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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines
Bauteils, insbesondere im Luft- und Raumfahrtbereich, sowie auf
eine Vorrichtung zum Herstellen eines derartigen Bauteils.
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Obwohl
auf die Herstellung beliebiger Bauteile anwendbar, werden die vorliegende
Erfindung sowie die ihr zugrunde liegende Problematik in Bezug auf
eine Sitzschiene eines Flugzeugs näher erläutert.
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Solche
Sitzschienen sind für
gewöhnlich
aus einem oberen T-Profil und einem unteren T-Profil, die jeweils
an ihrem Steg miteinander verbunden werden, gefertigt. Das obere
T-Profil ist einstückig
mit einer Zahnschiene gebildet, welche mit Eingriffselementen eines
Sitzes zusammenwirkt, um diesen in einer bestimmten Position zu
halten. Um eine ausreichende Verschleißbeständigkeit zu gewährleisten,
ist das obere T-Profil samt der Zahnschiene aus Titan hergestellt.
Das untere T-Profil dient der Befestigung der Sitzschiene am Fußboden und
ist aus Kostengründen
aus Aluminium hergestellt.
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Um
nun das obere T-Profil aus Titan mit dem unteren T-Profil aus Aluminium
zu verbinden, werden diese jeweils an ihrem Steg miteinander verschweißt, beispielsweise
mittels Laserschweißens.
Durch den sehr hohen Energieeintrag bei Schweißverfahren kommt es zu einer
nachteiligen Gefügeänderung
in dem Bereich der Schweißnaht.
Dadurch verringert sich beispielsweise die Festigkeit des Aluminiums
im Bereich der Schweißnaht.
Auch die Häufigkeit
von Fehlern, wie beispiels weise Rissbildung oder Porosität, ist beim
Schweißen
vergleichsweise hoch. Ferner führt
der hohe Temperaturgradient beim Schweißen regelmäßig zum Verzug des unteren
und oberen T-Profils.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren
und/oder eine verbesserte Vorrichtung bereitzustellen, welche die
Herstellung eines Bauteils, insbesondere einer Sitzschiene eines
Flugzeugs, ermöglichen,
ohne dass die oberhalb beschriebene nachteilige Gefügeänderung
zu bewirken.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1 und/oder durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs
4 gelöst.
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Demgemäß wird ein
Verfahren zum Herstellen eines Bauteils, insbesondere im Luft- und
Raumfahrtbereich, mit folgenden Schritten bereitgestellt: Führen eines
vorgefertigten Profils im Wesentlichen parallel zu einer Extrudierrichtung
einer Matrize eines Extrudierwerkzeugs, wobei das vorgefertigte
Profil einen ersten Abschnitt, welcher außerhalb der Matrize angeordnet
ist, und einen zweiten Abschnitt aufweist, welcher sich von dem
ersten Abschnitt im Wesentlichen quer zur Extrudierrichtung in die
Matrize hineinerstreckt; und Extrudieren eines Ausgangsmaterials
durch eine von der Matrize und von dem zweiten Abschnitt des vorgefertigten
Profils begrenzten Extrudieröffnung,
wodurch ein extrudiertes Profil gebildet und im Wesentlichen gleichzeitig
mit dem zweiten Abschnitt des vorgefertigten Profils verbunden und
somit das Bauteil gebildet wird.
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Weiterhin
wird eine Vorrichtung zur Herstellung eines Bauteils, insbesondere
im Luft- und Raumfahrtbereich, mit einem Extrudierwerkzeug bereitgestellt,
welches eine Matrize aufweist, wobei die Matrize mit einer Extrudieröffnung versehen
ist, wobei die Matrize eine Ausnehmung aufweist, welche sich von
der Extrudieröffnung
im Wesentlichen quer zu einer Extrudierrichtung der Matrize hin
zu einer Außenfläche der
Matrize erstreckt.
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Die
der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin,
dass das extrudierte Profil gleichzeitig extrudiert und mit dem
vorgefertigten Profil verbunden wird. Ein lokaler, hoher Wärmeeintrag
in das extrudierte Profil, welcher zu der beschriebenen nachteilen
Gefügeänderung
bzw. den Fehlern im Gefüge
bzw. dem beschriebenen Verzug führen würde, findet
dabei nicht statt. Vielmehr wird das gesamte extrudierte Profil
im zähflüssigen Zustand
erzeugt, d. h. das gesamte extrudierte Profil weist eine hohe Temperatur
auf.
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Ein
weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der erfindungsgemäßen Vorrichtung
besteht darin, dass nunmehr das Erzeugen des extrudierten Profils
sowie das Verbinden desselben mit dem vorgefertigten Profil in einem
Schritt vollzogen wird. Im Stand der Technik dagegen war es erforderlich,
zunächst
das extrudierte Profil beispielsweise durch Extrusion herzustellen
und dieses anschließend
mit dem vorgefertigten Profil zu verschweißen. Folglich lässt sich
erfindungsgemäß das Bauteil
in kürzerer
Zeit herstellen.
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In
den Unteransprüchen
finden sich vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der
Erfindung.
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Unter
einem "Profil" ist vorliegend ein
Werkstück
oder Werkstückabschnitt
zu verstehen, welches bzw. welcher entlang einer Raumrichtung einen im
Wesentlichen konstanten Querschnitt aufweist. Hinsichtlich des vorgefertigten
Profils ist anzumerken, dass sich diese Definition insbesondere
auf den zweiten Abschnitt bezieht, welcher während des Verfahrens innerhalb
der Matrize angeordnet ist. Der erste Abschnitt, welcher während des
Verfahrens außerhalb der Matrize angeordnet ist, kann durchaus einen
variablen Querschnitt aufweisen, wie es beispielsweise bei dem einleitend
beschriebenen, die Zahn schiene aufweisenden oberen T-Profil der
Sitzschiene der Fall ist. Da der erste Abschnitt des vorgefertigten
Profils die Matrize nicht durchläuft,
kann dieser nahezu beliebig ausgestaltet werden. Diese Gestaltungsfreiheit
hinsichtlich des ersten Abschnitts des vorgefertigten Profils stellt
einen weiteren Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens dar.
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Mit "Extrudieren" ist vorliegend ganz
allgemein das Pressen von Ausgangsmaterial durch eine Matrize zum
Bilden eines Profils gemeint. Demnach ist vorliegend auch das "Strangpressen" unter "Extrudieren" zu subsumieren.
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Unter
der "Extrudierrichtung" ist vorliegend die
Richtung zu verstehen, in welcher das Ausgangsmaterial durch die
Matrize gepresst wird.
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Mit "eine von der Matrize
und von dem zweiten Abschnitt des vorgefertigten Profils begrenzten Extrudieröffnung" ist vorliegend gemeint,
dass eine oder mehrere Flächen
des zweiten Abschnitts des vorgefertigten Profils zusammen mit der
Matrize eine geschlossene Fläche
ausbilden, welcher die Extrudieröffnung
begrenzt und für
das Ausgangsmaterial bzw. das extrudierte Profil im zähflüssigen Zustand
in einer Richtung quer zu der Extrudierrichtung undurchlässig ist.
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Bei
dem "Ausgangsmaterial" kann es sich beispielsweise
um ein Metall oder einen Kunststoff im zähflüssigen Zustand handeln.
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Mit "im Wesentlichen gleichzeitig" soll vorzugsweise
auch ein zeitlicher Versatz von einigen Sekunden, beispielsweise
bis zu 10, 60 oder 120 Sekunden umfasst sein.
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Unter "im Wesentlichen parallel" bzw. "im Wesentlichen quer" sollen vorzugsweise
jeweils auch Abweichungen von genau parallel bzw. genau quer um
wenige Grad, beispielsweise bis zu 0.5, 1, 5 oder 10 Grad, zu verstehen
sein.
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Bevorzugt
sind das vorgefertigte Profil und das extrudierte Profil aus unterschiedlichen
Werkstoffen, insbesondere unterschiedlichen Metallen gebildet. Weiterhin
bevorzugt ist das vorgefertigte Profil aus Titan oder Stahl und
das extrudierte Profil aus Aluminium oder Magnesium gebildet. Damit
sind selbstverständlich
auch die Legierungen dieser Metalle gemeint. Es ist auch denkbar,
das vorgefertigte Profil sowie das extrudierte Profil aus unterschiedlichen
Kunststoffen, insbesondere faserverstärkte Kunststoffen, oder aber
das vorgefertigte Profil aus Metall und das extrudierte Profil aus
Kunststoff auszubilden.
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Beispielsweise
kann das vorgefertigte Profil mit bezüglich seiner Längsrichtung – diese
entspricht im Wesentlichen der Extrudierrichtung der Matrize – hinterschnittenen
Flächen
ausgebildet sein. Dabei könnte
der zweite Abschnitt beispielsweise wellenförmig ausgebildet sein.
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Vor
allem sollte der Werkstoff des vorgefertigten Profils und des Ausgangsmaterials
so beschaffen sein, dass die zum Extrudieren des Ausgangsmaterials
notwendige Temperatur in dem Extrudierwerkzeug bzw. der Matrize
nicht zu einem wesentlichen Verlust der Steifigkeit und Festigkeit
des vorgefertigten Profils führt.
Somit kann die Extrudieröffnung wirksam
mittels des vorgefertigten Profils begrenzt werden.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der zweite
Abschnitt des vorgefertigten Profils durch eine Ausnehmung in der
Matrize geführt,
welche sich von der Extrudieröffnung
quer zu der Extrudierrichtung hin zu einer Außenfläche der Matrize erstreckt,
wobei der zweite Abschnitt des vorgefertigten Profils die Ausnehmung
dicht verschließt.
Der zweite Abschnitt des vorgefertigten Profils, beispielsweise
ein Steg, erstreckt sich dabei wenigstens durch die Ausnehmung.
Damit ergibt sich vorteilhaft ein sehr einfaches Verfahren.
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Gemäß einer
weiter bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird das vorgefertigte Profil mit einem T-förmigen Querschnitt vorgefertigt
und das extrudierte Profil mit einem T-förmigen Querschnitt gebildet
und am Ende seines Stegs mit dem Ende des Stegs des vorgefertigten Profils
verbunden. Damit lässt
sich auf sehr einfache Weise die eingangs beschriebene Sitzschiene
für ein Flugzeug
herstellen.
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Bevorzugt
ist die Matrize des Extrudierwerkzeugs stationär vorgesehen, während das
vorgefertigte Profil mit einem vorbestimmten Vorschub an der Matrize
parallel zur Extrudierrichtung derselben entlang geführt wird.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung der Vorrichtung ist eine Führungseinrichtung
vorgesehen, mittels welcher das vorgefertigte Profil parallel zur
Extrudierrichtung an der Matrize entlangführbar ist, wobei ein erster
Abschnitt des Profils außerhalb der
Matrize angeordnet ist und sich ein zweiter Abschnitt des Profils
von dem ersten Abschnitt quer zur Extrudierrichtung in die Matrize
hineinerstreckt. Somit kann das Bauteil einfach gebildet werden.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung der Vorrichtung sind der Abstand von der
Außenfläche angetriebene
Rollen vorgesehen, mittels welcher das vorgefertigte Profil mit
einem definierten Vorschub parallel zur Extrudierrichtung an der
Matrize entlangführbar
ist. Dieser Vorschub ist dabei auf die Geschwindigkeit abgestimmt,
mit welcher das Ausgangsmaterial durch die Extrudieröffnung extrudiert wird,
so dass es zu einer Verbindung zwischen dem gebildeten extrudierten
Profil und dem zweiten Abschnitt des vorgefertigten Profils kommt.
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Gemäß einer.
weiter bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
nehmen die Rollen den aus dem Extrudieren resultierenden Druck auf
das vorgefertigte Profil auf. Insbesondere beim Extrudieren von
Metallen entsteht ein hoher Druck in der Extrudieröffnung.
Der zweite Abschnitt des vorgefertigten Profils begrenzt vorliegend
die Extrudieröffnung.
Folglich wirkt der hohe Druck auf den zweiten Abschnitt, also auf
eine oder mehrere Flächen
desselben, und ist daher bestrebt, den zweiten Abschnitt aus der
Ausnehmung in der Matrize zu verdrängen. Entsprechend sind vorzugsweise
Mittel vorgesehen, welche das vorgefertigte Profil quer zur Extrudierrichtung
abstützen
und somit dem beim Extrudieren entstehenden Druck entgegenwirken.
Rollen stellen hierfür
besonders geeignete Mittel dar, da sie sowohl eine Relativbewegung
des vorgefertigten Profils bezüglich
der Matrize parallel zur Extrudierrichtung erlauben und gleichzeitig
eine Relativbewegung des vorgefertigten Profils relativ zu der Matrize quer
zu der Extrudierrichtung verhindern. Dabei kann es sich um dieselben
Rollen handeln, wie die angetriebenen Rollen.
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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 einen
Verfahrenszustand bei einem Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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2 einen
Schnitt A-A aus 1; und
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3 ein
gemäß dem in
den 1 und 2 beschriebenen Verfahren hergestelltes
Bauteil.
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In
den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche
Komponenten, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.
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1 zeigt
ein Extrudierwerkzeug 1, welches teilweise geschnitten
dargestellt ist. Das Extrudierwerkzeug 1 weist eine Zuführeinrichtung 2 und eine
Matrize 3 auf. Die Zuführeinrichtung 2 dient
der Zuführung
von beispielsweise zähflüssigem Aluminium 4 unter
hohem Druck mittels eines Kanals 5 an die Matrize 3.
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Die
Matrize 3 weist beispielsweise einen Querschnitt A-A auf,
der in 2 dargestellt ist. Die Matrize 3 ist
mit einer Extrudieröffnung 6 ausgebildet, welche
im Wesentlichen T-förmig
vorgesehen ist. Die Extrudieröffnung 6 wird
dabei durch Innenflächen 7 der
Matrize 3 sowie durch eine Stirnfläche 8 eines vorgefertigten
Profils 11 begrenzt.
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Das
vorgefertigte Profil 11 ist gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
mit einem T-förmigen
Querschnitt ausgebildet, wie 2 zu entnehmen
ist. Das Profil 11 setzt sich dabei aus einem ersten Abschnitt 12 (der
erste Abschnitt 12 ist beispielsweise einstückig mit
einer Zahnschiene 12A gebildet, wie in 3 dargestellt),
vorliegend der Fuß des T-Profils 11,
welcher außerhalb
der Matrize 3 angeordnet ist und einem zweiten Abschnitt 13,
vorliegend der Steg des T-Profils 11, welcher sich von
dem ersten Abschnitt 12 durch eine Ausnehmung 14 in
der Matrize 3 in diese hinein erstreckt. Die Ausnehmung 14 verläuft dabei
von einer Außenfläche 16 der
Matrize 3 hin zu der Extrudieröffnung 6.
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Der
Steg 13 des vorgefertigten Profils 11 könnte beispielsweise
mit bezüglich
der Extrudierrichtung 21 (entspricht im Wesentlichen der
Längsrichtung
des vorgefertigten Profils 11) hinterschnittenen Flächen, beispielsweise
mit einer Wellenform, ausgebildet sein. Die Wellenform ist in 1 gestrichelt
angedeutet und mit dem Bezugszeichen 13a versehen.
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Ferner
sind beispielsweise Rollen 15 beabstandet von der Außenfläche 16 vorgesehen.
Diese weisen einen nicht weiter dargestellten Antrieb auf, welcher
sie in der darstellten Pfeilrichtung rotieren lässt. Die Rollen 15 stehen
in reibflüssigem
Kontakt mit der von der Außenfläche 16 der
Matrize 3 ab gewandten Fläche 17 des Fußes 12.
Vorzugsweise sind die Rollen 15 an einer Basisstruktur 18 drehbar
gelagert befestigt, während
das Extrudierwerkzeug 1 an der Basisstruktur 18 fest
vorgesehen ist.
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Im
Anschluss an die im Wesentlichen konstruktive Beschreibung der Erfindung,
soll nun das erfindungsgemäße Verfahren
näher erläutert werden.
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Das
vorgefertigte Profil 11 wird beispielsweise in einem vorgelagerten
Prozess beispielsweise aus Titan hergestellt und anschließend dem
Extrudierwerkzeug 1 bzw. der Matrize 3, wie in
den 1 und 2 dargestellt, zugeführt.
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Mittels
der Rollen 15 wird das vorgefertigte Profil 11 an
der Matrize 3 entlang geführt. Dabei bildet die Stirnseite 8 des
Stegs 13 einen druckdichten Abschluss mit den Innenflächen 7 der
Matrize 3 und bildet somit die Extrudieröffnung 6 aus.
Gleichzeitig presst die Zuführeinrichtung 4 zähflüssiges Aluminiummaterial
durch den Kanal 5 in die gebildete Extrudieröffnung 6 hinein,
wodurch das zähflüssige Aluminiummaterial 4 die
Form der Extrudieröffnung 6 annimmt.
Sowie das aufgeschmolzene Aluminiummaterial 4 mit der Stirnfläche 8 des
Profils 11 in Kontakt kommt, verbindet sich das aufgeschmolzene
Aluminiummaterial 4 mit dieser. Das aufgeschmolzene Aluminiummaterial 4 wird
dabei in die mit dem Bezugszeichen 21 gekennzeichnete Extrudierrichtung
extrudiert. Somit wird ein extrudiertes Profil 25 gebildet, welches
gemäß dem vorliegenden
Ausführungsbeispiel
als ein T-Profil mit einem Fuß 26 und
einem Steg 27 ausgebildet ist. Der Vorschub des vorgefertigten
Profils 11 in die Vorschubrichtung 22 parallel
zu der Extrudierrichtung 21 ist derart vorgesehen, dass sich
das in der Matrize 3 befindliche Aluminiummaterial 4 bzw.
extrudierte Profil 25 problemlos mit der Stirnfläche 8 des
Profils 11 verbinden kann. Das Bilden des extrudierten
Profils 25 und das Verbinden desselben mit dem vorgefertigten
Profil 11 jeweils an ihren Stegen 27 bzw. 13 erfolgt
im Wesentlichen gleichzeitig. Das somit gebildete Bauteil 23 verlässt hiernach
die Matrize 3 in der Extrudierrichtung 21. Ein
Verbindungsbereich 24 (schematisch mit einer schräg gestrichelten
Linie deutlich) verbindet das weitere Profil 25 mit dem
vorgefertigten Profil 11.
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Das
so hergestellte Bauteil 23 ist perspektivisch in 3 beispielhaft
dargestellt. Das extrudierte Profil 25 einschließlich des
Bereichs des extrudierten Profils 25, welcher dem Verbindungsbereich 24 zugeordnet
ist, weist ein im Wesentlichen homogenes Gefüge auf und besitzt daher vorteilhafte
Materialeigenschaften.
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Hiernach
kann das Bauteil 23, insbesondere der Bereich des Bauteils 23,
welcher dem extrudierten Profil 25 zugeordnet ist, einem
geeigneten Wärmebehandlungsprozess
zum Verbessern der Materialeigenschaften desselben unterzogen werden.
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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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- 1
- Extrudierwerkzeug
- 2
- Zuführeinrichtung
- 3
- Matrize
- 4
- Aluminium
- 5
- Kanal
- 6
- Extrudieröffnung
- 7
- Innenfläche
- 8
- Stirnfläche
- 11
- vorgefertigtes
Profil
- 12
- erster
Abschnitt
- 12A
- Zahnschiene
- 13
- zweiter
Abschnitt
- 13a
- Wellenform
- 14
- Ausnehmung
- 15
- Rollen
- 16
- Außenfläche
- 17
- Fläche
- 18
- Basisstruktur
- 21
- Extrudierrichtung
- 22
- Vorschubrichtung
- 23
- Bauteil
- 24
- Verbindungsbereich
- 25
- extrudiertes
Profil
- 26
- Fuß
- 27
- Steg