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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine hochporöse Struktur mit einer intumeszierenden
Beschichtung, die als Brandschott im Flugzeugbau verwendet werden
kann, sowie die Herstellung eines derartigen Brandschotts.
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Die
Anforderungen an Materialien, die im modernen Flugzeugbau eingesetzt
werden, steigen durch ständig
neue Regularien und veränderte
Anforderungen an die Flugzeuge fortlaufend. So werden beispielsweise
die Anforderungen, die an das Flugzeug nach einer Bruchladung gestellt
werden, bei der ein Feuer ausbricht, einem sogenannten Post-Crash-Fire,
durch neue Regularien strenger. Die Insassen müssen über einen vorherbestimmten Zeitraum
vor von außen
angreifenden Flammen ausreichend lange geschützt werden, um ein Evakuieren des
Passagierraumes zu ermöglichen.
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Der
verbesserte Schutz des Passagierraumes kann durch eine Verstärkung des
Rumpfes sowie auch der Sekundärstruktur
erfolgen. Zumeist ist dies jedoch mit einer Erhöhung des Gewichts verbunden.
Eine Gewichtszunahme ist hingegen insbesondere beim Flugzeugbau
unerwünscht.
Vor allem der aus leichten Materialien wie Glasfasern und Phenolharzen
hergestellte Gepäckraum
im unteren Bereich eines Flugzeuges bietet nur einen geringen Schutz gegenüber von
außen
angreifenden Flammen. Um hier den Schutz des Passagierraums zu verbessern, können zusätzliche
Brandschotts eingeführt
werden. Diese Brandschotts werden zwischen dem unteren Bereich des
Passagierraumes und dem Gepäckraum angebracht.
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Brandschotts,
die in diesem Bereich angebracht werden sollen, müssen jedoch
besondere Erfordernisse erfüllen.
Zum einen müssen
sie im Brandfall einen wirkungsvollen Schutz des Passagierraumes
bereitstellen. Zum anderen muss die freie Luftzirkulation um den
Gepäckraum
sichergestellt werden. Dies ist insbesondere bei einem plötzlichen Druckabfall
im Flugzeug notwendig. Kann eine hohe Luftzirkulation nicht gewährleistet
werden, besteht die Gefahr, dass bei einem plötzlichen Druckabfall Aufgrund
einer Beschädigung
der Außenhaut
des Flugzeugs das Flugzeug durch die großen Druckdifferenzen, die nicht
schnell genug ausgeglichen werden können, auseinander gerissen
wird.
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Die
bisher im Flugzeug als Brandschotts eingesetzten Strukturen bestehen
im wesentlichen aus mechanischen Klappstrukturen, die sich im Brandfall schließen, oder
aus kaskadenförmig
angeordneten Abweiserblechen.
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Dabei
besitzen Klappstrukturen den Nachteil, dass sie sich bei komplizierten
Geometrien nur schwer realisieren lassen und zudem ein hohes Gewicht
mitbringen und aufgrund ihrer Mechanik anfällig für Fehlfunktionen oder Ausfälle sind.
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Kaskadenförmig angeordnete
Abweiserbleche besitzen den Nachteil, dass sie die unterschiedlichen
Bereiche nicht vollständig
trennen können.
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Eine
Konstruktion, die normalerweise eine hohe Luftdurchlässigkeit
gewährleistet,
die jedoch gleichzeitig im Brandfall wirkungsvoll als Brandschott dienen
kann, und dabei ein geringes Gewicht erreicht, kann durch keine
der beiden bekannten Arten von Brandschotts, wie sie bisher im Flugzeugbau
verwendet werden, bereitgestellt werden.
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Die
vorliegende Erfindung besitzt daher die Aufgabe, ein Material bereitzustellen,
das eine hohe Luftdurchlässigkeit
be sitzt, das jedoch im Brandfall als Brandschott dienen kann und
zudem ein geringes Gewicht besitzt.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch einen Brandschott mit den Merkmalen gemäß Anspruch
1 beziehungsweise durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch
11 gelöst.
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Ein
erster Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft einen Brandschott,
umfassend eine hochporöse
Struktur mit intumeszierender Beschichtung, wobei die hochporöse Struktur
ein retikulierter Schaumstoff oder eine hochporöse Hütchen- oder Noppenstruktur
ist. Die hochporöse
Struktur muss dabei verschiedene Aufgaben erfüllen.
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Zum
einen muss die hochporöse
Struktur für Gase,
wie beispielsweise Luft, sehr gut durchlässig sein. Durch eine hohe
Durchlässigkeit
für Gase
wird gewährleistet,
dass Gase, wie beispielsweise Luft, ungehindert durch die hochporöse Struktur
strömen kann.
Die hochporöse
Struktur stellt kein Hindernis für
ein strömendes
Gas, insbesondere ein schnell strömendes Gas, dar. Dies ist insbesondere
bei einem Druckabfall im Flugzeug wichtig, um ein Bersten des Flugzeugs
zu vermeiden. Idealerweise stellt die hochporöse Struktur einem Luftstrom
keinen oder keinen nennenswerten Widerstand entgegen.
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Zum
zweiten soll die hochporöse
Struktur kein nennenswertes Gewicht besitzen. Insbesondere beim
Flugzeugbau ist höchstes
Augenmerk auf die Gewichtsersparnis zu legen. Strukturen, die bei
einem geringen Gewicht gleichzeitig noch eine tragende Funktion übernehmen
können,
werden im Flugzeugbau bevorzugt eingesetzt.
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Ein
weiteres, wichtiges Merkmal, das die hochporöse Struktur erfüllen muss,
ist das Tragen einer intumeszierenden Beschichtung. Die intumeszierende
Beschichtung muss leicht auf die hochporöse Struktur aufgebracht werden
können.
Insbesondere im intumeszierten Zustand, d.h. im Brandfall, wenn aus der
intumeszierenden Beschichtung ein Thermoschaum geworden ist, muss
die hochporöse
Struktur der aufgeblähten,
d.h. intumeszierten oder aufgeblähten,
Beschichtung ausreichend Halt und Festigkeit verleihen, damit diese
durch den Flammdruck an Ort und Stelle gehalten werden kann. Die
Flammen sollen durch den Druck, den sie aufbauen, den Thermoschaum
nicht von der Struktur lösen
und damit die Struktur und den Schaum trennen, da dann eine wirkungsvolle
Eindämmung
der Flammen nicht möglich ist.
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Besonders
vorteilhaft ist hierbei ein retikulierter metallischer Schaumstoff
als hochporöse
Struktur. Ein retikulierter Schaumstoff unterscheidet sich maßgeblich
in seinen Eigenschaften von einem normalen Schaumstoff. Beim Retikulieren
eines Schaumstoffs werden die Zellhäute des Schaumstoffs nahezu
vollständig
entfernt. Somit wird eine maximale Offenzelligkeit erzeugt, die
einen ausgesprochen geringen Strömungswiderstand
gegenüber Gasen,
wie beispielsweise Luft, gewährleistet.
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Zur
Retikulierung wird ein herkömmlicher Schaumstoff
aus einem Polymermaterial in eine Stahlkammer eingebracht. Nach
Austauschen der Luft durch ein Brenngasgemisch wird dieses gezündet. Bei
der Zündung
werden die Zellhäute
durch die entstehende Hitz- und Druckwelle zerrissen und schmelzen
auf die Zellstege auf. Dadurch werden die Zellstege verstärkt und
der Strömungswiderstand
gegenüber
Gasen aufgrund des Fehlens der Zellhäute verringert.
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Aufgrund
des verringerten Strömungswiderstandes
gegenüber
Gasen und der dennoch stabilen Struktur sind retikulierte Schaumstoffe
besonders dazu geeignet, um als Träger für eine intumeszierende Beschichtung
zu dienen und den aufgeblähten Thermoschaum
im Brandfall an Ort und Stelle zu halten. Eine einfache Gitterstruktur,
wie beispielsweise ein Drahtgitter, kann keine ausreichende Struktur
für einen
Thermoschaum bereitstellen, um diesen im Brandfall zu stützen und
um zu ge währleisten,
dass der Thermoschaum nicht durch den auftretenden Branddruck weggeblasen
wird.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung ist der retikulierte Schaumstoff ein retikulierter
metallischer Schaumstoff. Derartige Schaumstoffe kennt die Anmelderin
bisher lediglich als Wärmetauscher, als
Filter, als Katalysatoroberflächen,
als gewichtssparende Konstruktionselemente oder als deformierbare
Energieabsorber. Eine Verwendung als Träger für eine intumeszierende Beschichtung,
die durch die retikulierte Metallstruktur im aufgeblähten Zustand
fixiert wird, ist ihr hingegen bisher nicht bekannt. Die beschichteten,
retikulierten, metallischen Strukturen besitzen vorteilhaft ausgezeichnete
Permeabilitätseigenschaften,
insbesondere gegenüber
Gasen, wie beispielsweise Luft.
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Als
Ausgangspunkt für
metallische Schaumstoffe dienen beispielsweise retikulierte Polyurethanschaumstoffe.
Diese Schaumstoffe können
leicht in die gewünschte äußere Form
gebracht werden. Zur Umwandlung der retikluierten Polyurethanschaumstoffe
in retikulierte metallische Schaumstoffe wird ein spezielles Gussverfahren
verwendet. Der retikulierte Polyurethanschaumstoff wird mit einem
keramischen Material gefüllt.
Nach Entfernen der organischen Bestandteil verbleibt eine Negativform,
die mit flüssigem
Metall, wie beispielsweise Aluminium, Kupfer oder Zink, gefüllt wird.
Nach dem vorsichtigen Entfernen der keramischen Materialien verbleibt
ein retikulierter metallischer Schaumstoff. Es entsteht eine hochqualitative
Zellstruktur mit 2–12
Poren pro Zentimeter.
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Alternativ
kann zur Herstellung einer metallischen Struktur ein retikulierter
Schaumstoff aus Polymermaterial mit einem Metall beschichtet werden. Die
Beschichtung kann beispielsweise über eine Gasphasenabscheidung
erfolgen. Wahlweise kann auch, nach einer anfänglichen Beschichtung oder
anderweitiger Ionisierung der Oberfläche, ein galvanisches Verfahren
zum Abscheiden von Metallen auf der retikulierten Struktur aus Polymermaterial
verwendet werden. Auch hierbei entsteht ein hochporöser, retikulierter
Metallschaumstoff.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung kann der retikulierte Metallschaumstoff
mit einer Keramik beschichtet sein. Durch die keramische Beschichtung
kann dem Metallschaumstoff eine weitergehende Feuerbeständigkeit
verliehen werden. Zudem kann die keramische Oberfläche leichter
mit einer intumeszierenden Beschichtung beschichtet werden.
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Als
metallische Materialien für
einen retikulierten Schaumstoff kommen bevorzugt Aluminium, Kupfer,
Zink und Titan oder deren Legierungen zum Einsatz.
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Neben
retikulierten Schaumstoffen können auch
Hütchen-
bzw. Noppenstrukturen als Trägermaterialien
für eine
intumeszierende Beschichtung verwendet werden. Die Hütchen- bzw.
Noppenstrukturen besitzen dabei den Vorteil, dass sie zusätzlich als Strukturelemente
verwendet werden können,
die größere Kräfte übertragen.
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Zur
Herstellung einer Hütchen-
bzw. Noppenstruktur werden Gewebe, Gestricke und/oder Gelege aus
Fasern über
eine Schablone tiefgezogen. Bevorzugt kommen hierbei Fasern zum
Einsatz, die leicht dehnbar sind. Es können jedoch auch andere Fasern,
wie beispielsweise Glasfasern, insbesondere Quarzglasfasern, oder
Aramidfasern verwendet werden. Zur Herstellung von beispielsweise
Noppenwaben wird zunächst
ein Gestrick oder ein Gelege aus teilverstreckten Fasern, beispielsweise
Polyester, bei einer erhöhten
Temperatur zu einer Noppenstruktur tiefgezogen. Dabei werden die
Fasern verstreckt. Das tiefgezogene Gestrick bzw. Gewebe kann anschließend mit
einem Reaktivharz imprägniert
werden. Es ist nach dem Tiefziehen bereits ausreichend formstabil,
um während
dieses Arbeitsschrittes seine Form beizubehalten. Alternativ kann das
Gestrick auch vor dem Tiefziehen imprägniert werden, wodurch ein
Prepreg entsteht. Die imprägnierten
Noppenwaben können
mit weiteren Decklagen versehen werden und zusammen mit diesen zu Sandwichbauteilen
ausgehärtet
werden.
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Durch
ein entgegengesetztes Ineinanderlegen und Verkleben von zwei Lagen
einer Hütchen- bzw.
Noppenstruktur können
die spezifischen Eigenschaften der Strukturen weiter deutlich verbessert werden.
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Zum
Herstellen derartiger verschränkter Noppenstrukturen
sind weitere Arbeitsschritte notwendig. Zwei Hütchen- bzw. Noppenstrukturen
werden versetzt zueinander ineinandergelegt, wobei die beiden Lagen
mit Hilfe von zwei Werkzeugen mit Gummistiften, die in die Noppen
bzw. Hütchen
der imprägnierten
Struktur hineingreifen, ineinandergepresst werden. Die Gummistifte
werden beim Pressen kürzer
und dicker, so dass sie die Noppen bzw. Hütchen auch an den Flanken zuverlässig miteinander
verkleben können.
Die Werkzeuge werden geheizt, um das zuvor aufgebrachte Reaktivharz
auszuhärten
und somit die Strukturen zu verkleben.
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Durch
das Verbinden zweier Hütchen-
bzw. Noppenstrukturen wird die spezifische Drucksteifigkeit im Vergleich
zur einfachen Hütchen-
bzw. Noppenstruktur verdreifacht und die spezifische Druckfestigkeit
mehr als verdoppelt.
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Daher
sind solche Strukturen insbesondere dann vorteilhaft, wenn größere Kräfte übertragen werden
müssen.
Bei der Verwendung von beispielsweise Quarzglasfasern kann eine
erhöhte
Feuerbeständigkeit
bereitgestellt werden. Zudem kann eine doppellagige Hütchen- bzw.
Noppenstruktur eine intumeszierte Beschichtung leicht an Ort und
Stelle halten, um somit einen wirkungsvollen Brandschott auszubilden.
Durch die großen
Abstände
der Fasern kann zudem eine hohe Durchlässigkeit gegenüber Gasen,
insbesondere Luft, sichergestellt werden.
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Zur
Bereitstellung eines Brandschotts müssen die oben beschriebenen,
hochporösen
Strukturen, mit einer intumeszieren den Beschichtung beschichtet
werden. Dabei werden erfindungsgemäß Beschichtungen verwendet,
die sich aufgrund ihrer geringen Viskosität für das Imprägnieren von hochporösen Strukturen
eignen, ohne die vorteilhaften Eigenschaften der hochporösen Struktur,
insbesondere die hohe Durchlässigkeit
für Gase,
zu beeinträchtigen.
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Im
Brandfall ist es vorteilhaft, wenn die intumeszierte Beschichtung,
d.h. der entstehende Thermoschaum, die hochporöse Struktur vollständig ausfüllt. Das
Trägermaterial
dient im Brandfall lediglich dazu, diesen Thermoschaum zu fixieren.
Die intumeszierte Beschichtung, d.h. der Thermoschaum, schützen die
Strukturelemente ebenso wie die hinter dem Brandschott liegenden
Bereiche vor den Flammen.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung ist die intumeszierende Beschichtung hydrolysebständig. Materialien
werden in einem Flugzeug großen Temperaturunterschieden
unterworfen. Dabei können
insbesondere durch Kondensation von Luftfeuchtigkeit Wasserabscheidungen
auf festen Strukturen entstehen. Durch die Verwendung hydrolysebeständiger,
intumeszierender Beschichtungen kann sichergestellt werden, dass
die intumeszierenden Beschichtung nicht durch Hydrolyse von kondensiertem
Wasserdampf beschädigt
wird.
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Bevorzugt
entfaltet die intumeszierende Beschichtung bei einer Temperatur
von oberhalb 200°C, bevorzugter
von oberhalb 400°C
und am bevorzugtesten von oberhalb 600°C ihre intumeszierende Wirkung.
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Ein
weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Flug- oder
Raumfahrzeug mit einem Brandschott.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung ist der Brandschott in dem Flug- oder
Raumfahrzeug als Brandschutz für
ein Gepäckfach
ausgebildet.
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Insbesondere
kann das Brandschott der vorliegenden Erfindung seitlich eines Frachtraumes
eines Flug- oder Raumfahrzeugs angebracht werden.
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Ein
weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Herstellung eines Brandschotts, wie es oben beschrieben ist,
mit den Schritten Bereitstellen einer hochporösen Struktur, wobei die hochporöse Struktur
ein retikulierter Schaumstoff oder eine hochporöse Hütchen- bzw. Noppenstruktur
ist, und Beschichten der hochporösen
Struktur mit einem intumeszierenden Material.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung wird das intumeszierende Material durch
Besprühen oder
durch Tauchbeschichtung aufgebracht.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf die beiliegenden Figuren näher
erläutert.
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Von
den Figuren zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht einer einlagigen Hütchenstruktur gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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2 eine
perspektivische Ansicht einer zweilagigen Hütchenstruktur gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung; und
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3 eine
Querschnittsansicht durch einen Flugzeugrumpf mit Brandschotts gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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In
den Figuren bezeichnen dieselben Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche
Komponenten, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.
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Beispiele
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Beispiel 1
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Auf
einem sehr offenporigen, retikuliertem Schaumstoff aus Aluminium
wird ein dünnflüssiger, hydrolysebeständiger,
intumeszierender Lack durch vorzugsweise Besprühen aufgetragen. Nach Trocknen
des intumeszierenden Lacks kann der Schaumstoff als Brandschott
eingesetzt werden. Beim Intumeszieren der Beschichtung zu einem
Thermoschaum wird die intumeszierende Beschichtung in dem Schaumstoffgerüst verankert
und schließt
vollständig
die zwischen den Zellwänden
liegenden Räume.
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Gemäß dem obigen
Beispiel kann ebenfalls ein erfindungsgemäßer Brandschott hergestellt
werden, indem der offenporige Schaumstoff aus Aluminium durch einen
offenporigen Schaumstoff aus geschlickertem Aluminium mit Keramikbeschichtung
ersetzt wird.
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Beispiel 2
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Ein
offenporiges Gestrick aus einem teilverstreckten Polyester wird
bei einer erhöhten
Temperatur zu einer Noppenstruktur tiefgezogen. Nach dem Imprägnieren
mit einem Reaktivharz wird dieses Reaktivharz unter einer erhöhten Temperatur
ausgehärtet. 1 zeigt
eine derart hergestellte Noppenstruktur 1. In der Noppenstruktur 1 sind
regelmäßig angeordnete
Noppen ausgebildet. Die Noppenstruktur 1 wird durch vorzugsweise
Eintauchen in eine dünnflüssige, hydrolysebeständige, intumeszierende
Beschichtungslösung
mit einer intumeszierenden Beschichtung beschichtet. Nach Trocknen
der Beschichtung kann die beschichtete Noppenstruktur als Brandschott
verwendet werden.
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2 zeigt
zwei ineinander verschränkte Noppenstrukturen 1 und 1', wie sie gemäß obigem Beispiel
hergestellt wurden. Die Noppenstrukturen 1 und 1'' werden nach Beschichten mit einem
Reaktivharz umgekehrt miteinander verschränkt. Dabei greifen die Noppen
der Noppenstruktur 1' in
die Hohlräume,
die zwischen den Noppen der Noppenstruktur 1 liegen. Die
Noppen der beiden Strukturen berühren sich
dabei. Durch Gumminoppen werden die Noppen bzw. Hütchen der
jeweiligen Noppenstrukturen derart ineinander gedrückt, dass
unter erhöhten
Temperaturen beim Aushärten
des Reaktivharzes die Strukturen miteinander verbunden werden. Nach
Beschichtung der verschränkten
Noppenstruktur mit einer hydrolysebeständigen, intumeszierenden Beschichtung
durch Tauchbeschichten und Trocknen der Beschichtung, kann die derart
hergestellte Struktur als Brandschott verwendet werden.
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In
einem weiteren Ausführungsbeispiel
werden verschränkte
Hütchenstrukturen
aus Quarzglasfasern gemäß obigem
Beispiel 2 hergestellt und mit einer intumeszierenden Beschichtung
beschichtet.
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Die
Brandschotts der vorliegenden Erfindung können bevorzugt im Flugzeugbau
eingesetzt werden. 3 zeigt beispielhaft einen Querschnitt
durch einen Rumpf 10 eines Flugzeugs. In den Rumpf 10 werden
eine Kabine 11 und ein Frachtraum 12 integriert.
Der Frachtraum 12 liegt dabei unterhalb der Kabine 11.
Weder die Kabine 11 noch der Frachtraum 12 berühren den
Rumpf 10 und ermöglichen
so eine Luftzirkulation auf einem Luftzirkulationsweg, gekennzeichnet
durch die Pfeile 14 in 3, um die Kabine 11 und
den Frachtraum 12 herum. Im Falle eines Lecks innerhalb
des Rumpfs 10 muss ein schneller Druckausgleich möglich sein.
Die Kabine 11 und der Frachtraum 12 bilden zusammen
eine Einheit, um die herum eine schnelle Luftzirkulation im Falle eines
auftretenden Lecks im Rumpf 10 ermöglicht werden soll.
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Des
Weiteren muss im Falle eines von Außen auftretenden Bran des die
Kabine 11 mit den darin befindlichen Fluggästen vor
einem Feuer geschützt
werden. Dazu wird beispielsweise der Frachtraumboden 13 brandhemmend
ausgestaltet. Eine mögliche
Brandquelle 16 am unteren Teil des Rumpfes wird somit am
weiteren Vordringen in Richtung Kabine 11 durch Brandschutzvorrichtungen
im Frachtraumboden 13 gehindert.
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Da
jedoch Bereiche seitlich des Frachtraums für eine mögliche Luftzirkulation 14 freigehalten
werden müssen,
kann eine Ausbreitung von Flammen entlang dieser durch die Pfeile 14 dargestellten
Luftzirkulationswege erfolgen. Ein schnelles Vordringen der Flammen
zur Kabine 11 kann somit nicht mehr verhindert werden.
Gemäß dem vorliegenden
Ausführungsbeispiel
werden seitlich des Frachtraums Brandschotts 15 angebracht,
um im Brandfall ein Vordringen der Flammen zu verhindern. Da die
Brandschotts 15 zudem einen geringen Widerstand gegenüber durchströmender Luft
zeigen, wenn kein Brand auftritt, werden die Wege zur Luftzirkulation 14 durch die
Brandschotts 15 nicht oder nur unwesentlich beeinträchtigt.
Im Brandfall wird jedoch durch die Brandschotts 15 ein
Ausbreiten der Flammen auf den für
die Luftzirkulation vorgesehenen Wegen verhindert oder verzögert.
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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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So
ist es beispielsweise denkbar, die Brandschotts an mehreren Stellen
anzubringen, an denen eine Luftzirkulation im Nicht-Brandfall notwendig
ist, jedoch im Brandfall ein wirkungsvoller Schutz vor Flammen bestehen
soll. Es ist jedoch auch möglich, die
Brandschotts an anderen Stellen im Flug- oder Raumfahrzeug anzubringen.
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- 1,
1'
- Noppenstruktur
- 2
- Noppen
- 10
- Rumpf
- 11
- Kabine
- 12
- Frachtraum
- 13
- Frachtraumboden
- 14
- Luftzirkulationsweg
- 15
- Brandschott
- 16
- Brandquelle