2 zeigt
eine schematische Darstellung der Schritte eines Verfahrens zur
Herstellung eines Versteifungselements gemäß einer Ausführungsform der
Erfindung, z.B. des in 1 gezeigten Spants.
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In
einem ersten Schritt A wird ein Versteifungsprofilhalbzeug 200 aus
Aluminium und ein Fußteil 104 aus
Titan bereitgestellt. Innerhalb der Darstellung des Versteifungsprofilhalbzeugs 200 ist
in dunkler Farbe eine Zielform 202 markiert, in die das Halbzeug
in mehreren Schritten spanend bearbeitet werden soll. Der schraffierte
Bereich markiert die zu entfernende Bearbeitungszugabe.
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In
Schritt B wird ein Teil der schraffiert dargestellten Bearbeitungszugabe
des Versteifungsprofilhalbzeugs 200 entfernt. Dabei wird
insbesondere eine in der Zielform 202 vorgesehene Nut 106 ausgebildet.
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In
Schritt C wird der Fußteil 104 in
die Nut 106 des teilweise spanend bearbeiteten Versteifungsprofilhalbzeugs 200 eingesteckt.
Dadurch ist der Fußteil 104 mit
dem Versteifungsprofilhalbzeug 200 provisorisch fixiert.
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In
Schritt D werden der Fußteil 104 und
das teilweise spanend bearbeitete Versteifungsprofilhalbzeug 200 miteinander
verschweißt.
Hierdurch erfolgt eine dauerhafte Verbindung. Durch die beim Schweißen zugeführte Wärme kann
es dabei zu einem geringfügigen,
hier nicht dargestellten Verziehen der verschweißten Teile 104, 200 kommen.
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In
Schritt E wird durch abschließende
spanende Bearbeitung der Rest der schraffiert dargestellten Bearbeitungszugabe
entfernt. Dabei wird die spanende Bearbeitung möglichst so durchgeführt, dass
sie sich an der Lage des Fußteils 104 orientiert und
von diesem ausgehend die Zielform 202 definiert. Falls
es in Schritt D zu einem Verziehen der Teile 104, 200 gegeneinander
gekommen sein sollte, wird dies somit ausgegli chen, so dass das
gewünschte
Profil des resultierenden Versteifungselements mit hoher Präzision erreicht
wird.
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3 zeigt
eine perspektivische Sicht auf einen Ausschnitt einer Innenfläche 301 einer
Außenhaut 302 eines
Flugzeugs. Auf der Innenfläche 301 sind
parallel verlaufende Stringer 304 befestigt, die das Schalenbauteil
in Längsrichtung
des Flugzeugs versteifen. Die Stringer 304 sind so genannte
T-Stringer, die
einen auf der Innenfläche 301 aufliegenden und
mit ihr z.B. durch Verkleben verbundenen Fuß 306 und einen Stegabschnitt 308 aufweisen,
der sich im Wesentlichen senkrecht zur Außenhaut 302 erstreckt.
Sowohl die Außenhaut 302 als
auch die Stringer 304 sind aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff
gefertigt.
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In
Querrichtung zu den Stringern 304 verläuft ein Spant 100,
der in Hybridbauweise aus einem Fußteil 104 aus Titan
und einem Versteifungsprofilteil 102 aus Aluminium zusammengefügt ist.
Beide Teile sind mit einer Schweißnaht 108 miteinander
verschweißt.
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Das
Fußteil 104 ist
stufenartig ausgebildet, so dass es sowohl an Abschnitten der Innenfläche 301 als
auch an Fußabschnitten 308 der
Stringer 304 flächig
anliegt. Dabei weist der Fußteil 104 Aussparungen 110 auf,
durch die Stringer 304 unter dem Spant 100 hindurchgeführt sind.
Die Form und Anordnung der Aussparungen 110 ist derart,
dass es zu keiner Berührung
zwischen dem Versteifungsprofilteil 102 und den Stringern 304 kommt,
mithin zu keiner durch die unterschiedlichen elektrochemischen Potenziale
von kohlenstofffaserverstärktem
Kunststoff und Aluminium bedingten Korrosion des Aluminiums.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele
vorliegend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern
auf vielfältige
Weise modifizierbar.
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Beispielsweise
ist die Geometrie der Spanten und der Stringer auf vielfältige Art
und Weise modifizierbar. So können
Fuß- und/oder Versteifungsprofilteil
z.B. auch ein T-förmiges
Profil aufweisen. Es können
auch Stringer anderer Profile wie z.B. L-Stringer verwendet werden.
Die Aussparungen im Spant für
die Durchführung
der Stringer können
sich auch bis in den Versteifungsprofilteil erstrecken, so dass der
Fußteil
durch die Aussparungen in nicht zusammenhängende Abschnitte geteilt ist.
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Fuß- und Versteifungsprofilteil
können
anstatt mit einer Nut auf andere Weise zusammengefügt sein,
z.B. durch ineinander passende Verzahnungen oder Zapfen.
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Der
Begriff „Versteifungselement" bezieht sich auf
Versteifungselemente jeder Art, also auch auf Stringer.
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- 100
- Versteifungselement
- 102
- Versteifungsprofilteil
- 104
- Fußteil
- 106
- Nut
- 108
- Schweißnaht
- 110
- Aussparungen
- 112
- Versteifungsgurt
- 200
- Versteifungsprofilhalbzeug
- 202
- Zielform
- 300
- Hautfeld
- 301
- Innenfläche
- 304
- Stringer
- 306
- Stegabschnitt
eines Stringers
- 308
- Fußabschnitt
eines Stringers
- A
- Bereitstellen
- B
- Ausbilden
einer Nut
- C
- Einstecken
des Fußteils
- D
- Stoffschlüssiges Verbinden
- E
- Endbearbeitung