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Die Erfindung betrifft ein Versteifungsbauteil zur Überwachung der Funktionsfähigkeit einer zwischen diesem und einem weiteren Bauteil herzustellenden Strukturklebeschicht.
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Darüber hinaus hat die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer insbesondere hinsichtlich ihrer Funktionsfähigkeit überprüfbaren Strukturklebeschicht zwischen einem derartigen Versteifungsbauteil und einem weiteren Bauteil zum Gegenstand. Schließlich betrifft die Erfindung ein Kammwerkzeug, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens.
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Im modernen Flugzeugbau finden zunehmend CFK-Komponenten Verwendung. Die von Zulieferern hergestellten CFK-Bauteile werden innerhalb einer zeitkritischen Fertigungsphase in die herzustellenden Flugzeugstrukturen eingeklebt. Sensoren zur zerstörungsfreien Überwachung der Funktionalität der so gebildeten Klebeverbindungen (s. g. „NDT” Non Destructive Testing) während des Fertigungsprozesses und im laufenden Flugbetrieb werden zur Zeit, unter anderem aus Kostengründen, nicht in die Baugruppen integriert. Derartige Sensoren, bei denen es sich zum Beispiel um so genannte „SHM-Sensoren” (Structure-Health-Monitoring-Sensoren) handelt, sind jedoch vorteilhaft, da die zurzeit zur Verfügung stehenden, numerischen Berechnungsalgorithmen zur Ermittlung der Lasttragfähigkeit von CFK-Bauteilen und deren Klebeverbindungen nicht mit der notwendigen Genauigkeit arbeiten, um das volle Gewichtseinsparungspotenzial der CFK-Baugruppen im Vergleich zur klassischen Aluminiumbauweise ausschöpfen zu können. Dies bedeutet, dass bei CFK-Baugruppen zum Ausgleich der unvermeidbaren Berechnungsunsicherheiten in der Regel eine zusätzliche mechanische Sicherheit durch die Erhöhung der Materialstärke des Bauteils und/oder eine Verstärkung der Klebeverbindungen vorgesehen werden muss. Hieraus resultiert im Allgemeinen eine unerwünschte Gewichtserhöhung des CFK-Bauteils.
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Darüber hinaus ist der Fertigungsprozess von großformatigen, komplexen CFK-Bauteilen extrem zeitkritisch, da die Aushärtungsprozesse der eingesetzten Duroplaste, wie zum Beispiel der verbreitet Verwendung findenden Epoxidharze, zeitlich eng toleriert sind. Somit ist es nach dem Stand der Technik zur Zeit nicht möglich, eine komplexe Sensorik zum Structure-Health-Monitoring während des Fertigungsprozesses in die CFK-Baugruppen zu integrieren.
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Die
WO 01/84102 A1 offenbart ein Vakuumsystem und ein Verfahren zur Rissdetektion sowie zur Erfassung des Rissfortschrittes in Komponenten und Strukturen. Das vorbekannte System ist jedoch nicht zum kontinuierlichen Monitoring einer Strukturklebeschicht zwischen zwei klebeweise gefügten Bauteilen vorgesehen. Ferner kann das Vakuumsystem nicht ohne Zeitverlust in eine große Stückzahl von Strukturbauteilen integriert werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Versteifungsbauteil zur Bildung komplexer, großformatiger Bauteile, insbesondere CFK-Baugruppen, zu schaffen, das bereits während seines Herstellungsprozesses mit Sensoren zur Überwachung der Funktionalität der später herzustellenden Klebeverbindungen ausgerüstet ist. Darüber hinaus ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen komplexen CFK-Bauteils sowie ein Kammwerkzeug anzugeben.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird zunächst durch ein Versteifungsbauteil nach Maßgabe des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Dadurch, dass im Bereich der Strukturklebeschicht eine Vielzahl das Versteifungsbauteil und die Strukturklebeschicht sowie einen Sensorblock durchsetzende Luftöffnungen und Vakuumöffnungen vorhanden sind und die Luftöffnungen über mindestens einen Luftkanal und die Vakuumöffnungen über mindestens einen Vakuumkanal untereinander verbunden sind, wobei die Kanäle im Sensorblock verlaufen und mindestens einer der Kanäle an eine Auswerteeinheit anschließbar ist, um ein Versagen der Strukturklebeschicht festzustellen, verfügt das Versteifungsbauteil bereits herstellerseitig über die gewünschte Überwachungseinrichtung (SHM-Sensorik), die bereits während des Herstellungsprozesses und darüber hinaus im Bedarfsfall während des Betriebs des Flugzeugs eine Überprüfung der Funktion der Strukturklebeschicht ermöglicht. In vorteilhafter Weise kann das erfindungsgemäße Versteifungsbauteil in Seitenleitwerken, Tragflächen oder Höhenleitwerken moderner Bauart zum Einsatz kommen, bei denen eine Überprüfung auf Klebeschichtablösungen von außen, wenn überhaupt, nur mit hohem Aufwand möglich ist. Darüber hinaus ist das Versteifungsbauteil in allen technischen Bereichen, wie zum Beispiel im Schiffbau und im Fahrzeugbau sowie im Bereich der regenerativen Energieerzeugung, bei denen eine dauernde oder eine fallabhängige Überwachung von strukturellen Verklebungen notwendig ist, einsetzbar.
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Bei dem hier eingesetzten Messprinzip entsteht in einem Fehlerfall in der Strukturklebeverbindung eine Druckdifferenz zwischen einem Luftkanal mit einer Vielzahl von Luftbohrungen, die unter normalem Umgebungsluftdruck stehen, d. h. mit der Atmosphäre verbunden sind, und einem Vakuumkanal mit einer Vielzahl von Vakuumbohrungen, in denen ein im Vergleich zu den Luftbohrungen reduzierter Luftdruck besteht. Die Kanäle stehen über die Luft- und die Vakuumbohrungen mit der Strukturklebeschicht zwischen dem Versteifungsbauteil und einem weiteren Bauteil in einer pneumatischen Wirkverbindung. Jede auch noch so geringfügige Änderung der gemessenen Druckdifferenz zwischen dem Luftkanal und dem Vakuumkanal in einem Fehlerfall wird mittels einer Auswerteeinheit, die zum Beispiel über eine Schlauchleitung mit einem Adapterstück an den Vakuumkanal angeschlossen ist, ausgewertet und zur Anzeige gebracht. Zu diesem Zweck misst die Auswerteeinheit ständig die Druckdifferenz zwischen dem Umgebungsluftdruck und dem aktuellen Druck im Vakuumkanal. Typischerweise ist eine in der Auswerteeinheit integrierte Vakuumpumpe so dimensioniert, dass sich im Normalfall eine konstante Druckdifferenz in der Größenordnung von 200 hPa (200 mbar) zwischen dem Vakuumkanal und dem Luftkanal einstellt. Andere konstante Druckdifferenzwerte in einem Bereich zwischen 200 hPa und 800 hPa sind gleichfalls möglich. Ein typischer Fehlerfall, der mittels der in das Versteifungsbauteil integrierten pneumatischen SHM-Sensorik detektierbar ist, wäre zum Beispiel eine zumindest bereichsweise Ablösung der Strukturklebeschicht von einem der gefügten Bauteile. Sämtliche Luftbohrungen, Vakuumbohrungen, Luft- und Vakuumkanäle sind Bestandteile von Sensorblock bzw. Versteifungsbauteil und somit sehr robust gegenüber schädlichen Umwelteinflüssen und demzufolge ausfallsicher.
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Infolge dieser speziellen Ausgestaltung des Versteifungsbauteils kann dieses ohne nennenswerten Zeitverzug unmittelbar in einer Fertigungslinie von CFK-Komponenten verbaut, das heißt zum Beispiel mit anderen CFK-Bauteilen verklebt werden. Nach dem Verkleben des Versteifungsbauteils mit dem weiteren Bauteil ist es nur noch erforderlich, in einem abschließenden Verfahrensschritt einen Verschlussdeckel zur luftdichten Versiegelung der Luftkanäle und der Vakuumkanäle aufzubringen. Die in das Versteifungsbauteil integrierte Vakuum-Sensorik erlaubt eine im Bedarfsfall kontinuierliche Überwachung der Strukturklebeschicht im Flugbetrieb auch im Fall von neuartigen CFK-Strukturbauteilen, die Hartschaumkomponenten enthalten, und die beispielsweise mittels der konventionellen Ultraschallprüfung nicht auf Klebeschichtablösungen und/oder Delaminationen überprüft werden können. Ferner macht die Erfindung eine Vielzahl von manuell durchzuführenden und daher kostenintensiven Prüfverfahren im Wartungsbetrieb überflüssig. Daneben erlaubt das Versteifungsbauteil die Kontrolle von strukturellen Verklebungen, die zwar mit der vorhandenen konventionellen Prüftechnik analysiert werden könnten, aber räumlich nicht oder nur schwer zugänglich sind. Die Auswerteeinheit kann entweder dauerhaft oder im Bedarfsfall, das heißt bei der Notwendigkeit einer Kontrolle der Strukturverklebung, mit dem Sensorblock verbunden sein.
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Im vorgefertigten (Anlieferungs-)Zustand des „über Eigenintelligenz verfügenden” Versteifungsbauteils ist der mindestens eine Sensorblock im Bereich der herzustellenden Strukturklebeschicht aufgeklebt, wobei die Luft- und Vakuumöffnungen das Versteifungsbauteil und den Sensorblock vollständig (vertikal) durchsetzen und in die gleichfalls schon eingearbeiteten Luft- und Vakuumkanäle münden. Darüber hinaus ist das Kammwerkzeug in die Luft- und Vakuumöffnungen eingesteckt und auf dem Sensorblock fixiert.
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Nach Maßgabe einer vorteilhaften Weiterbildung des Versteifungsbauteils ist vorgesehen, dass die Auswerteeinheit mindestens eine Vakuumpumpe aufweist, um einen Luftdruck im Vakuumkanal bis auf einen Wert abzusenken, der unterhalb des Umgebungsluftdrucks liegt.
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Hierdurch strömt in einem Versagensfall der Strukturklebeschicht Luft aus der Umgebung durch die Fehlstelle hindurch bis in die Vakuumöffnungen und von dort in den Vakuumkanal. Eine hierdurch bewirkte Druckänderung im Vakuumkanal wird mittels eines zur Durchführung der Prüfung angeschlossenen Schlauches an die Auswerteeinheit weitergeleitet, dort zum Beispiel mittels eines Drucksensors elektronisch erfasst und für einen Benutzer zur Anzeige gebracht. Alternativ kann die Auswerteeinheit einen Kompressor beinhalten, um in Bezug zum Umgebungsluftdruck einen hochkonstanten Überdruck im Luftkanal zu erzeugen, wobei die Auswerteeinheit über eine Schlauchleitung mit dem Luftkanal verbunden ist und im Vakuumkanal Umgebungsluftdruck herrscht. Stellt sich ein – wenn auch nur geringfügiger – Druckabfall im Luftkanal ein, so ist dies ein Hinweis auf einen Defekt im Bereich der Strukturklebeschicht.
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Eine Fortbildung des Versteifungsbauteils sieht vor, dass der Sensorblock auf einer Oberseite des Versteifungsbauteils befestigt, insbesondere mit einer Klebeschicht aufgeklebt, ist und in den Sensorblock ein Kammwerkzeug einsteckbar ist.
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Hierdurch ist die Überwachungssensorik zum Monitoring der Strukturklebeschicht bereits herstellerseitig integraler Bestandteil des Versteifungsbauteils und kann unmittelbar in zeitkritischen Fertigungslinien von CFK-Bauteilen verbaut werden. Bevorzugt wird die Überwachungssensorik bereits bei einem externen Zulieferer in das Versteifungsbauteil, bei dem es sich beispielsweise um einen Stringer oder einen Spant handeln kann, integriert. Das eingesteckte Kammwerkzeug sichert die feinen Vakuum- und Luftöffnungen vor Verschmutzungen während Transport und Lagerung. Ferner wird beim Verkleben des Versteifungsbauteils mit einem weiteren Strukturbauteil das Eindringen von Klebstoff in die Bohrungen verhindert. Um diesen Zweck zu erreichen, verfügt das Kammwerkzeug – in Abhängigkeit von der Anordnung der Luft- und Vakuumöffnungen – beispielsweise über zwei parallel zueinander beabstandet angeordnete Reihen von Bohrungsstiften (Passstifte), deren Durchmesser geringfügig kleiner oder gleich dem Durchmesser der Luft- und Vakuumbohrungen gewählt ist. Alternativ kann eine leichte Presspassung vorgesehen sein, um einen ausreichend festen und dichten Sitz des Kammwerkzeugs auf dem Versteifungsbauteil bzw. dem Sensorblock bei dessen Weiterverarbeitung zu gewährleisten.
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Nach Maßgabe einer weiteren Ausgestaltung sind die Luftöffnungen und die Vakuumöffnungen als Luft- und Vakuumbohrungen ausgebildet, die jeweils einen Durchmesser von bis zu 1 mm aufweisen und jeweils bevorzugt entlang mindestens einer Bohrungsreihe in jeweils einem Bohrungsabstand zwischen 1 mm und 1.000 mm (1 m) voneinander positioniert sind.
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Vorzugsweise sind die Luft- und Vakuumöffnungen, insbesondere um den Produktionsprozess zu vereinfachen, als Bohrungen ausgeführt. Die Öffnungen können eine hiervon abweichende Gestalt aufweisen und zum Beispiel als Langlöcher, Schlitze oder Nuten ausgeführt sein.
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Die genannten Abmessungen der Luft- und Vakuumbohrungen gewährleisten ein hinreichend dichtes Überwachungsraster zur lückenlosen Überwachung der Strukturklebeschicht und sichern daneben ein ausreichend empfindliches Ansprechverhalten im Fehlerfall. Die Dimensionierung vermeidet darüber hinaus Fehlalarme durch die Unterdrückung von zu kleinen Druckschwankungen im Vakuumkanal.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterentwicklung des Versteifungsbauteils sieht vor, dass der mindestens eine Luftkanal und der mindestens eine Vakuumkanal nebeneinander verlaufen.
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Dies ermöglicht eine fertigungstechnisch einfache Herstellung der Kanäle, beispielsweise durch das Einfräsen von Nuten mit einer rechteckförmigen Querschnittsgeometrie in den Sensorblock. Die Nuten können jede denkbare, von der rechteckförmigen Form abweichende Querschnittsgeometrie aufweisen. Vorzugsweise verlaufen die Kanäle parallel beabstandet zueinander. Grundsätzlich können die Kanäle auch einen vom geradlinigen Verlauf abweichenden Verlauf haben und beispielsweise mäandrierend ausgeführt sein.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Versteifungsbauteils ist der Sensorblock mit mindestens einem, insbesondere mittels einer Klebeschicht aufgeklebten, Verschlussdeckel druckdicht versiegelt.
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Hierdurch werden die Luftkanäle und die Vakuumkanäle luft- und druckdicht versiegelt, so dass hierüber keine Falschluft zur Auswerteeinheit gelangen kann, die zu Fehlalarmen führen würde. Im Fall einer zweiten Verfahrensalternative, bei der der Sensorblock umgedreht, das heißt um 180° um seine Längsachse verdreht, auf das Versteifungsbauteil aufklebt wird, ist der Verschlussdeckel entbehrlich, da die offenen Kanäle nach unten weisen.
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Bei einer weiteren Ausgestaltung des Versteifungskanals ist zwischen dem mindestens einen Luftkanal und dem mindestens einen Vakuumkanal zumindest abschnittsweise ein Kalibrierungskanal angeordnet.
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Mittels des Kalibrierungskanals werden Einflüsse von Druck- und Temperaturschwankungen auf das Überwachungsergebnis kompensiert. Hierzu ist der Kalibrierungskanal mit der Auswerteeinheit mittels einer Schlauchleitung verbunden. Durch eine Differenzbildung zwischen dem aktuellen Druckwert im Kalibrierungskanal und dem zugehörigen Druckwert im Vakuumkanal werden die Einflüsse von Druck- und Temperaturschwankungen aus dem Überwachungsergebnis heraus gerechnet.
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Darüber hinaus wird die erfindungsgemäße Aufgabe durch ein Verfahren nach Maßgabe des Patentanspruchs 8 mit den folgenden Schritten gelöst:
- a) Aufkleben eines mindestens einen Luftkanal und mindestens einen Vakuumkanal enthaltenden Sensorblocks auf das Versteifungsbauteil,
- b) Einbringen einer Vielzahl von durchgehenden Luftöffnungen und Vakuumöffnungen in den Sensorblock und das Versteifungsbauteil,
- c) Einstecken mindestens eines Kammwerkzeugs mit einer Vielzahl von Bohrungsstiften in die Luftöffnungen sowie die Vakuumöffnungen und temporäres Anbinden des Kammwerkzeugs an den Sensorblock,
- d) Verkleben des weiteren Bauteils mit dem Versteifungsbauteil, wobei sich die Bohrungsstifte des Kammwerkzeugs durch die Strukturklebeverbindung bis auf eine Oberseite des Bauteils hindurchdrücken,
- e) Entfernen des Kammwerkzeugs vom Versteifungsbauteil, und
- f) Aufkleben eines Verschlussdeckels auf den Sensorblock.
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Diese Abfolge von Verfahrensschritten ermöglicht eine Vorabintegration der SHM-Sensorik in das Versteifungsbauteil vor dessen Einbau sowie die Herstellung einer Strukturklebeverbindung zwischen dem solchermaßen vorausgerüsteten Versteifungsbauteil und einem weiteren Bauteil, so dass eine permanente Funktionskontrolle der Strukturklebeschicht im gefügten Bauteil eröffnet wird. Dabei kann das neuartige Versteifungsbauteil, ohne Verzögerungen im Produktionsprozess zu verursachen, in einer bestehenden, in der Regel zeitkritischen industriellen Fertigungslinie für großformatige CFK-Bauteile unter Beibehaltung der vorhandenen Produktionsmittel in hohen Stückzahlen verbaut werden.
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Im Verfahrensschritt a) wird zunächst der Sensorblock, der mindestens einen Luftkanal und mindestens einen Vakuumkanal umfasst, im Bereich der herzustellenden Strukturklebeschicht auf das Versteifungsbauteil aufgeklebt. Im Verfahrensschritt b) wird eine Vielzahl von durchgehenden Luft- und Vakuumöffnungen in die Luft- und die Vakuumkanäle des Sensorblocks und das Versteifungsbauteil eingebracht, wobei die Luft- und Vakuumöffnungen gleichermaßen das Versteifungsbauteil vollständig durchsetzen. Für den Fall, dass die Vakuum- und Luftöffnungen als Bohrungen ausgeführt sind, kann der Sensorblock auch vorab mit durchgehenden Bohrungen versehen sein, derart, dass der Sensorblock selbst mit den vorgebohrten Luftbohrungen und Vakuumbohrungen als Bohrschablone für das mit den Luftbohrungen und den Vakuumbohrungen zu versehende Versteifungsbauteil dient. Im Verfahrensschritt c) erfolgt das Einstecken des mindestens einen Kammwerkzeugs, das eine Vielzahl von Bohrungsstiften aufweist, in die Luft- und die Vakuumöffnungen. Hierdurch wird das Eindringen von Klebemittel in die Öffnungen während des Fügeprozesses sicher verhindert. Das temporäre Festsetzen des Kammwerkzeugs auf dem Sensorblock erfolgt zum Beispiel mit einer im Bedarfsfall leicht lösbaren Rasthalterung. Sind die Vakuumöffnungen als Bohrungen ausgestaltet, so verfügen die Bohrungsstifte des Kammwerkzeugs im Verhältnis zu den Luft- und Vakuumbohrungen über ein leichtes Übermaß zur Arretierung. Weisen die Luft- und die Vakuumöffnungen eine von der zylindrischen Form abweichende Geometrie auf, wie es zum Beispiel im Fall von Langlöchern, Schlitzen oder Nuten der Fall ist, verfügen die Bohrungsstifte jeweils über eine hiermit korrespondierende, das heißt zumindest bereichswese formschlüssige Gestalt. Zur Abdichtung der Öffnungen besteht zwischen diesen und den Bohrungsstiften des Kammwerkzeugs ein zumindest bereichsweiser Formschluss (leichte Presspassung). Im Verfahrensschritt d) wird das solchermaßen in der Regel von einem Zulieferer vorausgerüstete Versteifungsbauteil unter Schaffung der Strukturklebeschicht mit dem weiteren Bauteil verklebt. Hierbei drücken sich die Bohrungsstifte des Kammwerkzeugs durch die Strukturklebeschicht bis auf die Oberseite des weiteren Bauteils hindurch. Zu diesem Zweck verfügen die Bohrungsstifte im Bereich ihrer unteren Enden jeweils über kleine Spitzen und sind zudem federnd im Kammwerkzeug aufgenommen. Im Verfahrensschritt e) wird das Kammwerkzeug vom Versteifungsbauteil durch das Lösen der Rasthalterung entfernt und im Verfahrensschritt f) erfolgt das Aufkleben eines Verschlussdeckels auf den Sensorblock, um luftdicht versiegelte Vakuumkanäle und Luftkanäle zu bilden.
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Eine Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass mindestens einer der Kanäle des Sensorblocks zur Überprüfung der Strukturklebeschicht zumindest zeitweise an eine Auswerteeinheit angeschlossen wird.
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Hierdurch lässt sich im Bedarfsfall, zum Beispiel im Zuge von regelmäßig durchzuführenden Inspektions- und Wartungsarbeiten, die Strukturklebeschicht zwischen dem Versteifungsbauteil und dem weiteren Bauteil im Hinblick auf ihre Integrität überprüfen. Dieses bringt Gewichtsvorteile, da die Auswerteeinheit nicht ständig mitgeführt werden muss. Erforderlichenfalls kann die Auswerteeinheit auch permanent mit dem Versteifungsbauteil bzw. dem darin integrierten Sensorblock verbunden bleiben, um eine kontinuierliche Überwachung der Strukturklebeschicht im laufenden (Last-)Betrieb zu realisieren. Der Anschluss erfolgt mittels einer den Vakuumkanal und die Auswerteeinheit verbindenden Schlauchleitung.
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Ferner wird die Aufgabe durch ein Kammwerkzeug nach Patentanspruch 10 gelöst.
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Dadurch, dass das Kammwerkzeug eine Vielzahl von Vorsprüngen aufweist, die in die Luft- und Vakuumöffnungen einbringbar sind, wird eine Verstopfung der Luft- und Vakuumöffnungen während des Klebevorgangs und somit eine spätere Fehlfunktion des Sensorblockes im Versteifungsbauteil verhindert. Zu diesem Zweck korrespondiert die geometrische Gestalt der Vorsprünge des Kammwerkzeugs mit der Formgebung der Luft- und Vakuumöffnungen, die zum Beispiel als zylindrische Bohrungen, Länglöcher, Schlitze oder Längsnuten ausgeführt sein können, das heißt es besteht eine leichte Presspassung. Darüber hinaus verhindert das Kammwerkzeug das Eindringen von Fremdpartikeln in die Luft- und Vakuumöffnungen während der Lagerung und des Transportes des Versteifungsbauteils.
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Eine Weiterbildung des Kammwerkzeugs sieht vor, dass die Vorsprünge als zylindrische Bohrungsstifte ausgebildet sind und jeder Bohrungsstift mittels einer Druckfeder in einer Lagerbohrung vertikal verschiebbar federnd aufgenommen ist.
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Die zylindrische Ausgestaltung der Bohrungsstifte erlaubt eine fertigungstechnisch zunächst einfachere Herstellung des Kammwerkzeugs. Darüber hinaus drücken sich die federnd im Kammwerkzeug aufgenommenen Bohrungsstifte während des Klebeprozesses durch die dann noch weiche Strukturklebeschicht mit einer durch die Federn definierten Kraft hindurch und kratzen hierbei zugleich die Oberseite des weiteren Bauteils geringfügig an, so dass eine vollständige Überwachung der Strukturklebeschicht in ihrer gesamten Höhe möglich ist. Um dies zu erreichen, verfügen die Bohrungsstifte an ihren unteren Enden vorzugsweise über kleine Spitzen. Nach der Aushärtung der Strukturklebeschicht kann das mittels einer Klemmhalterung mit dem Sensorblock befestigte Kammwerkzeug unter Anwendung einer begrenzten Zugkraft wieder von diesem entfernt werden.
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In der Zeichnung zeigt:
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1 eine perspektivische Darstellung eines auf ein Bauteil aufgeklebten, exemplarischen Versteifungsbauteils,
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2 eine vereinfachte Prinzipdarstellung des inneren Aufbaus des Versteifungsbauteils,
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3 eine Schnittdarstellung des auf ein weiteres (Struktur-)Bauteil aufgeklebten Versteifungsbauteils,
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4 eine Prinzipdarstellung der Funktionsweise der Fehlstellenüberwachung („Vakuum-SHM-Monitoring”),
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5 eine Schnittdarstellung durch ein erfindungsgemäßes Kammwerkzeug, und
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6–9 eine schematische Darstellung des Verfahrensablaufs.
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In den Zeichnungen weisen dieselben konstruktiven Elemente jeweils dieselben Bezugsziffern auf.
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Die 1 illustriert eine schematische Ansicht auf ein erfindungsgemäßes Versteifungsbauteil mit in zwei Reihen angeordneten Luft- und Vakuumbohrungen, das auf ein weiteres Bauteil aufgeklebt ist.
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Ein Versteifungsbauteil 2, bei dem es sich im gezeigten Ausführungsbeispiel um einen Stringer mit einer L-förmigen Querschnittsgeometrie handelt, ist auf einem Bauteil 4, beispielsweise einer Rumpfzellenhaut oder einer Seitenleitwerkshaut eines Flugzeugs, mittels einer Strukturklebeschicht 6 aufgeklebt. Das Versteifungsbauteil 2 kann eine von der gezeigten L-förmigen Querschnittsgeometrie abweichende Querschnittsform, wie zum Beispiel eine T-förmige, eine U-förmige, eine C-förmige oder Z-förmige Querschnittsgeometrie, aufweisen. Das Versteifungsbauteil 2 und/oder das weitere Bauteil 4 können zum Beispiel mit einem kohlefaserverstärkten Kunststoff (CFK), einem anderen Faserverbundwerkstoff oder mit einem metallischen Werkstoff gebildet sein. Erfindungsgemäß sind in das Versteifungsbauteil 2 eine Vielzahl von durchgehenden Luft- und Vakuumöffnungen, die hier als zylindrische Luftbohrungen 8 und Vakuumbohrungen 10 ausgeführt sind, eingebracht, die sich durch die Strukturklebeschicht 6 hindurch bis auf eine Oberseite 12 des Bauteils 4 hin durchsetzen. Die Luft- und die Vakuumbohrungen 8, 10, sind jeweils in Bohrungsreihen 14, 16 im Bereich der Strukturklebeschicht 6 angeordnet. Die Bohrungsreihen 14, 16 verlaufen gleichmäßig parallel zueinander beabstandet und die Luftbohrungen 8 und die Vakuumbohrungen 10 sind jeweils gleichmäßig zueinander beabstandet entlang der Bohrungsreihen 14, 16 positioniert. Eine hiervon abweichende Anordnung der Bohrungen ist möglich.
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Die 2 zeigt eine perspektivische Detailansicht des erfindungsgemäßen Versteifungsbauteils.
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Im Bereich 26 der herzustellenden Strukturklebeschicht ist auf das Versteifungsbauteil 2 ein Sensorblock 28 mittels einer Klebeschicht 30 aufgeklebt. Der Sensorblock 28 kann aus einem Kunststoffmaterial und/oder mit einem Metall gefertigt sein. Innerhalb des Sensorblocks 28 verlaufen ein Luftkanal 32 und ein Vakuumkanal 34 parallel beabstandet zueinander. Durch den Luftkanal 32 bzw. den Vakuumkanal 34 werden die Luftbohrungen 8 bzw. die Vakuumbohrungen 10 jeweils miteinander verbunden. Der Sensorblock 28 ist nach oben hin mit einem bevorzugt aufgeklebten Verschlussdeckel 36 luftdicht versiegelt, so dass ein Luftkanal 32 und ein Vakuumkanal 34 mit einem jeweils angenähert rechteckförmigen Querschnitt entstehen. Eine Auswerteeinheit 38 ist mittels einer nicht dargestellten Schlauchleitung mit dem Vakuumkanal 34 verbunden.
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In der Auswerteeinheit 38 befindet sich eine gleichfalls nicht eingezeichnete Vakuumpumpe, mit der im Vakuumkanal 34 ein Luftdruckwert konstant aufrechterhalten wird, der beispielsweise um einen Wert von 200 hPa (200 mbar) niedriger ist als der im Luftkanal 32 vorherrschende Umgebungsluftdruck von zum Bespiel 1.013 hPa. Jede Änderung dieser im Normalfall konstanten Druckdifferenz deutet auf eine zumindest bereichsweise Beeinträchtigung der Integrität der Strukturklebeschicht, wie zum Beispiel eine Ablösung der Strukturklebeschicht 6, hin. Zur Auswertung dieser Druckdifferenz zwischen dem Luftkanal 32 und dem Vakuumkanal 34 enthält die Auswerteeinheit 38 nicht näher dargestellte Drucksensoren, Messwandler, eine elektronische Rechnereinheit und Signalisierungseinheiten, wie zum Beispiel Displays und/oder Tonsignalgeber.
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Die 3 zeigt eine Schnittdarstellung des auf ein (Struktur-)Bauteil aufgeklebten Versteifungsbauteils.
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Das Versteifungsbauteil 2 ist mittels der Strukturklebeschicht 6 auf das weitere Bauteil 4 aufgeklebt. Auf das Versteifungsbauteil 2 ist mittels der Klebeschicht 30 der Sensorblock 28 aufgeklebt. Im Sensorblock 28 verläuft der Vakuumkanal 34 mit den Vakuumbohrungen 10.
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Zu erkennen ist, dass die Vakuumbohrungen 10 einen Fuß 40 des Versteifungsbauteils 2 sowie die Strukturklebeschicht 6 vollständig durchsetzen und darüber hinaus ein kleines Stuck, bis unterhalb der Oberseite 12 des Bauteils 4 in dieses eindringen bzw. dieses „ankratzen”. Hierdurch wird eine besonders sichere und vollständige Detektion einer Ablösung der Strukturklebeschicht 6 erreicht.
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Die nicht bezeichnete Eindringtiefe der Vakuumbohrungen 10 in das Bauteil 4 liegt zwischen 0,1 mm und 0,5 mm. Der Vakuumkanal 34 ist, wie durch den weißen Pfeil 42 angedeutet, über eine nicht dargestellte Schlauchleitung mit der in der Auswerteeinheit 38 integrierten Vakuumpumpe verbunden. Besteht im Vakuumkanal 34 ein Luftdruck, der um einen Betrag von beispielsweise 200 hPa konstant niedriger ist als der Umgebungsluftdruck, so ist die uneingeschränkte Funktionsfähigkeit der Strukturklebeschicht 6 gegeben, das heißt es liegen keine auch nur bereichsweisen Ablösungen der Strukturklebeschicht 6 zwischen dem Versteifungsbauteil 2 und dem Bauteil 4 vor. Mittels einer weiteren Klebeschicht 44 ist ein Verschlussdeckel 36 auf den Sensorblock 28 aufgeklebt, um die Kanäle luftdicht zu versiegeln. Die Klebeschicht 44 kann mit einem nicht eingezeichneten, abziehbaren Schutzfilm bedeckt sein, der eine Kontamination der Klebeschicht 44 mit Fremdpartikeln während der Lagerung, des Transportes und des Fügevorganges des Versteifungsbauteils 2 verhindert.
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Die 4 veranschaulicht die prinzipielle Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Versteifungsbauteils bei der Detektion einer vorhandenen Ablösung der Strukturklebeschicht vom Bauteil.
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Das Versteifungsbauteil 2 ist mittels der Strukturklebeschicht 6 auf das Bauteil 4 aufgeklebt. Im Sensorblock 28, der durch die Klebeschicht 30 mit dem Fuß 40 des Versteifungsbauteils 2 zusammengefügt ist, befinden sich die Luft- und Vakuumkanäle 32, 34 sowie die Luft- und die Vakuumbohrungen 8, 10. Die beiden Kanäle 32, 34 sind nach oben hin von dem mittels der Klebeschicht 44 aufgeklebten Verschlussdeckel 36 bedeckt. In der Strukturklebeschicht 6 befindet sich eine Ablösung 50, das heißt eine die mechanische Festigkeit zwischen dem Versteifungsbauteil 2 und dem Bauteil 4 beeinträchtigende Fehlstelle. In dem gezeigten Fehlerfall strömt die (Umgebungs-)Luft, wie durch den Pfeil 52 angedeutet, ausgehend vom Luftkanal 32 über die Luftbohrung 8 bis in die Strukturklebeschicht 6 hinein. Von dort sickert die Luft durch die Strukturklebeschicht 6 und die Ablösung 50 hindurch bis in die Vakuumbohrung 10. Ausgehend von der Vakuumbohrung 10 fließt die Luft weiter in den Vakuumkanal 34 und von dort, wie durch den Pfeil 54 angedeutet, zur daran angeschlossenen, nicht dargestellten Auswerteeinheit 38. Im Ergebnis stellt sich im Bereich des Vakuumkanals 34 ein Luftdruckanstieg ein und diese Luftdruckänderung wird mittels der Auswerteeinheit 38 detektiert und optisch und/oder akustisch signalisiert.
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Die 5 zeigt eine Schnittdarstellung durch ein Kammwerkzeug, das während des Aufklebens des Versteifungsbauteils die Luft- und Vakuumbohrungen abdichtet, um eine Kontamination der Bohrungen mit dem Klebemittel und eine hierdurch bedingte Fehlfunktion des Sensorblocks zu verhindern. Darüber hinaus schützt das Kammwerkzeug die empfindlichen Bohrungen auch bei Transport und Lagerung des Versteifungsbauteils vor dem Eindringen von Schmutzpartikeln.
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Das Kammwerkzeug 60 verfügt über eine Vielzahl von Bohrungsstiften 62, die vertikal verschiebbar und mittels Druckfedern 64, wie in 5 mit den kleinen weißen Doppelpfeilen angedeutet, federnd in Lagerbohrungen 66 eines Gehäuses 68 aufgenommen sind. An ihren unteren Enden verfügen die im Wesentlichen zylindrischen Bohrungsstifte 62 jeweils über Spitzen, um das Durchdringen der Strukturklebeschicht 6 und das Ankratzen der Oberfläche 12 des Bauteils 4 zu erleichtern. Ein Durchmesser 70 der Bohrungsstifte 62 liegt jeweils bei 1 mm und ein Abstand 72 zwischen den in einer Reihe angeordneten Bohrungsstiften beträgt jeweils 3 mm. Entsprechend ist ein Durchmesser der in 5 der besseren zeichnerischen Übersicht nicht mit Bezugsziffern versehenen Bohrungen geringfügig größer gewählt, um ein leichtes Einführen der Bohrungsstifte in die Luftbohrungen und die Vakuumbohrungen zu erreichen. Alternativ kann zwischen den Luft- und Vakuumbohrungen und dem Durchmesser der Bohrungsstifte 62 eine leichte Presspassung bestehen.
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Ein Bohrungsabstand der Luft- und Vakuumbohrungen, wie im Rahmen der Beschreibung der 1 bereits erläutert, entspricht den Abständen 72 der Bohrungsstifte 62 im Kammwerkzeug 60 zueinander von jeweils 3 mm. Durch die Druckfedern 64 wird zugleich eine Begrenzung der von den Bohrungsstiften 62 auf die Oberfläche 12 des Bauteils 4 ausgeübten Einpresskraft erreicht. Grundsätzlich können die Durchmesser 70 der Bohrungsstifte 62 bzw. die nicht bezeichneten Durchmesser der Luft- und Vakuumbohrungen 8, 10 in einem Bereich zwischen 0,25 mm und 3 mm und deren Abstände in einem Intervall zwischen 1 mm und 1.000 mm liegen. Das Kammwerkzeug 60 liegt auf einem abziehbaren Schutzfilm 74 auf, der die Klebeschicht 44, die zum späteren Aufkleben des Verschlussdeckels 36 dient, vor Verschmutzungen schützt. Der Sensorblock 28 ist mittels der Klebeschicht 30 auf dem Fuß 40 des Versteifungsbauteils 2 unlösbar befestigt. Der Fuß 40 des Versteifungsbauteil 2 ist mittels der Strukturklebeschicht 6 mit dem Bauteil 4 verbunden. Innerhalb des Sensorblocks 28 verläuft der Vakuumkanal 34.
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Anhand der 6 bis 9, auf die im weiteren Fortgang der Beschreibung zugleich Bezug genommen wird, soll der Ablauf einer ersten Verfahrensvariante zur Herstellung einer Klebeverbindung unter Schaffung einer Strukturklebeschicht zwischen dem Versteifungsbauteil 2 und dem Bauteil 4 näher erläutert werden.
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Im Verfahrensschritt a) wird ausweislich der 6 der Sensorblock 28 mittels der Klebeschicht 30 auf den Fuß 40 des hier nicht näher dargestellten Versteifungsbauteils aufgeklebt. Vorzugsweise sind in diesem Verfahrensstadium der Luftkanal 32 sowie der Vakuumkanal 34 einschließlich eines mittig zwischen beiden parallel verlaufenden Kalibrierungskanals 80 vorhanden. Der Kalibrierungskanal 80 ist gleichfalls mit der Auswerteeinheit 38 über eine nicht dargestellte Schlauchleitung verbunden und dient zum Ausgleich von Temperatur- und/oder Luftdruckschwankungen der Umgebungsluft, die ansonsten das Detektionsergebnis beeinflussen würden und die zu Fehlalarmen und/oder nicht detektierten Strukturklebeschichtablösungen führen können.
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Anschließend werden im Verfahrensschritt b) die durchgehenden Luftbohrungen 8 sowie die durchgehenden Vakuumbohrungen 10 in den Sensorblock 28 eingebracht. Es handelt sich in allen Fällen um Durchgangsbohrungen, das heißt um so genannte „TTT”-Bohrungen (Through The Thickness- Bohrungen). Alternativ können die Bohrungen vor dem Aufkleben des Sensorblocks 28 bereits in diesen eingebracht sein, so dass diese Vorbohrungen nach dem Aufkleben des Sensorblocks 28 auf den Fuß 40 des Versteifungsbauteils 2 zugleich als Führung bzw. als Bohrschablone dienen können. Entsprechend können der Vakuumkanal 32 und der Luftkanal 34 wahlweise vor oder nach dem Aufkleben des Sensorblocks 28 in diesen, zum Beispiel durch Ausfräsen, eingebracht werden.
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Im Verfahrensschritt c) erfolgt ausweislich der 7 das Einstecken des Kammwerkzeugs 60 in die derart vorgefertigten, hier jedoch nicht bezeichneten Luftbohrungen und Vakuumbohrungen, wie durch den großen weißen Pfeil angedeutet ist. Vor dem Einstecken werden sämtliche Bohrungsstifte 62 mit einem Trennmittel versehen, um das Abziehen des Kammwerkzeugs 60 nach dem Abschluss der Herstellung der Strukturklebeschicht zu ermöglichen. Der Zustand des in 7 dargestellten Versteifungsbauteils 2, in dem der Sensorblock 28 mit dem Luftkanal 32 und dem Vakuumkanal 34 mittels der Klebeschicht 30 bereits auf den Fuß 40 des Versteifungsbauteils 2 aufgeklebt ist und das Kammwerkzeug 60 mit seiner Vielzahl von Bohrungsstiften 62 in die Vakuum- und Luftbohrungen eingesteckt ist sowie mittels einer nicht dargestellten Rasthalterung auf dem Sensorblock 28 temporär befestigt ist, entspricht bevorzugt dem Anlieferungszustand, in dem das endgültige Verkleben des Versteifungsbauteils 2 mit dem hier nicht dargestellten weiteren Bauteil 4 zu einem Bauteil erfolgt.
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Wie in 8 und 9 gezeigt, wurde der Fuß 40 des Versteifungsbauteils 2 im Verfahrensschritt d) jeweils mittels der Strukturklebeschicht 6 mit dem Bauteil 4 verklebt. Von herausgehobener Bedeutung für die Durchführung des Klebevorgangs ist, dass sich die Bohrungsstifte 62 des Kammwerkzeugs 60 sowohl durch die noch plastische Strukturklebeschicht 6 als auch ein kleines Stück in die Oberseite 12 des Bauteils 4 hinein drücken, um eine vollständige Überwachung (s. g. „Health-Monitoring”) der Strukturklebeschicht 6 im Hinblick auf ihr etwaiges Versagen zu erzielen. Wie vorstehend bereits beschrieben, ist der Sensorblock 28 mit den darin enthaltenen Luft- und Vakuumbohrungen, von denen hier lediglich die Vakuumbohrungen 10 dargestellt sind, mittels der Klebeschicht 30 mit dem Fuß 40 bzw. Sockelflansch des Versteifungsbauteils 2 verklebt. An den Vakuumkanal 34 ist mittels eines nicht dargestellten Adapterstückes eine gleichfalls nicht eingezeichnete Schlauchleitung zur Verbindung mit der Auswerteeinheit 38 angeschlossen.
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Das Kammwerkzeug 60 ist im in 8 illustrierten Verfahrensschritt e) bereits vom Versteifungsbauteil 2 bzw. dem Sensorblock 28 abgezogen worden. Der Schutzfilm 74 wurde in Vorbereitung des abschließenden Verfahrensschrittes f), in dem das Aufkleben des Verschlussdeckels 36 auf den Sensorblock 28 zur hermetisch dichten Versiegelung der Vakuumkanäle und der Luftkanäle sowie der Luft- und Vakuumbohrungen erfolgt, bereits teilweise von der darunter liegenden Klebeschicht 44 abgezogen.
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Im Unterschied zur 8 ist im Verfahrenszustand nach Maßgabe der 9 der Klebevorgang zwischen dem Bauteil 4 und dem Versteifungsbauteil 2 vollständig abgeschlossen und der Verschlussdeckel 36 durch die Klebeschicht 44 fest mit dem Sensorblock 28 verklebt und das Verfahren abgeschlossen.
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Nach Maßgabe einer zweiten, in den Figuren nicht dargestellten Verfahrensvariante werden in einem Verfahrensschritt a) zunächst die Luft- und Vakuumöffnungen im Bereich der herzustellenden Strukturklebeschicht 6 in das Versteifungsbauteil 2 eingebracht. In einem Verfahrensschritt b) wird das Kammwerkzeug 60 zur Versiegelung der Luft- und Vakuumöffnungen in das Versteifungsbauteil 2 eingesteckt. In einem Verfahrensschritt c) erfolgt die Schaffung der Strukturklebeschicht 6 zwischen dem Bauteil 4 und dem Versteifungsbauteil 2. Im Verfahrensschritt d) wird das Kammwerkzeug 60 von den verklebten Bauteilen abgezogen und in einem abschließenden Verfahrensschritt e) wird der Sensorblock in einer im Vergleich zur ersten Verfahrensvariante um 180°, das heißt in umgedrehter Position im Bereich der Strukturklebeschicht 6 auf das Versteifungsbauteil 2 aufgeklebt.
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Das Aufkleben des Verschlussdeckels 36 auf den Sensorblock 28, wie es bei der ersten Verfahrensvariante notwendig ist, entfällt.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Versteifungsbauteil (Stringer, Spant)
- 4
- Bauteil (Hautfeld)
- 6
- Strukturklebeschicht
- 8
- Luftbohrung
- 10
- Vakuumbohrung
- 12
- Oberseite (Bauteil)
- 14
- Bohrungsreihe
- 16
- Bohrungsreihe
- 26
- Bereich (spätere Strukturklebeschicht)
- 28
- Sensorblock
- 30
- Klebeschicht (Sensorblock)
- 32
- Luftkanal
- 34
- Vakuumkanal
- 36
- Verschlussdeckel
- 38
- Auswerteeinheit
- 40
- Fuß (Versteifungsbauteil)
- 42
- Pfeil
- 44
- Klebeschicht (Verschlussdeckel)
- 50
- Ablösung (Fehlstelle Strukturklebeschicht)
- 52
- Pfeil
- 54
- Pfeil
- 60
- Kammwerkzeug
- 62
- Bohrungsstift
- 64
- Druckfeder
- 66
- Lagerbohrung
- 68
- Gehäuse (Kammwerkzeug)
- 70
- Durchmesser (Bohrungsstift)
- 72
- Abstand (Bohrungsstifte)
- 74
- Schutzfilm
- 80
- Kalibrierungskanal
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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