DE102009024397A1

DE102009024397A1 - Bauteil, insbesondere thermisch und/oder mechanisch fügbares Schalenbauteil zur Bildung einer Rumpfzelle eines Flugzeugs

Info

Publication number: DE102009024397A1
Application number: DE102009024397A
Authority: DE
Inventors: Robert Alexander Dr.-Ing. Göhlich; Cihangir Dipl.-Ing. Sayilgan
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2009-06-09
Filing date: 2009-06-09
Publication date: 2010-12-16
Anticipated expiration: 2029-06-10
Also published as: DE102009024397B4; US20110031350A1; US8925864B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bauteil 1, 14, 19, 30, 39, 40, insbesondere ein thermisch und/oder mechanisch fügbares Schalenbauteil 47, 48 zur Bildung einer Rumpfzelle eines Flugzeugs, wobei das Bauteil 1, 14, 19, 30, 39, 40 einen Verbundaufbau aufweist. Erfindungsgemäß ist ein Randbereich 2, 20, 41 des ersten Bauteils 1, 19, 39 mit einem Randbereich 31, 42 eines zweiten einen Verbundaufbau aufweisenden Bauteils 14, 30, 40 unter Schaffung einer elektrisch leitfähigen Naht 15, 37, 45 verbunden. Infolge der sich beim Fügeprozess zwischen den Bauteilen 1, 14, 19 30, 39, 40, insbesondere den Schalenbauteilen 47, 48, ergebenden elektrisch leitfähigen Nähte 15, 37, 45, 49, dienen diese neben ihrer strukturmechanischen Funktion zugleich als Masserückführung 18, 38, 46, 55 für elektrische Verbraucher innerhalb des Flugzeugs. Die Vielzahl der durch die Fügeprozesse zwischen den Bauteilen 1, 14, 19, 30, 39, 40 geschaffenen Nähte 15, 37, 45 bildet ein Netzwerk von Masserückführungen 18, 38, 46, 55 für elektrische Verbraucher aller Art. Die Verlegung von separaten Masserückführungsleitungen - wie ansonsten in CFK-Rumpfzellen üblich - kann entfallen, woraus sich ein beträchtliches Gewichtsreduzierungspotenzial und eine signifikante Verminderung des Montageaufwandes ergeben. Darüber hinaus können die Nähte 15, 37, 45, 49 neben ihrer Rückleitungsfunktion zumindest teilweise auch die Funktion eines Blitzschutzsystems mit übernehmen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Bauteil, insbesondere ein thermisch und/oder mechanisch fügbares Schalenbauteil zur Bildung einer Rumpfzelle eines Flugzeugs, wobei das Bauteil einen Verbundaufbau aufweist.
Im heutigen Flugzeugbau werden Rumpfzellen immer noch überwiegend mit metallischen Werkstoffen, wie zum Beispiel mit Materialien aus Aluminium- oder aus Titanlegierungen hergestellt. Die Masserückführung für elektrische Verbraucher, die Sicherstellung eines ausreichenden Blitzschutzes und die Schaffung einer ausreichenden Abschirmwirkung gegenüber hochfrequenten elektromagnetischen Störstrahlungen stellen bei derartigen, im Wesentlichen rein metallischen Flugzeugrümpfen kein nennenswertes Problem dar, da die elektrisch hinreichend leitfähige Außenhaut der Flugzeugrumpfzelle selbst als Masserückführung für elektrische Verbraucher herangezogen werden kann und darüber hinaus einen ausreichenden Schutz gegenüber atmosphärischen Hochspannungsentladungen wie zum Beispiel Blitzen bietet und zudem auch gegenüber elektromagnetischen Störeinstrahlungen eine hinreichende Abschirmwirkung entfaltet.
Insbesondere aus Gründen der Gewichtseinsparung sowie des langfristig günstigeren Korrosionsverhaltens und des hierdurch bedingten verringerten Wartungs- und Betriebsaufwandes finden im modernen Flugzeugbau bei der Herstellung von Flugzeugrumpfzellen und aerodynamischen Wirkflächen zunehmend Verbundmaterialien, wie zum Beispiel kohlefaserverstärkte Epoxidharze (CFK-Materialien) Anwendung. Ein Nachteil von kohlefaserverstärkten Epoxidharzen ist jedoch deren begrenzte elektrische Leitfähigkeit, die zusätzliche Maßnahmen für den Blitzschutz und die Masserückführung von elektrischen Verbrauchern erfordert.
Um die benötigte geringe Leitfähigkeit für eine Masserückführung zu erreichen und um den notwendigen Blitzschutz zu gewährleisten, ist es aus dem Stand der Technik bekannt, metallische Masserückführungsschienen mittels geeigneter Befestigungselemente innenseitig auf der mit Faserverbundmaterialien hergestellten Flugzeugrumpfzelle anzuordnen. Derartige Masserückführungsschienen erhöhen jedoch das Gewicht der Flugzeugrumpfzelle, ohne jedoch einen nennenswerten Beitrag zur Erhöhung der Strukturfestigkeit zu leisten.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein einen Verbundaufbau aufweisendes Bauteil zu schaffen, bei dem durch das thermische Anfügen weiterer entsprechend aufgebauter Bauteile elektrisch leitfähige Nähte gebildet werden, die neben ihrer strukturellen Kernfunktion in Form der Lastübertragung ohne weitere Gewichtserhöhung unmittelbar zur Masserückführung für elektrische Verbraucher und/oder zum Blitzschutz dienen können.
Diese Aufgabe wird durch ein Bauteil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Dadurch, dass ein Randbereich des Bauteils mit einem Randbereich eines weiteren einen Verbundaufbau aufweisenden Bauteils unter Schaffung einer elektrisch leitfähigen Naht verbindbar ist, entsteht beim Zusammenfügen der Bauteile zu einer größeren Baueinheit, wie zum Beispiel zu einer Rumpfsektion eines Flugzeugrumpfes oder einer Tragfläche, ein elektrisch leitfähiges Netz aus (Längs- und Quer-)Nähten, das unmittelbar als Masserückführung für elektrische Verbraucher im Flugzeug und gegebenenfalls auch als Blitzschutz für die gesamte Flugzeugrumpfzelle einsetzbar ist. Der Terminus des Verbundaufbaus definiert einen komplexen und bereichsweise unterschiedlichen Lagenaufbau aus metallischen Schichten und Schichten, die mit einem faserverstärkten thermoplastischen oder duroplastischen Kunststoffmaterial gebildet sind.
Unter dem Begriff des thermischen Fügens sind im Kontext der vorliegenden Beschreibung und ohne Anspruch auf Vollständigkeit Verfahren wie zum Beispiel Reibrührschweißverfahren, Laserstrahlschweißverfahren, Schutzgasschweißverfahren, Lichtbogenschweißverfahren, Elektrodenschweißverfahren, Autogenschweißverfahren, Reibschweißverfahren sowie sämtliche Lötverfahren zu verstehen. Der Begriff des mechanischen Fügens definiert in diesem Zusammenhang das Vernieten oder das Verbolzen von zwei Bauteilen.
Nach Maßgabe einer vorteilhaften Weiterbildung des Bauteils ist vorgesehen, dass der Randbereich des Bauteils einen Schichtaufbau mit einer Vielzahl von übereinander angeordneten elektrisch leitfähigen Metallschichten aufweist, wobei die Metallschichten insbesondere mit einer Aluminiumlegierung, mit einer Titanlegierung, mit einer Edelstahllegierung oder mit einer beliebigen Kombination hiervon gebildet sind.
Infolge der übereinander angeordneten Metallschichten verfügt der Randbereich über eine hinreichend hohe elektrische Leitfähigkeit, um nach einem nahtbildenden Anfügen eines weiteren gleichartigen Bauteils mit einem entsprechenden Randbereich als Masserückführung für elektrische Verbraucher und/oder als Blitzschutz Verwendung finden zu können. Als Metallschichten kommen bevorzugt Titanlegierungen, Aluminiumlegierungen, Edelstahllegierungen oder eine Kombination von mindestens zwei dieser Legierungstypen zum Einsatz.
Eine vorteilhafte Fortentwicklung des Bauteils sieht vor, dass ein Hybridbereich des Bauteils einen Schichtaufbau aufweist, der mit einer Vielzahl von Verbundmaterialschichten und Metallschichten gebildet ist, die jeweils abwechselnd übereinander angeordnet sind.
Der Hybridbereich stellt sowohl in strukturmechanischer als auch in elektrischer Hinsicht einen Übergang zwischen dem eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweisenden Randbereich des Bauteils und den restlichen (außerrandseitigen) Flächenbereichen des Bauteils dar, die ausschließlich mit einem eine geringe elektrische Leitfähigkeit aufweisenden Verbundmaterial, wie zum Beispiel mit einem kohlefaserverstärkten Epoxidharz oder mit glasfaserverstärktem Polyesterharz gebildet sind, dar. Darüber hinaus stellt der Hybridbereich einen gleichmäßigen Lastübergang zwischen den mit Verbundmaterialien gebildeten Flächenbereichen und den ausschließlich mit elektrisch leitfähigen, metallischen Materialien hergestellten Randbereichen dar. Durch den wechselseitig verzahnten, fächerartigen Lagenaufbau des Hybridbereichs aus Verbundmaterialschichten (z. B. aus CFK) und den hiermit bevorzugt vollflächig unter Anwendung von Druck und/oder Temperatur abwechselnd verklebten bzw. ”verbackenen” Metallschichten (z. B. Titanlegierungsfolien oder Aluminiumfolien) wird ein inniger und mechanisch hochbelastbarer Verbund zwischen dem Flächenbereich des Bauteils und dessen Randbereich erreicht. Zumindest im Bereich mindestens einer Bauteilkante des Bauteils ist durchgängig ein Randbereich und daran anschließend bzw. darin übergehend ein Hybridbereich vorgesehen. Vorzugsweise sind jedoch sämtliche (Füge-)Kanten der Bauteile als Hybridbereiche mit metallischen Randbereichen ausgestattet.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Flächenbereiche der Bauteile mit einer Vielzahl von übereinander liegenden Verbundmaterialschichten gebildet sind.
Damit lassen sich diejenigen Bereiche des Bauteils, die über die größte Flächenerstreckung verfügen, mit einem gewichtssparenden aber dennoch mechanisch hochbelastbaren Material herstellen. Bevorzugt sind die Verbundmaterialschichten mit einem faserverstärkten thermoplastischen oder mit faserarmiertem duroplastischen Kunststoffmaterial gebildet.
Nach Maßgabe einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass eine Materialstärke der Verbundmaterialschichten in etwa einer Materialstärke der Metallschichten entspricht.
Hierdurch ist im Idealfall eine lückenlose und innige Verzahnung bzw. Verkämmung und demzufolge strukturmechanisch hochfeste Verbindung von zwei Bauteilen jeweils im Randbereich und damit im Bereich einer durch einen Fügeprozess herzustellenden Naht gegeben. Darüber hinaus wird in Hybridbereichen der Bauteile, in denen sich Verbundmaterialschichten jeweils lagenweise mit Metallschichten abwechseln, ein in strukturmechanischer Hinsicht vorteilhafter Aufbau erreicht.
Das insgesamt flächenhafte Bauteil verfügt bevorzugt über eine Materialstärke von bis zu 3,0 cm, wobei eine Materialstärke der Metallschichten sowie der Verbundmaterialschichten in einem Bereich von jeweils bis zu 0,3 mm liegt. Das Bauteil kann hierbei eine ebene, eine eindimensional oder auch eine zweidimensional (sphärisch) gekrümmte Oberflächengeometrie aufweisen.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des Bauteils sind die Verbundmaterialschichten mit einem faserverstärkten Kunststoffmaterial, insbesondere mit einem kohlefaserverstärkten Epoxidharz, gebildet.
Hierdurch verfügt das Bauteil über ausgezeichnete mechanische Eigenschaften, eine hohe Korrosionsfestigkeit und ist darüber hinaus kostengünstig und mit hoher Maßhaltigkeit herzustellen.
Nach Maßgabe einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Bauteils ist vorgesehen, dass der Randbereich des Bauteils mit mindestens einem weiteren Bauteil durch Verschweißen, Verlöten, Vernieten, Verbolzen oder eine beliebige Kombination der genannten Verfahren zur Schaffung der Naht verbindbar ist.
Durch die Anwendbarkeit einer Vielzahl unterschiedlicher thermischer und/oder mechanischer Fügetechniken ist das Bauteil universell bei der Herstellung großformatiger Baugruppen, wie zum Beispiel ganzer Rumpfsektionen oder Tragflächen flexibel einsetzbar, wobei durch den Fügeprozess zwischen den erfindungsgemäß ausgestalteten Bauteilen zugleich ein elektrisch leitfähiges Netzwerk aus (Längs- und Quer-)Nähten entsteht, das zur Masserückführung für elektrische Verbraucher und/oder zu Blitzschutzzwecken dienen kann.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die zwischen mehreren zusammengefügten Bauteilen jeweils gebildeten Nähte ein Erdungsnetzwerk zur Masserückführung für elektrische Verbraucher bilden.
Infolge der durch die Vielzahl der elektrisch leitfähigen Nähte zwischen den Bauteilen gebildeten netzartigen Struktur ergibt sich eine hochstromfähige Masserückführung, die die Verlegung zusätzlicher elektrischer Erdungsleitungen überflüssig macht und die zur allgemeinen Gewichtsreduktion beiträgt.
In der Zeichnung zeigt:
1 eine Querschnittsdarstellung durch zwei noch nicht gefügte Bauteile gemäß einer ersten Ausführungsvariante,
2 eine Querschnittsdarstellung der unter Herstellung einer elektrisch leitfähigen Naht thermisch gefügten Bauteile aus 1,
3 eine Querschnittsdarstellung durch zwei noch nicht gefügte Bauteile gemäß einer zweiten Ausführungsvariante,
4 eine Querschnittsdarstellung der unter Herstellung einer elektrisch leitfähigen Naht thermisch gefügten Bauteile aus 3,
5 eine dritte Ausführungsvariante der Bauteile zur Schaffung einer elektrisch leitfähigen Naht,
6 eine perspektivische Ansicht von zwei entlang einer elektrisch leitfähigen (Längs-)Naht zu einer (Teil-)Rumpfsektion zusammen gefügten Bauteilen mit einer Masserückführung, und
7 eine schematische Schnittdarstellung der in 6 gezeigten Bauteile im Bereich der Naht.
Die 1 illustriert eine Querschnittsdarstellung durch zwei erfindungsgemäß ausgeführte, jedoch noch nicht zusammen gefügte Bauteile gemäß einer ersten Ausführungsvariante.
Ein erstes Bauteil 1 umfasst einen Randbereich 2, einen Hybridbereich 3 bzw. Mischbereich sowie einen Flächenbereich 4. Im Randbereich 2 ist eine Vielzahl von elektrisch leitfähigen Metallschichten übereinander angeordnet, von denen eine Metallschicht 5 stellvertretend für alle übrigen eine Bezugsziffer trägt. Im Flächenbereich 4 ist das Bauteil 1 ausschließlich mit einer Vielzahl von parallel vollflächig übereinander geschichteten Verbundmaterialschichten gebildet, von denen eine Verbundmaterialschicht 6 repräsentativ für alle übrigen mit einer Bezugsziffer versehen ist. Im Hybridbereich 3 wechseln sich demgegenüber die Metallschichten 5 jeweils mit einer Verbundmaterialschicht 6 ab, wobei auf einer Oberseite 7 und einer Unterseite 8 des Bauteils 1 jeweils eine Metallschicht den Lagenaufbau abschließt. Die Metallschichten 5 im Randbereich 2 und im Hybridbereich 3 verlaufen jeweils gleichmäßig parallel beabstandet zueinander, wobei ein nicht bezeichneter Abstand zwischen den Metallschichten bevorzugt jeweils einer Materialstärke der Verbundmaterialschichten entspricht. Die Metallschichten 5 sind bevorzugt mit einer Titanlegierung gebildet, während als Verbundmaterialschicht 6 vorzugsweise kohlefaserverstärktes Epoxidharz (CFK) zum Einsatz kommt. Die zur Bildung der Me tallschichten eingesetzten Titanlegierungen verfügen über eine zum Zwecke der Masserückführung und/oder des Blitzschutzes hinreichend hohe elektrische Leitfähigkeit.
Alternativ können auch Aluminiumlegierungen oder Edelstahllegierungen als Metallschichten Verwendung finden, wobei bei der Auswahl des Materials für die Verbundmaterialschicht jedoch die Korrosionsresistenz und/oder die strukturelle Festigkeit im Zusammenwirken mit dem eingesetzten metallischen Material zu berücksichtigen ist. Beispielsweise lassen sich mit Aluminiumlegierungen gebildete Metallschichten aus Korrosionsschutzgründen nicht ohne weiteres mit Verbundmaterialschichten aus CFK-Materialien kombinieren. Metallschichten aus Aluminiumlegierungen lassen sich in der Regel nur mit Schichten aus glasfaserverstärkten Polyesterharzen oder mit glasfaserverstärkten Epoxidharzen (s. g. Glare^®) kombinieren.
Eine Länge 9 der obersten Metallschicht 5 ist vorzugsweise kleiner als eine Länge 10 einer untersten Metallschicht 11, das heißt, dass die Längen der Metallschichten im Randbereich 2 und Hybridbereich 3 ausgehend von der Oberseite 7 bis hin zu der Unterseite 8 des Bauteils 1 gestuft zunehmen, um eine effektive Lastüberleitung zu erreichen. Alternativ ist es möglich, die Längen der Metallschichten in den jeweiligen Lagen des Bauteils 1 gleich zu wählen. Die Materialstärken der Verbundmaterialschichten sowie der Metallschichten sind bevorzugt gleich gewählt, um einen gleichmäßigen Materialaufbau sicherzustellen. Zwischen den Metallschichten im Randbereich 2 besteht eine Vielzahl von kleinen rechteckförmigen Kavitäten 12, das heißt die Metallschichten verlaufen in diesem Bereich gleichmäßig parallel beabstandet zueinander.
Spiegelbildlich zur Symmetrieachse 13 ist in der Darstellung der 1 ein weiteres Bauteil 14 dargestellt, dessen Aufbau exakt dem des vorstehend bereits erläuterten Bauteils 1 entspricht. Sämtliche Verbundmaterialschichten und Metallschichten sind in beiden Bauteilen 1, 14 jeweils fest miteinander verbunden bzw. fest zusammengefügt (verbacken), was beispielsweise durch vollflächiges Verkleben unter hohem Druck erfolgen kann, so dass ein mechanisch hochbelastbarer Verbundaufbau entsteht. Die beiden gegenläufigen Pfeile symbolisieren die Richtung, in der beide Bauteile 1, 14 zusammengefügt werden (vgl. 2). Die zur Schaffung der Bauteile 1, 14 in Verbund- bzw. in Mischbauweise in der Regel jeweils zwischen den jeweiligen Schichten erforderlichen Klebeschichten sind der besseren zeichnerischen Übersicht in den 1, 2 sowie allen nachfolgenden Figuren nicht dargestellt.
Die 2 zeigt eine prinzipielle Querschnittsdarstellung der unter Schaffung einer Naht miteinander verschweißten Bauteile aus der 1.
Die Bauteile 1, 14 sind unter Schaffung einer elektrisch leitfähigen Naht 15 bzw. eines Nahtbereichs unter Anwendung eines der vorstehend erwähnten thermischen Fügeverfahren miteinander verschweißt. Hierbei greifen die Metallschichten der Bauteile 1, 14 jeweils wechselseitig ineinander, das heißt beide Randbereiche sind im Bereich der Naht 15 jeweils miteinander ”verkämmt”, um optimale strukturmechanische Eigenschaften der Verbindung sicherzustellen. Durch das Verkämmen der gegenüberliegenden Randbereiche sind die in 1 vorhandenen Kavitäten im Idealfall vollständig geschlossen, so dass sich deren Auffüllung mit einer Füllmasse erübrigt. Aufgrund der Verkämmung der beiden Bauteile können sich, in Abhängigkeit vom Schweißprozess, im Bereich der Naht 15 zwei kleine, vertikal gegenüberliegende Absätze 16, 17 bilden, deren Höhe jeweils einer Materialstärke der Metallschichten entspricht. Die elektrisch leitfähige Naht 15 ist erfindungsgemäß mit einer Masserückführung 18 für in 2 nicht dargestellte elektrische Verbraucher verbunden. Die solchermaßen ausgestalteten Bauteile 1, 14 weisen in fertigungstechnischer Hinsicht darüber hinaus den Vorteil auf, dass die äußerst steifen, mit Faserverbundmaterialien gebildeten Flächenbereiche auf einfache Art und Weise thermisch und/oder mechanisch gefügt werden können, wobei zugleich eine To leranzausgleichsmöglichkeit geschaffen wird. Der Einsatz aufwändiger ”Shim-Verfahren” zum Ausgleich von Fertigungstoleranzen, wie ansonsten bei reinen Faserverbundbauteilen, insbesondere bei CFK-Schalenbauteilen, unumgänglich, kann entfallen. Daneben werden die vor dem eigentlichen Fügen der Bauteile notwendigen Ausrichtprozesse vereinfacht.
Die 3 veranschaulicht eine Querschnittsdarstellung von zwei noch nicht gefügten Bauteilen gemäß einer zweiten Ausführungsvariante.
Ein erstes Bauteil 19 verfügt über einen schmalen metallischen Randbereich 20, der in einen Hybridbereich 21 und anschließend in einen Flächenbereich 22 übergeht. Der Randbereich 20 ist wiederum mit einer Vielzahl von übereinander beabstandet angeordneten Metallschichten gebildet, von denen eine Metallschicht mit der Referenznummer 23 bezeichnet ist. Der Hybridbereich 21 ist mit einer jeweils abwechselnden Schichtfolge von Metallschichten 23 und Verbundmaterialschichten 24 aufgebaut. Eine Oberseite 25 und eine Unterseite 26 des Bauteils 19 sind vorzugsweise jeweils mit einer Metallschicht gebildet. Im Bereich der Oberseite 25 des linken Bauteils 19 grenzen die Metallschicht 23 und die Verbundmaterialschicht 24 auf Stoß aneinander. Dasselbe gilt für die im Bereich der Unterseite 26 des Bauteils 19 befindlichen, nicht mit Bezugsziffern bezeichneten Verbundmaterial- und Metallschichten sowie alle weiteren Schichten.
Eine Kavität mit einer angenähert rechteckförmigen Querschnittsgeometrie zwischen zwei Metallschichten ist repräsentativ für alle übrigen mit der Bezugsziffer 27 versehen. Die Kavitäten weisen jeweils eine Höhe auf, die in etwa den Materialstärken der Verbundmaterialschichten entspricht. Im Unterschied zur ersten Ausführungsform sind im Allgemeinen zwischen den Metallschichten stirnseitig an die Verbundmaterialschichten anschließend, eine Vielzahl von Trennabschnitten zum Korrosionsschutz vorgesehen, von denen ein Trennabschnitt die Bezugsziffer 28 trägt. Die Trennab schnitte 28 verfügen über eine angenähert rechteckförmige Querschnittsgeometrie und fügen sich bevorzugt spaltfrei zwischen jeweils zwei Metallschichten unter Freilassung der Kavität 27 ein. Die Trennabschnitte können – in Abhängigkeit von den Materialzusammensetzungen der Verbundmaterialschichten und der Metallschichten sowie hiermit im Zusammenhang stehenden Korrosionsgefahren – mit einer großen Bandbreite von duroplastischen, thermoplastischen und/oder metallischen Werkstoffen gebildet sein.
Spiegelbildlich zu einer Symmetrieachse 29 befindet sich ein zweites Bauteil 30, dessen Aufbau dem des ersten Bauteils 19 einschließlich eines metallischen Randbereichs 31 exakt entspricht. Zwischen den Bauteilen 19, 30 ist ein für den Fügeprozess notwendiges metallisches Zwischenstück 32 positioniert, das insbesondere das Reibrührverschweißen der metallischen Randbereiche 20, 31 der Bauteile 19, 30 erleichtert. Die Trennabschnitte zum Korrosionsschutz sind nur erforderlich, wenn das Zwischenstück 32 mit einem Aluminiumlegierungsmaterial gebildet ist und die Verbundmaterialschichten mit einem kohlefaserverstärkten Epoxidharz aufgebaut sind, da bei dieser Materialzusammenstellung Korrosionserscheinungen zwischen der Aluminiumlegierung und den kohlefaserverstärkten Epoxidharzen auftreten. Ohne die Trennabschnitte 28 entspricht der Aufbau der Bauteile 19, 30 exakt der Ausgestaltung der in den 1, 2 bereits erläuterten Ausgestaltung der ersten Ausführungsvariante.
In das Zwischenstück 32 mit einer angenähert rechteckförmigen, beidseitig kammartigen Querschnittsgeometrie sind eine Vielzahl von rechteckförmigen Ausnehmungen, von denen zwei Ausnehmungen 33, 34 bzw. (Längs-)Nuten stellvertretend für alle übrigen mit einer Bezugsziffer versehen sind, eingelassen. Die Ausnehmungen 33, 34 wechseln sich mit korrespondierend ausgestalteten, kleinen Vorsprüngen auf beiden Seiten des Zwischenstücks 32 ab, von denen zwei Vorsprünge 35, 36 stellvertretend für die restlichen referenziert sind. Die Ausnehmungen bzw. die kammartigen Vorsprünge erstrecken sich senkrecht zur Zeichenebene über die gesamte Länge des Zwischenstücks 32 hinweg. In die Ausnehmungen 33, 34 können die zugehörigen Metallschichten im Idealfall vollständig formschlüssig eingesteckt werden bzw. die Vorsprünge in die Kavitäten der Randbereiche 20, 31 der Bauteile 19, 30 eingeschoben werden. Infolge der hierdurch bewirkten Führung und temporären Lagesicherung wird der thermische Fügeprozess, insbesondere der bevorzugte Reibrührschweißprozess, erleichtert. Hinsichtlich der Materialauswahl für die Metallschichten und Verbundmaterialschichten der Bauteile 19, 30. kann auf die im Rahmen der Beschreibung der 1, 2 bereits gemachten Ausführungen verwiesen werden.
Alternativ kann das Zwischenstück 32 entlang der Symmetrieline geteilt ausgeführt sein, so dass zwei spiegelbildlich zueinander ausgeführte, einseitig kammartige Zwischenstücke mit jeweils glatten Rückseiten entstehen. Das zweigeteilte Zwischenstück weist den Vorteil auf, dass die beiden (Teil-)Zwischenstücke vorfertigungsseitig mittels geeigneter Verfahren jeweils in die Randbereiche 20, 31 der Bauteile 19, 30 integriert bzw. hierin befestigt werden können, wobei sich ”glatte”, insbesondere auf Stoß thermisch fügbare Bauteilkanten ergeben.
4 zeigt eine Querschnittsdarstellung der unter Verwendung des Zwischenstückes zusammengefügten Bauteile gemäß 3. Die Bauteile 19, 30 sind nicht unmittelbar miteinander auf Stoß thermisch gefügt, sondern zwischen dem Randbereich 20 des linken Bauteils 19 und dem Randbereich 31 des rechten Bauteils 30 ist das Zwischenstück 32 eingeschweißt bzw. eingelötet.
Zur Schaffung einer Naht 37 werden die Randbereiche 20, 31 unter Einbeziehung des Zwischenstücks 32 mittels geeigneter thermischer Fügeverfahren fest zusammengefügt. Als thermische Fügeverfahren können zum Beispiel das Reibrührschweißverfahren, Standard-Schweißverfahren (Lichtbogen-Schweißverfahren, Widerstandsschweißverfahren), Laser-Schweißverfahren sowie Lötverfahren zur Anwendung kommen. Darüber hinaus erlaubt das Zwischenstück 32 eine erleichterte elektrische Kontaktierung und mechanische Anbindung ei ner Masserückführung 38 für elektrische Verbraucher, zum Beispiel durch eine integrierte Gewindebohrung. Ferner gestattet das Zwischenstück 32 im Vergleich zur ersten Ausführungsvariante der Bauteile 1, 14 eine versatzfreie Verbindung zwischen den Bauteilen 19, 30.
Für den Fall, dass das Zwischenstück 32 mit einer Aluminiumlegierung gebildet ist, können die Bauteile 19, 30 unter Einbeziehung des Zwischenstücks 32 aufgrund der relativ geringen Schmelztemperatur der Aluminiumlegierung in vorteilhafter Weise mittels des bekannten Reibrührschweißverfahrens zu einer größeren Baugruppe, wie beispielsweise einer Rumpfsektion eines Flugzeugs, gefügt werden. Der Einsatz einer Aluminiumlegierung für das Zwischenstück 32 erfordert jedoch zwingend die Integration der weiter oben beschriebenen Trenn- bzw. Isolationsabschnitte (vgl. Bezugsziffer 28). Hierdurch werden unerwünschte Korrosionsprozesse zwischen dem Zwischenstück 32 und den beidseitig hieran jeweils stirnseitig anschließenden Verbundmaterialschichten, die im Allgemeinen mit kohlefaserverstärkten Epoxidharzen aufgebaut sind, vermieden.
Sollen jedoch für das Zwischenstück 32 andere, insbesondere höher schmelzende Metalllegierungen, wie zum Beispiel Titanlegierungen und/oder Edelstahllegierungen verwendet werden, kann das Reibrührschweißverfahren im Allgemeinen nicht mehr eingesetzt werden, so dass auf die oben beschriebenen, alternativen thermischen Fügeverfahren zurückgegriffen werden muss, mit denen höhere Temperaturen im Fügebereich erreichbar sind. In dieser Konstellation sind die Trennabschnitte entbehrlich, da zwischen Titanlegierungen und/oder Edelstahllegierungen einerseits und kohlefaserverstärkten Epoxidharzen andererseits keinerlei Korrosionseffekte auftreten.
Das Zusammenfügen der Bauteile 19, 30 unter Verwendung des Zwischenstücks 32 erlaubt eine unter strukturmechanischen Gesichtspunkten vorteilhaftere Verbindung der beiden zu fügenden Bauteile 19, 30, wobei die Anwendung des Reibrührschweißverfahrens eröffnet wird. Die Reibrührverschweißung selbst erfolgt vorrangig in den beiden zueinander weisenden Randbereichen 20, 31 der Bauteile 19, 30 bzw. des Zwischenstücks 32.
Die 5 zeigt eine dritte Ausführungsform der Bauteile. Im Gegensatz zu den ersten beiden Varianten der Bauteile nach Maßgabe der 1 bis 4 weisen die Bauteile 39, 40 in den Randbereichen 41, 42 Metallschichten 43, 44 auf, die unmittelbar aufeinander aufliegen. Regelmäßige bzw. rechteckförmige Kavitäten zwischen den Metallschichten sind nicht vorhanden. Diese im Vergleich zur Ausführungsform nach 1 bis 4 gebogene Ausgestaltung der Metallschichten kann beispielsweise durch einen Umformprozess erreicht werden. Für diesen Umformprozess müssen gegebenenfalls die Längen der Metallschichten in den Randbereichen 41, 42 derart variiert werden, dass sich ein bündiger Abschluss der Metallschichten, das heißt eine gerade vertikale Kante, ergibt.
Die Metallschichten 43, 44 der Bauteile 39, 40 bilden im Bereich einer durch einen geeigneten thermischen Fügeprozess herzustellenden Naht 45 jeweils eine ”kompakte” Metallschicht. Zur Schaffung der elektrisch leitfähigen Naht 45 können die Randbereiche 41, 42 der Bauteile 39, 40 durch bekannte thermische Fügeverfahren auf Stoß zusammen gefügt werden. An der elektrisch leitfähigen Naht 45 ist wiederum eine Masserückführung 46 für in 5 nicht dargestellte elektrische Verbraucher angeschlossen.
Die 6 veranschaulicht in einer perspektivischen Ansicht zwei entlang einer elektrisch leitfähigen Naht zu einer (Teil-)Rumpfsektion zusammen gefügte Schalenbauteile mit einer Masserückführung.
Zwei, in diesem Ausführungsbeispiel als Schalenbauteile 47, 48 ausgeführte Bauteile sind entlang einer elektrisch leitfähigen (Längs-)Naht 49 zu einer (Teil-)Rumpfsektion 50 eines Flugzeugs miteinander verbunden. Die Naht 49 kann wahlweise nach Maßgabe der in den 2 bis 5 beschriebenen Art hergestellt werden. Um elektrisch leitfähige Quernähte herstellen zu können, weisen sämt liche Querkanten 51 bis 54 der Schalenbauteile 47, 48 jeweils Randbereiche auf, deren konstruktiver Aufbau jeweils den Randbereichen eines der in den 1 bis 5 schematisch dargestellten Bauteile mit einer Vielzahl von übereinander angeordneten Metallschichten entspricht. An die elektrisch leitfähige (Längs-)Naht ist erfindungsgemäß eine Masserückführung 55 für elektrische Verbraucher angeschlossen.
Aus den erfindungsgemäß ausgebildeten Schalenbauteilen 47, 48 können somit beispielsweise Rumpfsektionen unter Schaffung einer Vielzahl von elektrisch leitfähigen Längsnähten gefertigt werden. Diese Rumpfsektionen können dann unter Schaffung von gleichfalls elektrisch leitfähigen Quernähten zu vollständigen Flugzeugrumpfzellen integriert werden, wobei die Längsnähte und die Quernähte eine netzartige Masserückführung für elektrische Verbraucher und/oder eine Blitzschutzeinrichtung darstellen. Bevorzugt sind sämtliche zur Bildung der Flugzeugrumpfzelle dienenden Bauteile allseitig mit elektrisch leitfähigen Randbereichen ausgestattet, deren Aufbau den Randbereichen der Bauteile nach Maßgabe der 1 bis 5 entspricht.
Die 7 zeigt eine schematisierte Querschnittsdarstellung im Bereich der durch die Naht 49 verbundenen Schalenbauteile 47, 48 der in 6 illustrierten (Teil-)Rumpfsektion.
Die Schalenbauteile 47, 48 sind durch die elektrisch leitfähige (Längs-)Naht 49 miteinander verbunden. Diese Naht 49 ist mit der Masserückführung 55 und über eine weitere Verbindungsleitung 56 mit einer Vielzahl von elektrischen Leitungen 57 verbunden, die zum Beispiel zur Versorgung von elektrischen Verbrauchern dienen. Die elektrischen Leitungen 57 sind mittels zweier Halterungen 58, 59 auf einem Spant 60 befestigt. Der Spant 60 selbst ist durch zwei Anbindungswinkel 61, 62 mit den Schalenbauteilen 47, 48 verbunden.

1: Bauteil (erstes)
2: Randbereich (erstes Bauteil)
3: Hybridbereich
4: Flächenbereich
5: Metallschicht
6: Verbundmaterialschicht
7: Oberseite (Bauteil)
8: Unterseite (Bauteil)
9: Länge (Metallschicht)
10: Länge (Metallschicht)
11: Metallschicht
12: Kavität
13: Symmetrieachse
14: Bauteil (zweites)
15: Naht(-bereich)
16: Absatz
17: Absatz
18: Masserückführung
19: Bauteil (erstes)
20: Randbereich (erstes Bauteil)
21: Hybridbereich
22: Flächenbereich
23: Metallschicht
24: Verbundmaterialschicht
25: Oberseite (Bauteil)
26: Unterseite (Bauteil)
27: Kavität
28: Trennabschnitt
29: Symmetrieachse
30: Bauteil (zweites)
31: Randbereich (zweites Bauteil)
32: Zwischenstück
33: Ausnehmung (Nut)
34: Ausnehmung (Nut)
35: Vorsprung
36: Vorsprung
37: Naht(-bereich)
38: Masserückführung
39: Schalenbauteil (erstes)
40: Schalenbauteil (zweites)
41: Randbereich
42: Randbereich
43: Metallschicht
44: Metallschicht
45: Naht(-bereich)
46: Masserückführung
47: Schalenbauteil
48: Schalenbauteil
49: Naht(-bereich)
50: (Teil-)Rumpfsektion
51: Querkante
52: Querkante
53: Querkante
54: Querkante
55: Masserückführung
56: Verbindungsleitung
57: elektrische Leitungen (Leitungsbus)
58: Halterung
59: Halterung
60: Spant
61: Anbindungswinkel
62: Anbindungswinkel

Claims

Bauteil (1, 14, 19, 30, 39, 40), insbesondere thermisch und/oder mechanisch fügbares Schalenbauteil (47, 48) zur Bildung einer Rumpfzelle eines Flugzeugs, wobei das Bauteil (1, 14, 19, 30, 39, 40) einen Verbundaufbau aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Randbereich (2, 20, 41) des Bauteils (1, 19, 39) mit einem Randbereich (31, 42) eines weiteren einen Verbundaufbau aufweisenden Bauteils (14, 30, 40) unter Schaffung einer elektrisch leitfähigen Naht (15, 37, 45, 49) verbindbar ist.
Bauteil (1, 14, 19, 30, 39, 40) nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Randbereich (2, 20, 31, 41, 42) des Bauteils (1, 14, 19, 30, 39, 40) einen Schichtaufbau mit einer Vielzahl von übereinander angeordneten elektrisch leitfähigen Metallschichten (5, 11, 23, 43, 44) aufweist, wobei die Metallschichten (5, 11, 23, 43, 44) insbesondere mit einer Aluminiumlegierung, mit einer Titanlegierung, mit einer Edelstahllegierung oder mit einer beliebigen Kombination hiervon gebildet sind.
Bauteil (1, 14, 19, 30, 39, 40) nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hybridbereich (3) des Bauteils (1, 14, 19, 30, 39, 40) einen Schichtaufbau aufweist, der mit einer Vielzahl von Verbundmaterialschichten (6) und Metallschichten (5, 11, 23, 43, 44) gebildet ist, die jeweils abwechselnd übereinander angeordnet sind.
Bauteil (1, 14, 19, 30, 39, 40) nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Flächenbereich (4) der Bauteile (1, 14, 19, 30, 39, 40) mit einer Vielzahl von übereinander liegenden Verbundmaterialschichten (6) gebildet ist.
Bauteil (1, 14, 19, 30, 39, 40) nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Materialstärke der Ver bundmaterialschichten (6) in etwa einer Materialstärke der Metallschichten (5, 11, 23, 43, 44) entspricht.
Bauteil (1, 14, 19, 30, 39, 40) nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbundmaterialschichten (6) mit einem faserverstärkten Kunststoffmaterial, insbesondere mit einem kohlefaserverstärkten Epoxidharz, gebildet sind.
Bauteil (1, 14, 19, 30, 39, 40) nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Randbereich (2, 20, 41) des Bauteils (1, 19, 39) mit mindestens einem weiteren Bauteil (14, 30, 40) insbesondere durch Verschweißen, Verlöten, Vernieten, Verbolzen oder eine beliebige Kombination der genannten Verfahren, zur Schaffung der elektrisch leitfähigen Naht (15, 37, 45) verbindbar ist.
Bauteil (1, 14, 19, 30, 39, 40) nach einem der Patentansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zwischen mehreren zusammengefügten Bauteilen (1, 14, 19, 30, 39, 40), insbesondere Schalenbauteilen (47, 48), jeweils gebildeten Nähte (15, 37, 45, 49) ein Erdungsnetzwerk zur Masserückführung (18, 38, 46, 55) für elektrische Verbraucher bilden.