DE102007003276A1

DE102007003276A1 - Verbindungselement und Verwendung eines derartigen Verbindungselementes zum Befestigen von Flugzeugbauteilen bei einer CFK-Metall Hybridkonstruktion

Info

Publication number: DE102007003276A1
Application number: DE102007003276A
Authority: DE
Inventors: Michael Kolax; Wolf-Dietrich Dolzinski
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2007-01-23
Filing date: 2007-01-23
Publication date: 2008-07-31
Anticipated expiration: 2027-01-24
Also published as: JP2010516538A; CN101631719B; EP2106365B1; EP2106365A1; WO2008090144A1; CA2671917A1; BRPI0806895A2; CN101631719A; US20090304438A1; US8844868B2; RU2009124190A; WO2008090144B1; DE102007003276B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung von Verbindungselementen (1) zum Befestigen von CFK-Bauteilen (2) und Metallbauteilen (3) bei einem Luft- oder Raumfahrzeug, wobei ein CFK-Bauteil (2) und ein Metallbauteil (3) über wenigstens ein Verbindungselement (1) miteinander verbindbar sind. Das Verbindungselement (1) ist dabei aus einem elektrisch nicht-leitenden Material hergestellt oder weist einen Schaft (9) auf und ist aus einem elektrisch leitenden oder nicht-leitenden Material hergestellt, wobei der Schaft (9) mit einer Hülse (10) aus einem elektrisch nicht-leitenden Material versehen ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verbindungselement und die Verwendung eines derartigen Verbindungselementes, um Flugzeugbauteile bei einer CFK-Metall Hybridkonstruktion miteinander zu verbinden. Solche Flugzeugbauteile umfassen beispielsweise Beplankungen, Spanten und Stringer.
Bei einer Verbindung von Metallbauteilen mit CFK-Bauteilen, wie es bei einer CFK-Metall Hybridkonstruktion der Fall ist, müssen gewisse Schutzmaßnahmen getroffen werden, um eine galvanische Korrosion bzw. Kontaktkorrosion zu verhindern. Eine galvanische Korrosion kann die strukturelle Integrität einer Konstruktion gefährden. Beginnend mit der Reduktion tragender Querschnitte kann letztlich das Metallbauteil vollständig zerstört werden. Daher muss eine galvanische Korrosion unterbunden werden und die Wirkung der Schutzmaßnahmen muss geprüft werden, beispielsweise durch regelmäßige Inspektionen der CFK-Metall Verbindung.
Bei der galvanischen Korrosion führen unterschiedliche galvanische Spannungspotentiale zwischen einem CFK-Bauteil und einem Metallbauteil unter Zusammenwirken mit einem Elektrolyten zu Korrosion.
Das Metallbauteil, das beispielsweise aus Aluminium bzw. einer Aluminiumlegierung besteht, bildet dabei die Anode, während das CFK-Bauteil bzw. dessen Kohlenstoffanteil die Kathode bildet. Als Elektrolyt wirkt hierbei Feuchtigkeit bzw.
Kondenswasser, das sich beispielsweise in der Bilge eines Flugzeugrumpfs bildet. In der Bilge befinden sich normalerweise ein hochagressives Elektrolyt aus Wasser und alle im Umfeld von Menschen anzutreffenden Flüssigkeiten in ergiebigen Mengen. Kommt die Verbindung aus Metallbauteil und CFK-Bauteil mit dem Elektrolyt in Kontakt, so fließt ein Strom. Dabei wandern positive Metall-Atome des Metallbauteils (Kationen) zum Minus-Pol der Kathode bzw. des CFK-Bauteils. Die Anode bzw. das Metallbauteil löst sich durch diesen Kationenstrom langsam auf.
Der Anmelderin ist bekannt, eine solche galvanische Korrosion zu unterbinden, indem eines der beiden Bauteile, meist das CFK-Bauteil, elektrisch isoliert wird. Dies geschieht durch Verkapseln beispielsweise mit einem GFK-Werkstoff, der in der galvanischen Spannungsreihe „neutral" gegenüber Metall- und CFK-Bauteilen ist. Durch die Verkapselung wird das Bauteil zuverlässig von seinem elektrolytischen Umgebungsmilieu getrennt, wobei die Kathode und die Elektrode (Anode) voneinander getrennt werden, so dass kein Strom fließen kann. Dadurch kann das Auftreten einer galvanischen Korrosion verhindert werden.
Das Verkapseln eines CFK-Bauteils oder eines Metallbauteils mit GFK-Werkstoffen hat jedoch den Nachteil, dass es sehr aufwendig und kostenintensiv ist, insbesondere wenn die Bauteile eine komplexe Form aufweisen. Beim Verkapseln muss das entsprechende Bauteil inklusive all seiner Schnittkanten, räumlichen Ecken, Enden und Kanten elektrisch isolierend verkapselt werden. Die Nützlichkeit einer Verkapselung eines Elements ist daher vom Einzelfall abhängig und muss individuell geprüft werden. Sehr leicht kompensieren dabei die Mehrkosten einer Verkapselung den Kostenvorteil, der mit einer CFK-Metall Hybridkonstruktion eigentlich angestrebt wird. Das bedeutet, die Vorteile, die in der Werkstoffkombination von CFK und Metall liegen, können nicht oder nicht vollständig genutzt werden.
Der Anmelderin ist weiter bekannt, den Elektronenleiter zwischen den Elektroden zu unterbrechen, indem beispielsweise eine Glasfasermatte zwischen das CFK-Bauteil und das Metallbauteil gelegt wird, um die Teile voneinander elektrisch zu trennen. Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, dass es nicht ausreicht, wenn die beiden Bauteile zusätzlich über Verbindungselemente, wie beispielsweise Nieten, Bolzen oder Schrauben aus einem Metall- oder CFK-Werkstoff, miteinander verbunden werden.
Die vorliegende Erfindung besitzt daher die Aufgabe, eine Verwendung von Verbindungselementen bereitzustellen, wobei die Verbindungselemente einerseits kostengünstig in der Herstellung sind und andererseits das Auftreten einer galvanischen Korrosion bei einer Verbindung von Metallbauteilen und CFK-Bauteilen wirksam verhindern. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein entsprechendes Verbindungselement bereitzustellen, das einfach und kostengünstig gefertigt werden kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Verwendung von Verbindungselementen mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 beziehungsweise durch ein Verbindungselement mit den Merkmalen gemäß Anspruch 8 gelöst.
Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft die Verwendung von Verbindungselementen zum Befestigung von CFK-Bauteilen und Metallbauteilen bei einem Flugzeug, wobei die Verbindungselemente entweder aus einem elektrisch nichtleitenden Material ausgebildet sind, wie beispielsweise GFK, AFK oder Titan bzw. einer geeigneten Titanlegierung, oder die einen Schaft aufweisen, der mit einer Hülse aus einem elektrisch nicht-leitenden Material versehen ist. Dies hat den Vorteil, dass auf den kostspieligen Einsatz von vollständig verkapselten Verbindungselementen verzichtet werden kann. Des Weiteren kann durch die Verwendung der Verbindungselemente gemäß der Ansprüche 1 und 8 das Auftreten einer galvanischen Korrosion wirksam verhindert werden, da sich die CFK-Bauteile und Metallbauteile geeignet elektrisch voneinander trennen lassen.
Als CFK-Bauteil kann dabei eine Beplankung, beispielsweise für einen Flugzeugrumpf, vorgesehen sein, die zumindest teilweise oder im Wesentlichen vollständig aus einem CFK-Werkstoff hergestellt ist oder dessen Außenlage zumindest aus einem CFK-Werkstoff ausgebildet ist. An der Beplankung können dabei Spanten und/oder Stringer aus Metall bzw. einer Metalllegierung mittels der erfindungsgemäßen Verbindungselemente befestigt werden. Dies hat den Vorteil, dass eine kostengünstige CFK-Metall Hybridkonstruktion realisiert werden kann, insbesondere bei einer Verwendung von CFK-Beplankungen, die mit Stringern oder Spanten aus Metall verbunden werden. Alternativ können die Verbindungselemente aber auch bei konventionellen Metallbeplankungen eingesetzt werden, die mit Stringern und/oder Spanten aus einem CFK-Werkstoff verbunden werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist das Verbindungselement beispielsweise ein Niet, ein Bolzen, ein Stift, eine Schraube und/oder ein Clip. Diese Verbindungselemente können dabei entweder aus einem nicht-leitenden Material hergestellt werden oder, wenn sie einen Schaft aufweisen, mit einer elektrisch nicht-leitenden Hülse versehen werden. Dies hat den Vorteil, dass CFK- und Metallbauteile zuverlässig und kostengünstig so miteinander verbunden werden können, sei es über Nieten, Bolzen oder Clipse usw., dass zuverlässig das Auftreten von galvanischer Korrosion verhindert werden kann.
Als elektrisch nicht-leitendes Material für die Verbindungselemente und die Hülsen kann dabei ein GFK-Werkstoff, ein AFK-Werkstoff, Titan und/oder einer Titanlegierung oder ein anderes geeignetes nicht leitendes Material verwendet werden. Abhängig von der Belastung, die auf das Verbindungselement einwirkt, kann bei einer großen Belastung vorzugsweise Titan bzw. eine Titanlegierung verwendet werden, während bei einer eher geringen Belastung die Verbindungsteile aus einem GFK- oder einem AFK-Werkstoff hergestellt werden können.
Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verbindungselements kann dieses mit einer Hülse aus einem elektrisch nicht-leitenden Material versehen sein, wobei die Hülse auf den Schaft aufgesteckt bzw. aufgeschoben oder aufgeschrumpft sein kann, abhängig davon wie fest die Hülse mit dem Schaft verbunden werden soll.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren näher erläutert.
Von den Figuren zeigen:
1 eine Schnittansicht einer ersten Ausführungsform der Erfindung, bei der ein CFK-Bauteil mit einem Metallbauteil über ein Niet als Verbindungselement verbunden wird;
2 eine perspektivische Darstellung der ersten Ausführungsform der Erfindung, bei der ein CFK-Bauteil und eine Metallbauteil über einen Clip als Verbindungselement verbunden werden; und
3 eine Schnittansicht einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform, bei der ein CFK-Bauteil mit einem Metallbauteil über ein Niet als Verbindungselement verbunden wird, wobei der Niet mit einer Hülse versehen ist.
In den Figuren bezeichnen dieselben Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.
In 1 ist eine erste erfindungsgemäße Ausführungsform dargestellt bei der das Verbindungselement 1 aus einem Material hergestellt ist, das in der galvanischen Spannungsreihe im Wesentlichen neutral gegenüber Metall bzw. CFK-Werkstoffen ist. Dabei kann das Verbindungselemente 1 beispielsweise aus Titan bzw. einer Titanlegierung oder einem GFK-Werkstoff hergestellt sein. Grundsätzlich können neben diesen Werkstoffen auch andere geeignete Werkstoffe eingesetzt werden, die in der galvanischen Spannungsreihe neutral gegenüber Metall bzw. GFK-Werkstoffen sind.
Das in 1 dargestellte CFK-Bauteil 2 kann beispielsweise eine Beplankung eines Flugzeugrumpfs sein. An der Beplankung in CFK-Bauweise können Metallbauteile 3 befestigt werden, beispielsweise aus Aluminium bzw. einer Aluminiumlegierung oder aus Stahl bzw. einer Stahllegierung. Solche Metallbauteile 3 können hierbei Spante und/oder Stringer sein. Da das Metallbauteil 3, wie in 1 gezeigt ist, auf der Beplankung 2 aus CFK-Werkstoff aufliegt, kann eine Trennschicht 4 zwischen den beiden Bauteilen 2, 3 vorgesehen werden. Als Trennschicht 4 kann dabei beispielsweise eine Glasfasermatte oder eine Lage aus einem AFK-Werkstoff verwendet werden.
Da das Metallbauteil 3 zusätzlich über Nieten als Verbindungselemente 1 an der CFK-Beplankung 2 befestigt wird, müssen weitere Schutzmaßnahmen zur Verhinderung von galvanischer Korrosion bzw. Kontaktkorrosion vorgesehen werden. Gemäß der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform wird das jeweilige Verbindungselement 1, d. h. hier der Niet, aus einem elekt risch nicht-leitenden Material gefertigt. Dieses elektrisch nicht-leitende Material ist in der galvanischen Spannungsreihe im Wesentlichen neutral gegenüber Metall und CFK-Werkstoffen.
Durch das Verwenden eines Verbindungselements 1 aus einem elektrisch nicht-leitenden Werkstoff kann wirksam das Auftreten einer galvanischen Korrosion verhindert werden, selbst wenn sich im Bereich der Verbindung der CFK-Beplankung 2 und des Metallteils 3 ein Elektrolyt, beispielsweise aus Kondenswasser oder dergleichen, bildet.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Herstellung des Verbindungselements 1, wie hier dem Niet, aus einem elektrisch nicht-leitenden Werkstoff wesentlich einfacher und preisgünstiger in der Herstellung ist als wenn ein Niet aus einem elektrisch leitenden Werkstoff verwendet werden würde, der erst aufwendig mit einem elektrisch nicht-leitenden Material verkapselt werden muss.
In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform dargestellt. Hierbei werden auf einer Beplankung 2 beispielsweise für einen Flugzeugrumpf Stringer und Spanten befestigt. Die Stringer 5 können dabei aus einem CFK-Werkstoff und die Spanten 6 aus einem Metallwerkstoff hergestellt sein. Um die Stringer 5 (CFK-Bauteil) und die Spanten 6 (Metallbauteil) aneinander zu befestigen sind des Weiteren Clips 7 vorgesehen. Diese sind hierbei aus einem elektrisch nicht-leitenden Material hergestellt. Dies hat den Vorteil, dass die Stringer 5 und Spanten 6 durch den Clip 7 derart voneinander getrennt sind, so dass keine Korrosion auftreten kann. Insbesondere ist ein solcher Clip 7 einfach und kostengünstig beispielsweise aus GFK, AFK oder Titan bzw. einer Titanlegierung herstellbar. Dadurch können erhebliche Kosten eingespart werden gegenüber bekannten Clips, die vollständig verkapselt werden müssten, was insbesondere mit Aufwand und Kosten verbunden ist, wenn die Clips eine kompli zierte Struktur aufweisen.
Die Beplankung 8 in 2 kann ebenfalls aus einem CFK-Werkstoff bestehen oder alternativ aus einem Metallwerkstoff. In diesem Fall ist eine Trennschicht bzw. Trennlage (nicht dargestellt) zwischen der Beplankung 8 und den Stringern 5 und Spanten 6 vorgesehen. Als Trennschicht kann hierbei eine Glasfasermatte, wie in 1 gezeigt ist, oder eine Lage aus einem AFK-Werkstoff oder eine Tedlarfolie vorgesehen werden. Werden die Stringer 5 und Spanten 6 mit Nieten 1 an der Beplankung 8 befestigt, so können ebenfalls Nieten 1 aus einem elektrisch nicht-leitenden Material verwendet werden. Es ist dabei ausreichend wenn diese Nieten 1 lediglich bei den Metall-CFK Paarungen und nicht bei den CFK-CFK Paarungen bzw. Metall-Metall Paarungen eingesetzt werden.
Bei einer CFK-Beplankung 8 würden diese Nieten 1 daher beispielsweise zum Befestigen von Metallstringern 5 oder Metallspanten 6 verwendet und umgekehrt.
In 3 ist eine zweite Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Dabei ist das Verbindungselement 1 nicht wie in der ersten Ausführungsform gemäß 1 oder 2 aus einem nichtleitenden Material hergestellt, sondern kann ein beliebiges Material aufweisen, d. h. auch ein elektrisch leitendes Material wie CFK oder Metall oder dergleichen.
Um eine galvanische Korrosion zu verhindern, wird der Schaft 9 des Verbindungselements 1, hier eines Niets, mit einer Hülse 10 versehen. Die Hülse 10 besteht dabei aus einem elektrisch nicht-leitenden Material wie GFK, AFK, Titan bzw. einer Titanlegierung oder einem anderen geeigneten elektrisch nicht-leitenden Material.
Die Hülse 10 ist dabei so dimensioniert, dass sie sich zumindest entlang eines Abschnitts oder über den gesamten Schaft 9 des Verbindungselements 1 erstreckt. Die Hülse 10 kann dabei beispielsweise auf den Schaft 9 aufgesteckt bzw. aufgeschoben, aufgeschrumpft oder aufgeklebt sein. Das Vorsehen einer Hülse 10 hat den Vorteil, dass auch Verbindungselemente 1 aus einem elektrisch leitenden Material verwendet werden können. Diese Verbindungselemente 1 lassen sich durch das Vorsehen einer Hülse 1 sehr einfach umrüsten, wobei auf das aufwendige Verkapseln verzichtet werden kann. Des Weiteren erhöht die Hülse 10 zusätzlich die Steifigkeit des Schafts 9 des Verbindungselements 1.
Die in den Ausführungsformen verwendeten Bauteile wie Beplankungen 2, 3, 8, Stringer 5 und Spanten 6 stellen lediglich Beispiele für CFK-Bauteile und Metallbauteile bei Flugzeugen dar. Es ist für den Durchschnittsfachmann offensichtlich, dass es im Flugzeugbau eine Vielzahl von Bauteilen gibt, die aus CFK- Werkstoff oder einem Metallwerkstoff gefertigt werden können und die Verbindungselemente 1 erfordern, die das Auftreten einer galvanischen Korrosion verhindern.
Dabei kann jedes dieser Bauteile aus einem CFK-Werkstoff oder aus einem Metall bzw. einer Metalllegierung hergestellt sein bzw. diese aufweisen. Insbesondere kann statt einer CFK-Beplankung 8 auch eine Metallbeplankung 8 verwendet werden.
Des Weiteren stellen die Clips 7 und Nieten 1, wie sie in den Ausführungsbeispielen in den 1 bis 3 verwendet werden, ebenfalls lediglich Beispiele für eine Vielzahl von möglichen Verbindungselementen 1 dar. Die Niete 1 und Clipse 7 können dabei auch andere Formen aufweisen, wie in den 1 bis 3 dargestellt. Die Niete 1 und Clips 7 in den Figuren sind lediglich beispielhaft. Neben Nieten 1 und Clips 7 können beispielsweise auch Bolzen, Schrauben und Stifte verwendet werden, um nur einige Beispiele zu nennen.
Der elektrisch nicht-leitenden Werkstoff für das Verbindungselement 1 wird vorzugsweise in Abhängigkeit von seinem Einsatzzweck gewählt. Dabei werden Verbindungselemente 1 aus Titan bzw. einer geeigneten Titanlegierung vorzugsweise bei Verbindungen eingesetzt wo große Kräfte bzw. hohe Belastungen entstehen. Treten dagegen nur geringe Belastungen an einer Verbindung auf, so können die Verbindungselemente 1 beispielsweise auch aus einem GFK-Werkstoff gefertigt werden.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorliegend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.

1: Verbindungselement
2: CFK-Bauteil
3: Metallbauteil
4: Trennschicht
5: Stringer
6: Spant
7: Clip
8: Beplankung
9: Verbindungsabschnitt/Schaft
10: Hülse

Claims

Verwendung von Verbindungselementen (1) zum Befestigen von CFK-Bauteilen (2) und Metallbauteilen (3) bei einem Luft- oder Raumfahrzeug, wobei ein CFK-Bauteil (2) und ein Metallbauteil (3) wenigstens über einen Verbindungsabschnitt (9) eines Verbindungselementes (1) miteinander verbindbar sind, wobei zumindest der Verbindungsabschnitt (9) aus einem elektrisch nicht-leitenden Material hergestellt oder mit einer Hülse (10) aus einem elektrisch nicht-leitenden Material versehen ist.
Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das CFK-Bauteil (2) eine Beplankung ist, die zumindest teilweise aus einem CFK-Werkstoff hergestellt ist und an der wenigstens ein Metallbauteil (3), wie beispielsweise ein Spant (6) und/oder ein Stringer (5), befestigbar ist, das zumindest teilweise aus Metall oder einer Metalllegierung hergestellt ist.
Verwendung nach wenigstens Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallbauteil (3) eine Beplankung ist, die zumindest teilweise aus Metall oder einer Metalllegierung hergestellt ist und an der wenigsten ein CFK-Bauteil (2), wie beispielsweise ein Spant (6) und/oder Stringer (5), befestigbar ist, das zumindest teilweise aus einem CFK-Werkstoff hergestellt sind.
Verwendung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (1) ein Niet, ein Bolzen, ein Stift, eine Schraube und/oder ein Clip ist.
Verwendung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (1) aus GFK, AFK, Titan und/oder einer Titanlegierung oder einem anderen geeigneten elektrisch nicht-leitenden Material hergestellt ist.
Verwendung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungsabschnitt (9) des Verbindungselementes (1) als Schaft (9) ausgebildet ist, der mit wenigstens einer Hülse (10) aus einem GFK-Werkstoff, einem AFK-Werkstoff, Titan bzw. einer Titanlegierung oder einem anderen geeigneten elektrisch nicht-leitenden Material versehen ist.
Verwendung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (10) zumindest einen Abschnitt des Verbindungsabschnitts (9) des Verbindungselementes (1) abdeckt, indem das Verbindungselement (1) das CFK- Bauteil (2) mit dem Metallbauteil (3) verbindet.
Verbindungselement (1) zum Befestigen eines CFK-Bauteils (2) und eines Metallbauteils (3) bei einem Luft- oder Raumfahrzeug, wobei das Verbindungselement (1) einen Verbindungsabschnitt (9) aus einem elektrisch nichtleitenden Material oder mit einer Hülse (10) aus einem elektrisch nicht-leitenden Material versehen aufweist.
Verbindungselement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungsabschnitt (9) als Schaft (9) ausgebildet ist, wobei die Hülse (10) zumindest einen Abschnitt des Schafts (9) des Verbindungselementes (1) abdeckt, indem das Verbindungselement (1) das CFK- Bauteil (2) mit dem Metallbauteil (3) verbindet.
Verbindungselement nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (10) auf den Verbindungsabschnitt (9) aufgesteckt bzw. aufgeschoben oder aufgeschrumpft ist.
Verbindungselement nach wenigstens einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch nicht-leitende Material beispielsweise ein GFK-Werkstoff, ein AFK-Werkstoff, Titan bzw. eine Titanlegierung ist.