DE102010014640A1

DE102010014640A1 - Strukturbauteil zur Verwendung für Strömungsbauteile von Flugzeugen sowie Verfahren zu dessen Herstellen

Info

Publication number: DE102010014640A1
Application number: DE102010014640A
Authority: DE
Inventors: Martin Gerber
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2010-04-12
Filing date: 2010-04-12
Publication date: 2011-10-13

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Strukturbauteil zur Verwendung für Strömungsbauteile von Flugzeugen sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung. Weiter betrifft die Erfindung ein Strömungsbauteil für ein Flugzeug mit einem Strukturbauteil. Dabei dienen Versteifungselemente zwischen inneren und äußeren Deckblechen als mechanische Abstützung in Abschnitten des Strukturbauteils, während über einen zentralen Luftkanal durch eine für Luftströmung permeable Metallgeflechtanordnung Luft abgesaugt werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft ein Strukturbauteil zur Verwendung für Strömungsbauteile von Flugzeugen sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung. Weiter betrifft die Erfindung ein Strömungsbauteil für ein Flugzeug mit einem Strukturbauteil.
Aus der Aerodynamik ist bekannt, dass eine laminare Umströmung von Trag- und Leitflächen den höchstmöglichen Auftrieb bei gleichzeitig geringstem Widerstand gegen die Anströmrichtung liefert. Häufig ist es aufgrund der gegebenen Profilform jedoch nicht möglich, für alle auftretenden Anströmbedingungen eine solche laminare Strömung zu gewährleisten. Selbst bei konstanten Anströmbedingungen kann sich die Strömung an Unstetigkeiten des Profils ablösen und turbulent werden mit der Folge verminderten Auftriebs und erhöhten Profilwiderstandes.
Wie weiterhin aus der Aerodynamik bekannt ist, kann durch kontinuierliches Absaugen der turbulenten Schicht eine weitgehende Laminarisierung der Strömung erreicht werden. Da unter Reiseflugbedingungen eine Widerstandsverminderung zugleich auch zu einer erheblichen Treibstoffersparnis führt, lassen sich durch eine Strömungslaminarisierung beträchtliche wirtschaftliche Vorteile erzielen. Deshalb wurde bereits versucht, durch das Anbringen von Absaugöffnungen im Tragflügel zu einer solchen Strömungslaminarisierung zu gelangen. In diesem Zusammenhang stellt es eine bereits bekannte Maßnahme dar, auf der Oberfläche eines Tragflügels in Spannweitenrichtung verlaufende schlitzförmige Absaugöffnungen oder eine Mikroperforation vorzusehen. Sofern derartige Hohlbauteile durch einen als superplastische Umformung bezeichneten Fertigungsprozeß dahergestellt werden, bei dem sie mittels Innendruckbeaufschlagung in eine Negativform expandiert werden, muss die Perforation der Oberflächenbehäufung nach dem Umformvorgang vorgenommen werden, da ansonsten nicht der für den Umformvorgang erforderliche Innendruck im Bauteil erzeugt werden kann. Eine solche nachträgliche Perforierung ist jedoch mit einem erheblichem Arbeits- und Kostenaufwand verbunden.
Nachteilig bei den bekannten Hohlraumprofilen ist weiter, dass Löcher in dem oberen Deckblech notwendig sind, welche als Perforation ausgeführt sind und der Absaugung von Luft zur Strömungslaminarisierung dienen. Durch diese Perforation mit einer Bohrungsgröße von 30 bis 100 μm wird Luft abgesaugt und turbulente Strömung damit beruhigt. Jedoch ist die Herstellung der Perforation sehr aufwendig, insbesondere wenn relativ große Luftmengen und/oder relativ große Flächen für die Strömungslaminarisierung in Frage kommen. Die Perforation wird bei bekannten Verfahren in das obere Deckblech mittels Mikroperforation, beispielsweise mittels Lasertechnik gefertigt. Je nach Technik und geforderter Perforationsqualität sind dabei Perforationsfrequenzen von 100 bis 300 Hz möglich. Setzt man ideale Strömungslaminarisierung bei einem Flügel, einem Leitwerk, einer Triebwerksgondel oder einer Stellklappe eines Verkehrsflugzeuges als Grundlage voraus, so sind üblicher Weise ca. 4 000 000 Löcher pro m² notwendig. Damit ergibt sich bei mittlerer Qualität für eine Produktionszeit von 4,45 Stunden für 4 Mio. Löcher, also von ca. 4½ Stunden pro Quadratmeter. Um die notwendige Perforation für beide Höhenleitwerke eines Verkehrsflugzeuges mit jeweils 7 m² zu fertigen sind demnach mehr als zwei Tage notwendig.
Ein weiterer Nachteil bei der Verwendung bekannter Verfahren zur Erzeugung der Perforation sind entstehende Grate an den Löchern und/oder Oberflächenbeeinträchtigungen durch die Lasertechnik. An solchen Oberflächenbeeinträchtigungen oder Graten besteht die Gefahr der Luftverwirbelungen und damit einer negativen Beeinflussung der Strömung. Die Strömung wird also durch die Grate oder Oberflächenbeeinträchtigungen wieder turbulenter. Die Fertigungstechnik würde also dem eigentlichen Ziel der Strömungslaminarisierung wieder entgegenwirken und diese zumindest teilweise Aufheben. Will man diesen Nachteil nicht in Kauf nehmen, so muss an die Fertigung der Perforation ein weiterer, sehr aufwendiger Fertigungsschritt des Entgratens, zum Beispiel durch chemisches Ätzen anschließen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die voranstehend beschriebenen Nachteile bekannter Verfahren zu lösen. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und ein Strukturbauteil bereit zu stellen, welches einfacher, schneller und damit auch kostengünstiger gefertigt werden kann.
Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch ein Strukturbauteil mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zu dessen Herstellung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 12. Weiter wird die Aufgabe durch ein Strömungsbauteil mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 14 gelöst.
Ein erfindungsgemäßes Strukturbauteil zur Verwendung für Strömungsbauteile von Flugzeugen weist wenigstens zwei Seitenwandabschnitte mit einem Hohlkammerprofil auf, welche

• ein äußeres Deckblech gebildet zumindest teilweise aus einer Metallgeflechtanordnung, welche permeabel für Luftströmung ist,
• wenigstens ein inneres Deckblech,
• Versteifungselemente über welche das innere Deckblech mit dem äußeren Deckblech verbunden ist und die ausgelegt sind zur Abstützung der Deckbleche gegeneinander sowie
• Öffnungen in den Versteifungselementen und/oder dem inneren Deckblech aufweisen, welche derart ausgebildet sind, dass sie Luft aus dem Inneren des Hohlkammerprofils abführen können.

Weiter ist wenigstens ein Nasenabschnitt vorgesehen, welcher ein, für Luftströmung permeables, äußeres Nasenblech aufweist und zwischen den beiden Seitenwandabschnitten angeordnet sowie mit diesen verbunden ist. Auch ist zumindest ein zentraler Luftkanal vorhanden, welcher zum Absaugen von Luft von der Außenseite des äußeren Deckbleches mit der permeablen Metallgeflechtanordnung über die Öffnungen in den Versteifungselementen und/oder den inneren Deckblechen in fluidkommunizierender Verbindung steht.
Ein erfindungsgemäßes Strukturbauteil weist also grundsätzlich zumindest drei Abschnitte auf, nämlich eine Nasenabschnitt und zwei um diesen herum angeordnete Seitenwandabschnitte. Dabei unterscheidet sich ein erfindungsgemäßes Strukturbauteil von bekannten Strukturbauteilen insbesondere durch die Verwendung einer Metallgeflechtanordnung, welche permeabel für Luft ist und zumindest teilweise das obere Deckblech bildet. Diese Metallgeflechtanordnung kann mehrschichtig sein, oder auch aus einer einzelnen Geflechtschicht bestehen. Unter Metallgeflecht, bzw. Metallgeflechtanordnung ist dabei jede Form von einzelnen im Wesentlichen strangförmigen Metallelementen, zum Beispiel Metalldrähte, zu verstehen, welche miteinander verflochten sind. Dabei können unterschiedlichste Flechtmethoden angewendet werden. Entscheidend für die Wahl der Flechtmethode und die Art Metallelemente sind dabei für die Metallgeflechtanordnung, dass diese permeabel für Luftströmung ist sowie den strukturellen Anforderungen hinsichtlich ihrer mechanischen Belastbarkeit entspricht.
Diese Permeabilität der Metallgeflechtanordnung ermöglicht eine Fertigung des Hohlkammerprofils nicht mit einem alternativen Verfahren für die Erstellung einer Perforation, sondern bereits durch die erfinderische Verwendung der Metallgeflechtanordnung. Auf diese Weise kann der zusätzliche Schritt des Perforierens durch Laserstrahlbohren vollständig entfallen, so dass nicht nur eine Zeitreduktion dieses Verfahrensschrittes ermöglich wird, sondern dieser Schritt und die dafür benötigte Zeit komplett entfällt. Damit wird, im Vergleich zu der Berechung in der Einleitung dieser Beschreibung, das Herstellungsverfahren des Strukturbauteils bei der Verwendung für Strömungsbauteil eines Verkehrsflugzeuges, wie Flügel, Leitwerk, Triebwerksgondel oder Stellklappe erheblich beschleunigt. Diese Beschleunigung der Fertigung führt zu einer Reduktion der Herstellkosten des Strukturbauteils.
Weiter entfällt durch die Metallgeflechtanordnung jegliche Toleranzproblematik mit Bezug auf die Perforation. Da keine einzelnen Löcher gefertigt werden, müssen auch keine solchen hinsichtlich ihrer Toleranzgenauigkeit überprüft werden. Darüber hinaus kann die erfindungsgemäße Verwendung von einer Metallgeflechtanordnung ein relativ freies Umformen des Hohlkammerprofils ermöglichen. Im Gegensatz zu Deckblechen mit einzelnen Löchern, die sich beim Umformen des Hohlkammerprofils, insbesondere während eines Umformprozesses verändern, bleibt die gesamte Durchlässigkeit der Metallgeflechtanordnung auch durch einen Umformprozess relativ unbeeinträchtigt. Diese Unabhängigkeit bezieht sich insbesondere auf die Permeabilität der Metallgeflechtanordnung hinsichtlich des Luftstroms. Dies ist auch entscheidend, da für die erfolgreiche Strömungslaminarisierung ein ausreichender Luftstrom durch das obere Deckblech hindurch gelangen muss.
Durch die Verwendung der Metallgeflechtanordnung für das erfindungsgemäße Strukturbauteil ist weiter der Vorteil zu erzielen, dass, beispielsweise durch noch feinere Flechtwerke, auch noch eine deutlich größere Porosität erzeugt werden kann, die einer deutlich größeren Anzahl von Löchern in dem oberen Deckblech entspricht, ohne, dass der Fertigungsaufwand sich signifikant erhöht. Durch das erfindungsgemäße Verwenden einer Metallgeflechtanordnung für das Strukturbauteil werden alle genannten Nachteile behoben.
Dabei können die einzelnen Abschnitte, also Seitenwandabschnitte und Nasenabschnitt separat voneinander gefertigt werden, so dass im Prinzip ein modularer Aufbau möglich wird. So können zum Beispiel die Seitenwandabschnitte einzelnen mit der Metallgeflechtanordnung vorgefertigt werden, so dass die Werkzeuggrößen für das gesamte Strukturbauteil kleiner werden. Insbesondere in Fällen, bei welchen die Seitenwandabschnitte identische Bauteile sind, kann ein einziges Werkzeug zur Fertigung aller Seitenwandabschnitte verwendet werden. Dies erhöht die Effizienz der gesamten Fertigung und reduziert damit die Kosten entscheidend.
Um sicherzustellen, dass im Strukturbauteil von der Oberseite des äußeren Deckblechs, also von der Oberseite des Strukturbauteils, abgesaugte Luft auch im inneren des Strukturbauteils abgeführt werden kann, sind Öffnungen in den Versteifungselementen und/oder in dem inneren Deckblech vorgesehen. Die genaue Lage der Öffnungen hängt dabei von der gewünschten Anordnung des zentralen Luftkanals ab. In jedem Fall sind die Öffnungen derart angeordnet, bzw. derart ausgestaltet, dass der, beispielsweise von einer Pumpe erzeugte Unterdruck im zentralen Lüftungskanal über die Öffnungen im Hohlkammerprofil auf die Metallgeflechtanordnung wirken kann und damit ein Absaugen von Luft von der Außenseite des äußeren Deckbleches ermöglicht wird.
Um die Aerodynamik des gesamten Strukturbauteils zu verbessern, ist dabei das äußere Nasenblech ebenfalls permeabel für Luftströmung, so dass auch eine Beeinflussung der Strömung vor dem Nasenabschnitt erfolgen kann. Dabei ist in einem ersten Schritt unerheblich, in welcher Weise die Permeabilität des Nasenbereichs erzielt wird. So ist, wie es später noch beschrieben wird, auch hier der Einsatz der Metallgeflechtanordnung möglich. Jedoch sind aufgrund der, im Vergleich zur Fläche der Seitewandabschnitte, relativ kleinen Fläche des Nasenabschnittes auch aufwendigere Methoden, wie Beispielsweise Laserstrahlbohren, denkbar, um die Permeabilität des Nasenabschnitts herzustellen.
Der zentrale Luftkanal dient dem Anschluss eines Kompressors, einer Pumpe, bzw. grundsätzlich einer Einrichtung, welche in der Lage ist in diesem zentralen Luftkanal einen Unterdruck zu erzeugen und Luft abzusaugen. Unter dem Begriff „fluidkommunizierende Verbindung” ist dabei zu verstehen, dass der zentrale Luftkanal derart mit der Metallgeflechtanordnung des äußeren Deckblechs über die Öffnungen in den Versteifungselementen und/oder in dem inneren Deckblech verbunden ist, dass ein im zentralen Luftkanal erzeugter Unterdruck über die Metallgeflechtanordnung Luft von der Oberseite des oberen Deckblechs absaugen kann.
Weiter können im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Seitenwandabschnitte des Strukturbauteils und der wenigstens eine Nasenabschnitt von einander separat hergestellte und unlösbar miteinander verbundene Bauteile sind. Auf diese Weise wird, wie bereits weiter oben erläutert, der Vorteil erzielt, dass kleinere und damit auch kostengünstigere Werkzeuge für die Herstellung des Strukturbauteils verwendet werden können. Insbesondere können die Seitenwandbereiche im Vergleich zu sonst üblichen Herstellverfahren für alle Abschnitte zusammen komplexer hinsichtlich ihrer Struktur ausgebildet werden. Insbesondere ist damit eine erfindungsgemäße Ausgestaltung der Seitenwandbereiche mit einem Hohlkammerprofil leicht und kostengünstiger möglich.
Die einzelnen Bauteile, also die voneinander separaten Seitenwandabschnitte und der Nasenabschnitt werden miteinander unlösbar verbunden um ein mechanisch stabiles Strukturbauteil zu schaffen. Diese Verbindung kann zum Beispiel mittels Laserstrahlschweißen, Löten, Kleben oder Vernieten erfolgen. Da durch die kleineren Werkzeuge für die einzelnen Abschnitte deutlich an Komplexität im Fertigungsverfahren eingespart werden konnte, sind hinsichtlich der Verbindung der einzelnen Abschnitte auch aufwendiger Verbindungsmethoden wirtschaftlich denkbar. So kann trotz der Komplexitätsreduktion für ein erfindungsgemäßes Strukturbauteil eine ausreichende mechanische Stabilität erzielt werden, um den strukturellen Anforderungen an das Strukturbauteil genüge zu leisten.
Eine Möglichkeit zur Bildung des zentralen Luftkanals ist das Vorsehen eines Kanalbleches, welches zusammen mit dem äußeren Nasenblech des Nasenabschnittes zumindest Leitungsabschnitt des zentralen Luftkanals bildet. Der zentrale Luftkanal kommt auf diese Weise direkt hinter dem Nasenabschnitt zu liegen. Der weitere Innenraum des Strukturbauteils, also der Bereich zwischen den Seitenwandabschnitten bleibt frei von Einbauten und kann für andere Bauteile oder auch funktionale Elemente verwendet werden. Ein weiterer Vorteil, neben dem damit erzielbaren Bauraum, wird durch einen derart gebildeten zentralen Luftkanal erzielt, da auf diese Weise der Druckverlust im zentralen Luftkanal reduziert wird. Insbesondere ist das Luftvolumen, welches sozusagen als Totraum im inneren des zentralen Luftkanals vorliegt deutlich geringer, als wenn der gesamte Bereich zwischen den Seitenwandabschnitten als Totraum vorhanden ist. Änderungen im Unterdruck, also Änderungen in der Absaugcharakteristik können auf diese Weise deutlich reaktionsschneller an die Oberfläche des oberen Deckbleches weitergegeben werden. Das gesamte System zur Strömungsbeeinflussung durch das erfindungsgemäße Strukturbauteil wird damit deutlich reaktionsschneller.
In Ausführungsformen, bei welchen die Luft aus dem Hohlkammerprofil ausschließlich über Öffnungen in den Versteifungselementen zum zentralen Luftkanal geführt wird, also nur innerhalb des Hohlkammerprofils läuft, wird auf diese Weise die Stabilität der Seitenwandabschnitte in mechanischer Hinsicht verbessert, da keine Löcher, welche eine Kerbwirkung im Material bewirken, im inneren Deckblech der Seitenwandabschnitte vorhanden sein müssen. Die Versteifungselemente, welche das Hohlkammerprofil der Seitenwandabschnitte zum zentralen Luftkanal abschließen sind ebenfalls mit Öffnungen versehen um die fluidkommunizierende Verbindung zwischen dem zentralen Luftkanal und der Metallgeflechtanordnung herzustellen.
Weiter kann das Kanalblech einer solchen Ausführungsform auch dazu verwendet werden, die Verbindung des Nasenabschnittes mit den Seitenwandabschnitten zu verbessern oder vollständig zu bilden. Damit wird die mechanische Stabilität des gesamten Strukturbauteils über das Kanalblech verbessert, wodurch das äußere Nasenblech einfacher in struktureller Hinsicht ausgebildet sein kann. Die Verbindung des Kanalbleches mit den jeweiligen Abschnitten erfolgt dabei zum Beispiel über Laserstrahlschweißen, Löten, Kleben, Vernieten oder andere unlösbare Verbindungsmethoden.
Alternativ kann auch ein Kanalblech vorgesehen sein, welches zusammen mit dem äußeren Nasenblech des Nasenabschnitts sowie den inneren Deckblechen der Seitenwandabschnitte zumindest einen Leitungsabschnitt des zentralen Luftkanals bildet. Mit anderen Worten wird der zentrale Luftkanal vollständig durch den Innenraum zwischen den Seitenwandabschnitten und dem Nasenabschnitt gebildet. Dabei ist das Kanalblech vorzugsweise flexibel, also zum Beispiel als Membran ausgebildet. Auf diese Weise wird verhindert, dass Biegemomente im Kanalblech entstehen können, die zu aufreißen des Kanalblechs führen könnten. Durch den großen Querschnitt dieser alternativen Ausführungsform wird der weitere Vorteil erzielt, dass auch große Luftvolumenströme problemlos gefördert werden können. Bei dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind zwingend Öffnungen in den inneren Deckblechen der Seitenwandabschnitte vorgesehen um eine fluidkommunizierende Verbindung zwischen der Metallgeflechtanordnung und dem zentralen Luftkanal herzustellen. Je nach Art und Ausführung der Versteifungselemente sind zusätzlich auch Öffnungen in den Versteifungselementen vorgesehen, welche eine fluidkommunizierende Verbindung innerhalb des Hohlkammerprofils ermöglichen. Insbesondere bei Hohlkammerprofilen mit Hohlkammern, welche nicht in direktem Kontakt zur Metallgeflechtanordnung des oberen Deckbleches stehen, sind Öffnungen in den Versteifungselementen notwendig um die erfindungsgemäße fluidkommunizierende Verbindung mit dem zentralen Luftkanal herzustellen.
Um die gesamte Konstruktion eines erfindungsgemäßen Strukturbauteils noch einfacher und kompakter zu gestalten, kann es von Vorteil sind, wenn das äußere Nasenblech des Nasenabschnitts zumindest teilweise ebenfalls aus einer Metallgeflechtanordnung besteht, welche permeabel für Luftströmung ist, und wenn zur mechanischen Versteifung des Nasenabschnitts ein inneres Nasenblech vorgesehen ist, welches Öffnungen aufweist, und weiter der Luftkanal derart ausgestaltet ist, dass er über die Öffnungen im inneren Nasenblech auch mit der Metallgeflechtanordnung des Nasenabschnitts in fluidkommunizierendem Kontakt steht. Als Weiterbildung von einfachen Löchern, welche zum Beispiel mittels Laserstrahlschweißen in den Nasenabschnitt eingebracht worden sind, hat die Verwendung einer Metallgeflechtanordnung auch im Nasenabschnitt die gleichen Vorteile, wie dies zu den Seitenwandabschnitten bereits beschrieben worden ist. Insbesondere kann im strömungstechnisch kritischen Bereich des Nasenabschnitts, an welchem beim Einsatz für Strömungsbauteile eines Flugzeuges üblicherweise ein Staudruck vorherrscht, eine effiziente Strömungslaminarisierung erzielt werden.
Dabei kann vorteilhafter Weise die Metallgeflechtanordnungen des äußeren Nasenbleches und der äußeren Deckbleche integral ausgeführt sein. Die integrale Ausgestaltung hat den Vorteil, dass auf Verbindungen, welche üblicherweise strömungstechnische Nachteile mit sich bringen, zwischen den äußeren Deckblechen und dem äußeren Nasenblech verzichtet werden kann. Auch können weitere Bauteile des Nasenabschnittes, insbesondere zum Beispiel ein inneres Nasenblech auch integral mit den inneren Deckblechen der Seitenwandabschnitte ausgebildet sein. Ein solche integrale Ausführungsform kann zum Beispiel durch ein Fertigungsverfahren hergestellt werden, in welchem alle Abschnitte gemeinsam gefertigt werden, da sie integral ausgebildet sind, und anschließend in einem Umformprozess die finale Profilform des Strukturbauteils erzeugt werden.
Weiter kann es vorn Vorteil sein, wenn die Öffnungen in den inneren Deckblechen der Seitenwandabschnitte mit zunehmendem Abstand von dem Nasenabschnitt größere Öffnungsquerschnitte aufweisen. Die Öffnungen in den inneren Deckblechen der Seitenwandabschnitte können in ihrer Wirkungsweise auch als Blenden bezeichnet werden, deren Öffnungsquerschnitt für die Luftdurchlassrate der jeweiligen Blende verantwortlich ist. Bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Strukturbauteile für Strömungsbauteile von Flugzeugen werden für de Strukturbauteile üblicherweise Profile verwendet, bei welchen der Strömungsdruck an der Außenseite des Profils über die Profiltiefe in Strömungsrichtung variiert. Insbesondere ist der Strömungsdruck an der Außenseite des Profils an dessen entgegen der Strömungsrichtung am weitesten vorne gelegenen Bereich, also im Nasenabschnitt am größten und nimmt in Strömungsrichtung entlang der Profiltiefe ab. Da der notwendige Unterdruck zum Absaugen von Luft von der Oberfläche der oberen Deckbleche wesentlich von dem an dieser Oberfläche lokal anliegenden Strömungsdruck abhängt, variiert somit auch der ideale Unterdruck über die Profiltiefe in Strömungsrichtung.
Im zentralen Luftkanal wird aufgrund der technischen Einfachheit allerdings ein konstanter Unterdruck erzeugt. Insbesondere ist dieser Unterdruck konstant über die Profiltiefe in Strömungsrichtung. Um nun den konstanten Unterdruck an den variierenden Strömungsdruck anzupassen, werden bei dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Öffnungsquerschnitte der Öffnungen in den inneren Deckblechen der Seitenwandabschnitte über die Tiefe des Profils in Strömungsrichtung vergrößert. Mit anderen Worten sind diese Öffnungen in Strömungsrichtung hinten größer, als die entsprechenden Öffnungen weiter vorne. Durch diese Variation der Öffnungsquerschnitte wird die Auswirkung des im zentralen Luftkanal konstanten Unterdrucks auf das Hohlkammerprofil und damit auf die Metallgeflechtanordnung und die Außenseite des oberen Deckblechs variiert. Insbesondere ist damit der reale Verlauf des Saugdrucks an der Außenseite der oberen Deckbleche durch die Variation der Öffnungsquerschnitte der Öffnungen in den inneren Deckblechen der Seitenwandabschnitte indirekt proportional zu dem Verlauf des Strömungsdruckes an der Außenseite der äußeren Deckbleche der Seitenwandabschnitte in Strömungsrichtung.
Auch kann es vorteilhaft sein, wenn in der fluidkommunizierenden Verbindung zwischen dem Luftkanal und der Metallgeflechtanordnung wenigstens ein Luftsammelkanal vorgesehen ist, durch welchen Luft von der Metallgeflechtanordnung des Seitenwandabschnitts von mehreren Öffnungen des Seitenwandabschnitts gesammelt und zum Luftkanal gefördert werden kann. Diese Sammlung erfolgt insbesondere über mehrere Öffnungen in den inneren Deckblechen der Seitenwandabschnitte. Auf diese Weise kann die Anzahl der Löcher in den inneren Deckblechen im Vergleich zu einer Ausführungsform mit vollflächiger Lochung dieser inneren Deckbleche minimiert werden. Da jedes Loch im inneren Deckblech aus mechanischer Sicht eine Schwächung des Strukturbauteils darstellt, da jedes Loch eine Kerbwirkung mit damit einhergehender Rißanfälligkeit aufgrund der Kerbspannung entfaltet, wird die Fehleranfälligkeit des Strukturbauteils durch die Verwendung eines Luftsammelkanals weiter reduziert. Gleichzeitig ermöglicht die Verwendung eines Luftsammelkanals die beliebige Verlängerung der Tiefe des Strukturbauteils in Strömungsrichtung, da über den oder die Luftsammelkanäle auch weiter hinten im Bezug auf die Strömungsrichtung liegende Bereiche der Seitenwandabschnitte mit Unterdruck versorgt werden können, also auch in diesen Bereichen eine effektive Absaugung und damit eine effektive Strömungslaminarisierung erfolgen kann.
Dabei kann der Luftsammelkanal als Ringkanal ausgeführt ist, welcher sich zwischen Öffnungen im inneren Deckblech des Seitenwandabschnitts und dem Luftkanal erstreckt. Diese Erstreckung verläuft also im Wesentlichen entlang der Strömungsrichtung des Strukturbauteils. Auf diese Weise unterstützt der Luftsammelkanal zusätzlich die mechanische Stabilität des Strukturbauteils, da er sozusagen als versteifende Rippe wirkt. Je nach benötigtem Absaugvolumen, Strömungsquerschnitt der Luftsammelkanäle und benötigter mechanischer Versteifung durch die Luftsammelkanäle können Abstände in Spannweitenrichtung des Strukturbauteils von 300 mm, 500 mm oder bis zu 1000 mm sinnvoll sein. Je mehr mechanische Versteifung gewünscht wird, desto geringer sind dabei die Abstände der Luftsammelkanäle in Spannweitenrichtung des Strukturbauteils zu wählen.
Um die Verteilung des Unterdrucks und damit auch die abgesaugte Luft optimal zu verteilen und dem zentralen Luftkanal zuzuführen kann es sinnvoll sein, wenn bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Versteifungselemente zumindest zum Teil Seitenwandkanäle innerhalb des Hohlkammerprofils bilden, welche die fluidkommunizierende Verbindung zwischen der Metallgeflechtanordnung und dem Luftkanal bilden. Auf diese Weise kann sowohl in Spannweitenrichtung, als auch in Strömungsrichtung des Strukturbauteils eine optimale Verteilung des Unterdruckes zum Absaugen der Luft von der Außenseite der oberen Deckbleche erzielt werden. Insbesondere wird auf diese Weise sichergestellt, dass durch die als Blenden fungierenden Öffnungen in den inneren Deckblechen der Seitenwandabschnitte erzielten Absaugdrucke im Hohlkammerprofil sich in Spannweitenrichtung des Strukturbauteils innerhalb des Hohlkammerprofils ausbreiten können.
Bei der Verwendung eines erfindungsgemäßen Strukturbauteils für Strömungsbauteile von Flugzeugen kann es von Vorteil sein, wenn das Strukturbauteil ein aerodynamischer Körper ist, bei welchem der Nasenabschnitt ein Abschnitt des aerodynamischen Körpers mit Stauströmung und die Seitenwandabschnitte Abschnitte des aerodynamischen Körpers mit einer auszubildenden Grenzschicht sind. Darunter ist zu verstehen, dass an der Außenseite des Nasenabschnittes durch die anliegende Strömung ein relative hoher Oberflächendruck herrscht und an den Seitenwandabschnitten durch die anliegende Strömung ein relativ geringer Oberflächendruck. Mit anderen Worten zeigt der Nasenabschnitt gegen die Strömungsrichtung, während die Seitenwandabschnitte im Wesentlichen entlang der Strömungsrichtung verlaufen. Insbesondere ist das Strukturbauteil für Bereiche der Leitwerke, von Stellklappen oder Tragflächen oder der Triebwerksgondeln eingesetzt. Gerade an diesen Positionen eines Flugzeuges sind laminare Strömungen für die Flugstabilität von großem Vorteil. Insbesondere am Leitwerk wirken sich turbulente Strömungen neben der Sicherheit auch auf den Komfort in der jeweiligen Flugsituation negativ aus. Der Einsatz eines erfindungsgemäßen Strukturbauteils für diese Bereiche dient damit der Sicherheit und dem Komfort des Flugzeuges.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen mit den Schritten:

• Herstellen eines ersten Seitenwandelements mit einem Hohlkammerprofil
• Herstellen wenigstens eines zweiten Seitenwandelements mit einem Hohlkammerprofil
• Herstellen eines Nasenelements
• Anordnen des Nasenelementes zwischen den beiden Seitenwandelementen
• Verbinden des Nasenelementes mit den beiden Seitenwandelementen

Wesentlicher Vorteil des voranstehend beschriebenen Verfahrens ist die mehrteilige Produktionsweise des Strukturbauteils. Dabei können kleinere Werkzeugformen zum Einsatz kommen was die Herstellungskosten senkt. Auch die Qualität des Strukturbauteils steigt, da durch die getrennte Fertigung Probleme bei der Umformung des Nasenabschnittes, insbesondere bei Nasenabschnitten mit deutlich größerer Krümmung als die Seitenabschnitte, umgangen werden können. Dabei sei insbesondere auf das Problem verwiesen, das bei Umformung mit starken Krümmungen im Nasenabschnitt Materialstauchungen und sogar Faltenwurf auf der Oberfläche des Materials entstehen können. Dies wird durch die mehrteilige Ausführung der Abschnitte vermieden.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren kann dahingehend weitergebildet sein, dass das Verbinden des Nasenelements mit den Seitenwandelemente zumindest zum Teil über ein Kanalblech erfolgt, welches vor dem Verbinden derart angeordnet wird, dass es zusammen mit dem äußeren Nasenblech den Luftkanal bildet. Ein solches erfindungsgemäßes Anordnen ermöglicht neben der Ausbildung des zentralen Luftkanals in Funktionsunion die versteckte Verbindung der Seitenwandabschnitte mit dem Nasenabschnitt. Zusätzliche Verbindungen müssen in diesem Fall nicht mehr vorgesehen werden.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Strömungsbauteil eines Flugzeuges aufweisend zumindest ein erfindungsgemäßes Strukturbauteil. Die hiermit erzielbaren Vorteile ergeben sich aus den Ausführungen zum Strukturbauteil selbst.
Nachfolgend sei noch auf mögliche Ausgestaltungen des Hohlkammerprofils im Rahmen der vorliegenden. Erfindung hingewiesen.
Nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Metallgeflechtanordnung mehrere Lagen aufweisen, welche beim Anordnen auf dem unteren Deckblech und den Versteifungselementen übereinander angeordnet werden. Dabei ist es möglich, dass die einzelnen Lagen, oder auch die einzelnen Schichten bereits vor dem Anordnen der Metallgeflechtanordnung auf dem unteren Deckblech und den Versteifungselementen aufeinander angeordnet sind, oder dass die Schichten nacheinander beim Anordnen der Metallgeflechtanordnung auf dem unteren Deckblech und den Versteifungselementen aufeinander angeordnet werden.
Durch das Verwenden mehrere Lagen kann die Permeabilität der Metallgeflechtanordnung in besonders einfacher Weise eingestellt werden. So nimmt, je nach Geflechtart und je nach Art der einzelnen Metallelemente die Permeabilität sowie die mechanische Stabilität zur Erfüllung der strukturellen Anforderungen mit der Anzahl der aufeinander angeordneten Lagen ab. Je mehr Lagen aufeinander geschichtet werden desto höher wird die mechanische Stabilität des Hohlkammerprofils wobei die Durchlässigkeit des oberen Deckbleches, also die Permeabilität, über die Maschenweite einstellbar bleibt. Somit kann je nach Einsatzbereich des Hohlkammerprofils, aber auch innerhalb der geometrischen Erstreckung eines einzelnen Hohlkammerprofils, die jeweils gewünschte Permeabilität erzielt werden. Beispielsweise kann über unterschiedliche Permeabilitäten im Verlauf Spannweitenrichtung, oder in anderen Richtung eines umströmten Bauteils bei einem Verkehrsflugzeug bei konstanter Saugleistung eines Sauggebläses eine örtliche auf die Flügelspannweitenrichtung angepasste und über diese variierende Strömungslaminarisierung erzielt werden. Dieses relativ komplexe Ergebnis lässt sich erfindungsgemäß sehr einfach erzielen, nämlich indem in einzelnen Bereichen mehr Geflechtlagen übereinander angeordnet werden als in den übrigen Bereichen. So entsteht eine inhomogene Metallgeflechtanordnung wodurch eine inhomogene Absaugung, also eine inhomogene Strömungslaminarisierung erzielt wird.
Nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann es vorteilhaft sein, wenn die Metallgeflechtanordnung in sich und/oder die Deckbleche der Seitenwandabschnitte mit den Versteifungselementen über Diffusionsschweißen verbunden werden. Dabei ist unter dem Begriff der Verbindung der Metallgeflechtanordnung in sich zu verstehen, dass sowohl einzelne Geflechtlagen miteinander, als auch einzelne Metallelemente, also beispielsweise Drähte zu einer Geflechtlage miteinander verbunden werden. In einem besonders einfachen Fall kann somit die Metallgeflechtanordnung erst während des Verbindungsvorganges des Diffusionsschweißens gemeinsam mit dem Verbindungsvorgang über die Versteifungselemente erzeugt werden. Durch die Verwendung der Diffusionsschweißmethode werden Verbindungen hergestellt, welche einerseits besonders haltbar sind, andererseits auch besonders einfach, nämlich kostengünstig hergestellt werden können. So ist es möglich, dass Diffusionsschweißverfahren in einem einzigen Schritt für alle Verbindungen der einzelnen Komponenten des Hohlkammerprofils miteinander zu verwenden. Vorteilhafter Weise wird dabei der Schritt des Diffusionsschweißverfahrens in einem einzigen Werkzeug durchgeführt. Im Gegensatz zu bekannten Methoden, bei welchen einzelne Stege mittels Laserschweißen mit den Deckblechen verbunden werden, kann auch hier ein hoher Grad an Zeitersparnis erzielt werden. Das Diffusionsschweißverfahren wird dabei im Werkzeug vorteilhafter Weise je nach verwendetem Werkstoff wie Edelstahl oder Titan bei ca. 1000°C und im Bereich zwischen 10 bis 85 bar, insbesondere zwischen 20 und 60 bar, über mehrere Stunden, beispielsweise bis zu 3 Stunden hinweg ausgeführt. Nach diesem einzelnen Vorgang, der im Vergleich zu komplexen Laserschweißvorgängen auch regelungstechnisch praktisch keinen Aufwand mit sich bringt, wird auf diese Weise eine weitere Komplexitätsreduktion erzielt.
Bei der Metallgeflechtanordnung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann diese aus einzelnen Metalldrähten bestehen, welche in einer Flechtstruktur miteinander verwoben sind. Dabei sind verschiedenste Flechtstrukturen denkbar. Zum Beispiel ist es möglich, dass die einzelnen Metalldrähte zueinander um ca. 90° versetzt verlaufen und jeweils abwechselnd übereinander drüber und untereinander durch verlaufen. So wird über eine Vielzahl von Kontaktstellen der einzelnen Metalldrähte eine hohe mechanische Stabilität geschaffen und gleichzeitig durch die Zwischenräume zwischen den Kontaktstellen und den Metalldrähten ausreichende Öffnungen geschaffen, welche zur gewünschten Permeabilität des oberen Deckbleches führen. Jedoch sind, je nach explizitem Anforderungsprofil, auch andere Flechtmethoden möglich, welche zum Beispiel zu Geflechtstrukturen mit höherer Permeabilität und/oder mit höherer mechanischer Stabilität führen.
Es kann vorteilhaft sein, wenn die einzelnen Metalldrähte in der Flechtstruktur der Metallgeflechtanordnung an zumindest einigen ihrer Kontaktstellen miteinander verschweißt sind. Dabei kann das Verschweißen ebenfalls per Diffusionsschweißverfahren erfolgen. Auf diese Weise wird auch die Stabilisierung des oberen Deckbleches, also der Metallgeflechtanordnung im gleichen Schritt wie die Verbindung der Deckbleche mit den Versteifungselementen durchgeführt. Die Verbindung der einzelnen Metalldrähte untereinander erhöht die Stabilität der Metallgeflechtanordnung und damit des gesamten Hohlkammerprofils. Damit werden nicht nur die einzelnen Metalldrähte, sondern auch die einzelnen Lagen der Metallgeflechtanordnung untereinander verbunden. Die Metallgeflechtanordnung wird also in sich miteinander verbunden.
Um den Verbindungsvorgang, beispielsweise per Diffusionsschweißen, besser durchführen zu können, kann es vorteilhaft sein, wenn vor dem Anordnen des oberen Deckbleches auf dem unteren Deckblech und den Versteifungselementen eine hitzebeständige Dichtfolie zwischen das obere Deckblech und die Versteifungselemente eingelegt wird und die Dichtfolie nach Beendigung des Herstellungsverfahrens wieder entfernt wird. Auf diese Weise ist während des Herstellvorganges der Verbindungen die Permeabilität des oberen Deckbleches sozusagen ausgeschaltet. Daher kann für ein anschließendes Umformverfahren, beispielsweise ein superplastisches Verformen, der Raum zwischen der Dichtfolie und dem unteren Deckblech unter Innendruck gesetzt werden, so dass das untere Deckblech sowie die Versteifungselemente superplastisch durch den Druck verformt werden können. Ohne die Dichtfolie könnte in diesem Raum kein Innendruck angelegt werden. Um jedoch die für die abschließende Funktionalität des Hohlkammerprofils notwendige Permeabilität des oberen Deckbleches zu erhalten muss die Dichtfolie nach dem Umformschritt wieder entfernt werden. Da sich zu diesem Zeitpunkt die Dichtfolie in schwer zugänglichen Bereichen befindet, also zwischen den Deckblechen und den Versteifungselemente eingeklemmt ist, ist es vorteilhaft, wenn dieses Entfernen abtragend, beispielsweise durch chemische Reaktion erfolgt. Hierfür ist es notwendig, dass die Dichtfolie andere Abtragungseigenschaften aufweist, wie dies für die anderen Komponenten des Hohlkammerprofils der Fall ist. Beispielsweise sind die Dichtfolie aus Molybdän und die weiteren Komponenten des Hohlkammerprofils aus Titan oder einer Titanlegierung oder aus Edelstahl gefertigt. Der Abtragungsprozess wird dabei vorzugsweise chemisch, beispielsweise durch das Einbringen eines Fluids, also eines Gases oder einer Flüssigkeit durchgeführt, welche ohne weiteres auch an schwierige Lagen der Dichtfolie gelangt um diese Abzutragen.
Um den Schritt der Verbindung zwischen den Versteifungselementen und dem oberen Deckblech nicht durch das einlegen der Dichtfolie zu behindern, kann es bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorteilhaft sein, wenn die Dichtfolie Aussparungen aufweist, welche mit den Verbindungsstellen zwischen den Versteifungselementen und dem oberen Deckblech hinsichtlich ihrer Position und geometrischer Abmessung korrespondieren. Unter dieser Korrespondenz ist dabei zu verstehen, dass die Abmessungen der Aussparungen gleich oder etwas größer, bzw. etwas kleiner sind, als dies bei den Verbindungsstellen zwischen den Versteifungselementen und dem oberen Deckblech der Fall ist. Auf jeden Fall ist bei der Festlegung der Abmessung der Aussparungen sicher zu stellen, dass einerseits die Ausbildung der Verbindung zwischen den Versteifungselementen und dem oberen Deckblech nicht behindert wird, und andererseits die Dichtfolie eine ausreichende Dichtigkeit aufweist um während des Umformprozess den notwendigen Innendruck, insbesondere für die superplastische Verformung aufrecht zu erhalten. Dabei ist selbstverständlich keine vollständige Dichtigkeit notwendig, sondern nur im technischen Maße eine ausreichende Dichtigkeit um den für den Umformprozess notwendigen Druck aufbringen und über die Verfahrensschrittdauer halten zu können. Auch ein 100%ig vollständiges Entfernen der Dichtfolie ist nicht notwendig, solange sicher gestellt ist, dass mögliche verbleibende Reste der Dichtfolie nicht die Permeabilität des oberen Deckblechs negativ beeinträchtigen.
Wie bereits mehrfach erwähnt, kann es bei einigen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorteilhaft sein, wenn nach dem Verbinden des unteren Deckbleches sowie des oberen Deckbleches jeweils mit den Versteifungselementen in einem superplastischen Verformungsschritt die Versteifungselemente ihre finale Gestalt erhalten und damit gleichzeitig als Trennstege für Absaugungskanäle, also als Seitenwadnkanäle dienen. Die Möglichkeit eines Schrittes mit superplastischer Verformung, welche auf dafür geeigneten Materialien für die zu verformenden Komponenten beruht, resultiert in relativ großen Verformungsbewegungen für die entsprechenden Komponenten. So können aus relativ kompakten einzelnen Komponenten relativ große Hohlkammerprofile erzeugt werden, die aufgrund ihrer Größe in der Lage sind ausreichend Luft zu fördern, also ausreichend sind für effektive Strömungslaminarisierung. Dabei entstehen durch die finale Form der Versteifungselemente sozusagen automatisch als Zweitfunktion auch die Trennstege für die einzelnen Lüftungskanäle. Neben der auf diese Weise erzielbaren relativ leichten Konstruktion für das Hohlkammerprofil wird durch die Doppelfunktion der Versteifungselemente als Trennstege auf derartige zusätzliche Stege verzichtet, was zu einer weiteren Gewichtsreduktion führt. In der Summe kann auf diese Weise ein ausreichend dimensioniertes Bauteil mit minimalem Gewicht erzielt werden.
Als ein Beispiel für eine Ausführungsform eines Werkzeuges dieses wenigstens eine obere Werkzeugform und eine untere Werkzeugform aufweisen, welche untere Werkzeugform die negative geometrische Ausprägung der nach dem Herstellungsverfahren finalen positiven geometrischen Ausprägung des unteren Deckblechs aufweist und das Werkzeug und die untere Werkzeugform derart ausgestaltet sind, dass der Bereich zwischen unterer Werkzeugform und unterem Deckblech mit Druck beaufschlagt werden kann. Somit bildet das untere Werkzeug sozusagen eine Negativform für das untere Deckblech und damit eine Negativform für die Unterseite des Hohlraumprofils. Durch die Beaufschlagung mit Druck beispielsweise im Bereich zwischen 10 und 85 bar, insbesondere zwischen 20 und 60 bar, kann der Diffusionsschweißvorgang in dem Werkzeug durchgeführt werden. Dabei wird durch den Druck eine ausreichende Pressung zwischen entsprechenden Kontaktflächen erzeugt und damit das gewünschte Verbinden erzielt. Von großem Vorteil gegenüber den bisher verwendeten Laserschweißverfahren sind dabei die geringere Komplexität und die Tatsache, dass nur ein einzelner Schritt notwendige ist um sämtliche Verbindungen herzustellen. Dabei ist auch unerheblich, dass die einzelnen Verbindungsstellen, insbesondere zwischen den Deckblechen und den Versteifungselementen nur schwer, bzw. überhaupt nicht zugänglich sind. Durch die Druckbeaufschlagung und die Weiterleitung der durch den Druck in das Hohlkammerprofil eingebrachten Kräfte werden alle gewünschten Verbindungsstellen erreicht und die Verbindungen erzeugt. Dabei ist das Werkzeug, insbesondere eine oder beide Werkzeugformen dafür ausgelegt, dass erhöhte Temperatur auf die einzelnen Komponenten des Hohlkammerprofils übertragen werden kann. Je nach Materialien und Verfahren sind somit auch schwierigere Verbindungen schnell und unkompliziert zu erzeugen.
Dabei kann bei einem Werkzeug gemäß einer solchen Ausführungsform dieses und die untere Werkzeugform derart ausgestaltet ist, dass im Raum zwischen der unteren Werkzeugform und dem unteren Deckblech ein Vakuum angelegt werden kann. Um für den an die Verbindung der Deckbleche mit den Versteifungselementen folgenden Schritt eines Umformens möglichst wenig Zusatzsaufwand zu haben wurde bereits beschrieben, dass durch Innendruck zwischen den beiden Deckblechen und eine entsprechende angeordnete Dichtfolie, der Umformprozess durchgeführt werden kann. Um nun auch auf die Dichtfolie, insbesondere den Schritt diese wieder zu entfernen, verzichten zu können, kann durch das Anlegen eine Vakuums im Raum zwischen der unteren Werkzeugform und dem unteren Deckblech ebenfalls die gewünschte Verformung, beispielsweise eine superplastische Verformung durchgeführt werden. Das untere Deckblech wird in diesem Fall also nicht in die untere Werkzeugform geschoben, sondern vielmehr in diese gesaugt, bzw. gezogen. Dabei wir bei der Ausgestaltung des Werkzeuges vorteilhafter Weise die gleiche Pumpe verwendet, welche bereits im Schritt des Verbindens der Deckbleche mit den Versteifungselementen zum Einsatz gekommen ist. Um dies zu ermöglichen kann zum Beispiel eine zweite Leitung mit T-Ventil vorgesehen sein, welche die Anschlüsse der Pumpe an den Raum zwischen der unteren Werkzeugform und dem unteren Deckblech vertauscht. Auf diese Weise kann neben der Dichtfolie auch auf aufwendige Konstruktionen verzichtet werden um Innendruck zwischen der Dichtfolie und dem unteren Deckblech zu erzielen.
Bei verschiedenen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann es vorteilhaft sein, wenn die Versteifungselemente mehrteilige Stege sind, deren Teile sich durch das superplastisches Verformen relativ zueinander in eine Position bewegen, in welcher sie einen Kraftübertragungspfad zwischen dem unteren Deckblech und dem oberen Deckblech bilden. Durch das bilden eines Kraftverbindungspfades zwischen den beiden Deckblechen werden diese gegeneinander abgestützt und auf den gewünschten Abstand definiert. Dabei kann dieser Abstand konstant sein oder auch über die geometrische Ausprägung des Hohlkammerprofils variieren.
Ein Hohlkammerprofil der Seitenwandabschnitte kann dahingehend weitergebildet sein, dass die Versteifungselemente eine Fachwerkstruktur aufweisen, welche das Hohlkammerprofil versteift. Eine solche Fachwerkstruktur weist insbesondere Fachwerksstäbe, bzw. Fachwerksbleche auf, welche in spitzwinklig zueinander zur Dickenrichtung des Hohlkammerprofils verlaufen. Auf diese Weise dient die Fachwerkstruktur der Versteifungselemente zusammen deren Materialeigenschaften da zum die mechanische Stabilität des Hohlkammerprofils zu verbessern, bzw. erst zu ermöglichen. Dabei sind die einzelnen Bleche der Versteifungselemente insbesondere von gleichen Abmessungen, so dass sich in der Fachwerksstruktur gleichschenklige Dreiecke im Querschnitt der Versteifungselemente ergeben.
Alternativ zu der Ausbildung mit Fachwerkstrukturen können bei einem erfindungsgemäßen Hohlkammerprofil die Versteifungselemente Stege aufweisen, welche sich entlang der Dickenrichtung des Hohlkammerprofils zu dessen Versteifung erstrecken. Die Erstreckung entlang der Dickenrichtung des Hohlkammerprofils bedeutet demnach eine im Wesentlichen senkrechte Ausbildung der Stege in Verhältnis zu den beiden Deckblechen. Auf diese Weise entstehende Versteifungselemente, welche bei geringst möglichem Materialeinsatz die maximale mechanische Stabilität in Druckrichtung erzielen. Bei der Verwendung des Hohlkammerprofils für die Seitenwandabschnitte, welche ausschließlich oder hauptsächlich druckbelastet sind, ist daher eine Ausgestaltung der Versteifungselemente als derartige Stege ein vorteilhafter Schritt zur Gewichtsreduktion.
Bei der Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hohlkammerprofils für die Seitenwandabschnitte mit senkrechten Stegen kann es von Vorteil sein, wenn die Stege der Versteifungselemente aus mehreren Einzelteilen bestehen, welche miteinander im Verlauf der Erstreckung der Versteifungselemente in Dickenrichtung des Hohlkammerprofils verbunden sind. Eine solche Mehrteiligkeit ist insbesondere im Hinblick auf das Fertigungsverfahren vorteilhaft. So ist damit möglich, dass sich die einzelnen Teile der Stege relativ zu einander bewegen, insbesondere relativ zu einander drehen. Damit entsteht sozusagen ein aufklappen oder auffalten des jeweiligen Versteifungselementes in Form eines Steges.
Dabei ist unter dem Begriff „Fachwerkstruktur” im Sinne der vorliegenden Erfindung zu verstehen, dass einzelne Versteifungselemente zueinander winklig angeordnet sind. Die winklige Anordnung besteht dabei nicht nur zwischen den Versteifungselementen untereinander, sondern auch zwischen den Versteifungselementen und den Deckblechen. Auf diese Weise ergibt sich im Querschnitt durch das Hohlkammerprofil eine Fachwerkstruktur aus einzelnen im Wesentlichen dreieckigen Formen.
Im Gegensatz zur Fachwerkstruktur sind alternativ die Versteifungselemente als Stege vorgesehen, welche im Wesentlichen senkrecht zu den Deckblechen angeordnet sind, also als senkrechte Stege bezeichnet werden können. Auf diese Weise ergeben sich der geringste Flächenbedarf und damit der geringste Materialeinsatz für die Versteifungselemente dieser Ausführungsformen.
Die vorliegende Erfindung wird näher erläutert anhand der beigefügten Zeichnungsfiguren. Dabei beziehen sich die verwendeten Begriffe „links”, „rechts”, „oben”, „unten” auf die Zeichnungen mit einer Ausrichtung mit normal lesbaren Bezugszeichen. Es zeigen:
1 eine isometrische Ansicht einer Ausführungsform eines Hohlkammerprofils eines Seitenwandabschnitts;
2 eine isometrische Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines Hohlkammerprofils eines Seitenwandabschnitts;
3a Den Querschnitt eine Ausführungsform einer Metallgeflechtanordnung eines Seitenwandabschnitts;
3b Eine isometrische Ansicht einer Ausführungsform einer Metallgeflechtanordnung eines Seitenwandabschnitts;
4a Im Querschnitt eine Ausführungsform eines Werkzeuges mit eingelegten Komponenten;
4b Im Querschnitt einen Ausschnitt einer Ausführungsform eines Hohlkammerprofils eines Seitenwandabschnitts vor dem Verbinden der Versteifungselemente mit den Deckblechen;
4c Im Querschnitt einen Ausschnitt einer Ausführungsform nach 4b eines Hohlkammerprofils eines Seitenwandabschnitts nach dem Verbinden der Versteifungselemente mit den Deckblechen;
4d Im Querschnitt einen Ausschnitt einer Ausführungsform nach 2 eines Hohlkammerprofils eines Seitenwandabschnitts nach dem Verbinden der Versteifungselemente mit den Deckblechen;
5a Im Querschnitt einen Ausschnitt einer Ausführungsform eines Hohlkammerprofils eines Seitenwandabschnitts während eines superplastischen Verformungsschrittes;
5b Im Querschnitt einen Ausschnitt einer Ausführungsform eines Hohlkammerprofils eines Seitenwandabschnitts nach 5a nach einem superplastischen Verformungsschritt;
5c Im Querschnitt einen Ausschnitt einer Ausführungsform eines Hohlkammerprofils eines Seitenwandabschnitts gemäß 4d während eines superplastischen Verformungsschrittes;
5d Im Querschnitt einen Ausschnitt einer Ausführungsform eines Hohlkammerprofils eines Seitenwandabschnitts nach 5c nach dem superplastischen Verformungsschritt;
6a Eine isometrische Ansicht einer Ausführungsform einer Dichtfolie zum Verwenden in einem Hohlkammerprofil eines Seitenwandabschnitts;
6b Die Dichtfolie aus 6a in im Hohlkammerprofil eines Seitenwandabschnitts angeordnetem Zustand im Querschnitt;
7a Im Querschnitt ein erster Schritt einer Ausführungsform eines Verfahrens eines Seitenwandabschnitts;
7b Im Querschnitt ein zweiter Schritt der Ausführungsform eines Verfahrens nach 7a;
7c Im Querschnitt ein dritter Schritt der Ausführungsform eines Verfahrens nach 7b;
7d Im Querschnitt ein zweiter Schritt der Ausführungsform eines Verfahrens nach 7c;
8 Im Querschnitt eine Ausführungsform eines Strukturbauteils;
9 Im Querschnitt eine weitere Ausführungsform eines Strukturbauteils
10 Im Querschnitt ein Detail des Nasenabschnitts einer Ausführungsform eines Strukturbauteils
11 Im Querschnitt eine weitere Ausführungsform eines Strukturbauteils
In 1 ist eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Dabei ist das Hohlkammerprofil 72 in einer isometrischen Ansicht gezeigt. Es weist ein unteres Deckblech 20 oder eine untere Deckschale und ein oberes Deckblech 40 oder eine obere Deckschale auf, zwischen welchen sich Versteifungselemente oder Stützprofile 30 erstrecken. Dabei ist die Ansicht in 1 nur ein Ausschnitt eines erfindungsgemäßen, sich in einer Längsrichtung X1 und einer Querrichtung X2 erstreckenden Hohlkammerprofils 72. Es sind als bei dem gesamten Hohlkammerprofil 72 deutlich mehr einzelne Versteifungselemente 30 vorgesehen, als die in 1 dargestellten. In der dargestellten Ausführungsform sind die Versteifungselemente 30 als stegförmige Stützprofile ausgeführt, deren Längsrichtung sich entlang der Längsrichtung X1 des Hohlkammerprofils 72 und deren Breite sich entlang der Querrichtung X2 des Hohlkammerprofils 72 erstreckt. Die in dieser Ausführungsform vorzugsweise als Stützprofile ausgeführten Versteifungselemente 30 sind an ihren in Bezug auf ihre Breite gelegenen Enden an Verbindungsbereichen 32 mit der unteren Deckschale 20 bzw. der oberen Deckschale 40 verbunden und sind zumindest in einem Abschnitt des Hohlkammerprofils 72 in ihrer Längserstreckung derart orientiert, dass diese mit einer Abweichung von vorzugsweise in Abhängigkeit von den statischen Anforderungen and die Versteifungselemente 30 maximal 45°, 40°, 35°, 30°, 25°, 20°, 15 oder 10° in Bezug auf die Richtung des kürzesten Abstands der Stützprofile an den jeweiligen Verbindungsbereichen 32 orientiert sind. Die Längsrichtungen der Stützprofile 30 verlaufen dabei entlang zueinander.
Das obere Deckblech 40 ist dabei vollständig aus einer Metallgeflechtanordnung 42 gefertigt, welche in 1 nicht näher dargestellt ist. Diese Metallgeflechtanordnung 42 kann mehrschichtig sein, oder auch aus einer einzigen Geflechtschicht bestehen. Entscheidend für die Wahl der Metallgeflechtanordnung 42 ist dabei, dass diese permeabel für Luftströmung ist und gleichzeitig die strukturellen Anforderungen an die mechanische Stabilität erfüllt. Diese Permeabilität der Metallgeflechtanordnung 42 ermöglicht eine Fertigung des Hohlkammerprofils 72 nicht mit einem alternativen Verfahren für die Erstellung einer Perforation, sondern durch die erfinderische Verwendung der Metallgeflechtanordnung 42. Auf diese Weise entfällt der zusätzliche Schritt des Perforierens, beispielsweise durch Laserstrahlbohren vollständig.
Die einzelnen Versteifungselemente 30 wurden dabei in einem superplastischen Verformungsschritt durch Aufstellen nach dem Verbinden untereinander und mit den Deckblechen 20 und 40 hergestellt. Auf dieses Aufstellen insbesondere bei einer mehrteiligen Ausführungsform der Versteigungselemente 30 wird weiter unten noch näher eingegangen.
In 2 ist in einer isometrischen Ansicht eine alternative Ausführungsform des sich in einer Längsrichtung X1 und einer Querrichtung X2 erstreckenden Hohlkammerprofils 72 dargestellt.
In der Ausführungsform nach der 2 sind die Versteifungselemente 30 als Fachwerkprofile ausgeführt, deren Längsrichtung sich entlang der Längsrichtung X1 des Hohlkammerprofils 72 erstreckt und deren Breitenrichtung winklig zu der Querrichtung X2 des Hohlkammerprofils 72 verläuft. Die als Fachwerkprofile ausgeführten Versteifungselemente 30 sind an ihren in Bezug auf ihre Breite gelegenen Enden an Verbindungsbereichen 32 mit der unteren Deckschale 20 bzw. der oberen Deckschale 40 verbunden, wobei Enden von zwei jeweils benachbarten Fachwerkprofilen vorzugsweise an demselben Befestigungsbereich 32 an der unteren Deckschale 20 bzw. der oberen Deckschale 40 befestigt sind. Alternativ können die Enden von zwei jeweils benachbarten Fachwerkprofilen auch an verschiedenen voneinander beabstandeten Befestigungsbereichen 32 mit der unteren Deckschale 20 bzw. der oberen Deckschale 40 verbunden sein, wobei die Befestigungsbereiche 32 dann vorzugsweise maximal das 3 bis 5-fache der Stärke der Fachwerkprofile als Breite aufweisen. Diese Korrelation gilt auch für die Breite der Befestigungsbereiche 32 bei senkrechten Stegen als Versteifungselemente 30, wie sie in 1 gezeigt sind. Die Längsrichtungen der Fachwerkprofile 30 verlaufen dabei entlang zueinander. Die Anordnung der Fachwerkprofile 30 ist zumindest in einem Abschnitt des Hohlkammerprofils 72 vorzugsweise derart ausgeführt, dass sich der jeweils spitze Winkel zwischen der Breitenrichtung der Fachwerkprofile 30 und der Längserstreckung der unteren Deckschale 20 bzw. der oberen Deckschale 40 im Bereich zwischen 10 Grad und 90 Grad gelegen ist.
Dort ist zu erkennen, dass im ersten Schritt des Verfahrens zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Strukturbauteils nicht zwingend ein Verformungsschritt, beispielsweise eine superplastische Verformung nach dem Verbinden, vorgesehen sein muss. Vielmehr ist es auch möglich, dass es sich, wie in 2 dargestellt, bei den Versteifungselementen 30 um feste und formsteife Elemente handelt, welche direkt nach ihrem Anordnen auf dem unteren Deckblech 20 bereits ihre endgültige Form aufweisen. In dieser endgültigen Form dienen die Versteifungselemente 30 als Abstützung der beiden Deckbleche 20 und 40 gegeneinander. Durch das Bilden eines Kraftverbindungspfades zwischen den beiden Deckblechen 20 und 40 werden diese gegeneinander abgestützt und darüber hinaus auf den gewünschten Abstand definiert. Dabei kann dieser Abstand konstant sein oder auch über die geometrische Ausprägung des Hohlkammerprofils 72 variieren. Bei einer solchen Ausführungsform sind die Verbindungen zwischen den Versteifungselementen 30 und den beiden Deckblechen 20 und 40 über relativ einfache Verbindungsverfahren, wie beispielsweise Löten, Diffusionsschweißen oder Kleben, hergestellt.
Jedoch ist auch ein Profil wie in 2 dargestellt mit einem superplastischen Verformungsschritt herstellbar. Dieser Verfahrensschritt wird anhand der 4d, 5c und 5d später näher erläutert werden. Um einen superplastischen Verformungsschritt unter der Verwendung von Überdruck zwischen den beiden Deckblechen 20 und 40 überhaupt bei der Version in 2 zu ermöglichen, sind bei der Ausführungsform in 2 weitere Öffnungen 34 in den Versteifungselementen 30 vorgesehen. Diese Öffnungen 34 dienen dem Druckausgleich, so dass sich ein eingebrachter Druckausgleich frei zwischen den Deckblechen 20 und 40, insbesondere ungehindert von der Fachwerkstruktur der Versteifungselemente 30, ausbreiten kann.
Grundsätzlich bestehen somit die aus 2 erkennbare Möglichkeit einer Fachwerksstruktur für eine verbesserte mechanische Stabilität der Versteifungselemente 30 und damit des Hohlkammerprofils 72 einerseits, und die aus 1 erkennbare Stegstruktur der Versteifungselemente 30 für eine gewichtsreduzierte Ausführung andererseits. In den 3a und 3b ist eine Metallgeflechtanordnung 42 näher dargestellt. Dabei können beliebige Webarten, wie beispielsweise Körpergewebe oder Panzertrassengewebe zum Einsatz kommen. So ist bei der Ausführungsform gemäß 3a im Querschnitt zu erkennen, dass die einzelnen Metalldrähte 44 in unterschiedlichen Ebenen aber nicht ausschließlich innerhalb dieser Ebenen verlaufen. Vielmehr verlaufen den Metalldrähte 42 im Wesentlichen wellenförmig und jeweils in einem Winkel von 90° zueinander versetzt. Damit entsteht ein Geflecht wie es zum Beispiel in 3b in isometrischer Ansicht dargestellt ist. Die einzelnen Metalldrähte 42 verlaufen übereinander und untereinander im Wechsel und verflechten sich auf diese Weise miteinander zu einer mechanisch stabilen Metallgeflechtanordnung 42.
Die Permeabilität dieser Metallgeflechtanordnung 42 ist dabei durch die automatisch im Geflecht entstehenden Abstände zwischen den einzelnen Metalldrähten 44 und den daraus resultierenden Löchern gegeben. Je nach Dichtheit des Flechtwerkes und der Abstände der einzelnen Metalldrähte 44 zueinander kann auf diese Weise eine höhere oder geringere mechanische Stabilität und auch eine höhere oder geringere Permeabilität eingestellt werden.
Die Metallgeflechtanordnung 42 ist dabei in sich, also die einzelnen Metalldrähte 44 untereinander über Diffusionsschweißen verbunden. Damit sind also einzelnen Lagen der Metallgeflechtanordnung in sich, aber die einzelnen Lagen der Metallgeflechtanordnung untereinander über Diffusionsschweißen miteinander verbunden. Durch die Verwendung der Diffusionsschweißmethode werden hier Verbindungen zwischen den Metalldrähten 44 hergestellt, welche einerseits besonders haltbar sind, andererseits auch besonders einfach, nämlich kostengünstig hergestellt werden. Das Diffusionsschweißverfahren wird dabei in einem in den 3a und 3b nicht dargestellten Werkzeug 80 bei ca. 1000°C und im Bereich zwischen 10 bis 85 bar, insbesondere zwischen 20 und 60 bar, über mehrere Stunden, zum Beispiel 3 Stunden hinweg ausgeführt. Es sind grundsätzlich verschiedenste Flechtstrukturen denkbar. Zum Beispiel ist es möglich, dass die einzelnen Metalldrähte 44 zueinander um ca. 90° versetzt verlaufen, wie dies in den 3a und 3b dargestellt ist, und jeweils abwechselnd übereinander drüber und untereinander durch verlaufen. So wird über eine Vielzahl von Kontaktstellen der einzelnen Metalldrähte eine hohe mechanische Stabilität geschaffen und gleichzeitig durch die Zwischenräume zwischen den Kontaktstellen und den Metalldrähten 44 ausreichende Öffnungen geschaffen, welche zur gewünschten Permeabilität des oberen Deckbleches führen.
In 4a ist eine Ausführungsform eines Werkzeuges 80 dargestellt, welches für das Verbinden der Deckbleche 20 und 40 mit den Versteifungselementen 30 verwendet wird. Zusätzlich ist das Werkzeug aus der 4a auch in der Lage einen Umformprozess, insbesondere mittels superplastischen Verformen, durchzuführen. Dieser Umformprozess wird später noch mit Bezug auf die 5a und 5b näher erläutert werden. Nach dem erfindungsgemäßen Anordnen der einzelnen Deckbleche 20 und 30 sowie der dazwischenliegenden Versteifungselemente 30 wurde das Werkzeug 80, also dessen beide Werkzeugformen 82 und 84 geschlossen. Dabei liegt das untere Deckblech nur in Teilbereichen an der unteren Werkzeugform 82 an. Diese Teilbereiche stützen das untere Deckblech, bzw. alle darauf angeordneten Komponenten des Hohlkammerprofils 72 bis zum Beginn Schrittes zur Verbindung der Deckenbleche 20 und 40 mit den Versteifungselementen 30. Der Raum zwischen der unteren Werkzeugform 82 und dem unteren Deckblech 20 ist dabei derart ausgelegt, dass dort ein Innendruck aufgebracht werden kann. Dafür sind, in 4a nicht dargestellt, Druckkanäle vorgesehen, über welche Gas zur Erzeugung des Innendruckes in diesen Raum gepumpt werden kann. Durch diesen Innendruck wird Kraft auf das untere Deckblech 20 ausgeübt, welche durch das gesamte Hohlkammerprofil 72 verläuft und sich gegen die obere Werkzeugform 84 abstützt. Mit anderen Worten werden alle Komponenten von dem Innendruck gegen die obere Werkzeugform 84 gedrückt und damit gleichzeitig gegeneinander gepresst. Unter einem Innendruck im Bereich zwischen 10 und 85 bar, insbesondere zwischen 20 und 60 bar, sowie unter Aufheizung des Hohlkammerprofils 72 auf bis zu 1000°C werden in diesem Verfahrensschritt in ca. 3 Stunden die Verbindungen zwischen den Versteifungselementen 30 und den Deckblechen 20 und 30 durch Diffusionsschweißen hergestellt.
Da sich an der geometrischen Ausprägung des Hohlkammerprofils 72 in 4a im Wesentlichen kaum etwas ändert, wird dieser Vorgang anhand der 4b und 4c näher erläutert. 4b zeigt die Anordnung, im Ausschnitt, des unteren Deckbleches 20 und des oberen Deckbleches 40 mit zwei aufeinander liegenden, dazwischen angeordneten Versteifungselementen 30. Hier ist gut sichtbar, dass die Versteifungselemente 30 auch in sich aus mehr als einer Komponente bestehen können. Insbesondere bei möglicherweise nachfolgenden Umformungsschritten, wie zum Beispiel mittels superplastischer Verformung, ist das mehrteilige Ausführen der Versteifungselemente 30 sinnvoll, da damit ein Aufklappen, bzw. ein Aufstellen möglich wird. In 4c ist das Ergebnis des Verbindens, zum Beispiel mittels Diffusionsschweißens mit einem Werkzeug aus 4a dargestellt. Deutlich sind die Verbindungsstellen 32 zu erkennen, welche sich durch das Verbinden zwischen den Versteifungselementen 30 und den Deckblechen 20 und 40 ausgebildet haben. Durch die mehrteilige Ausführungsform der Versteifungselemente 30 ist hier auch eine Verbindungsstelle 32 zwischen den einzelnen Teilen des jeweiligen Versteifungselementes 30 entstanden. Hier zeigt sich einmal mehr einer der Vorteile der vorliegenden Erfindung. So wird in einem einzigen Schritt des Diffusionsschweißens nicht nur die Verbindung zwischen den Deckblechen 20 und 40 und den Versteifungselementen 30 erzeugt, sondern darüber hinaus auch noch die einzelnen Versteifungselemente 30 erste komplettiert durch deren interne Verbindung. Zusätzliche Schritte sind dabei nicht mehr notwendig. Um sicherzustellen, dass insbesondere bei der Verwendung eines Diffusionsschweißverfahrens ausschließlich an den gewünschten Stellen Schweißverbindungen, also Verbindungsstellen 32 entstehen, ist zwischen einzelnen Komponenten, also zwischen den Versteigungselementen 30 und dem jeweiligen Deckblech 20 und 40 sowie zwischen den einzelnen Teilen des jeweiligen Versteifungselementes 30 ein soggenanntes „stopp-off coating” vorgesehen, welche also als Beschichtung ein Verbinden, insbesondere ein Verschweißen der jeweiligen Komponente an unerwünschten Stellen verhindert. Diese Beschichtung wirkt also als Trennmittel und verhindert unerwünschte Verbindungsstellen.
4d zeigt das Ergebnis eines Diffusionsschweißschrittes im Verfahren zur Herstellung eines Hohlkammerprofils 72 mit einer Fachwerkstruktur für die Versteifungselemente 30, wie sie in 2 gezeigt sind. Im Unterschied zur Stegstruktur ikn den 4b und 4c, ist in 4d nur eine zentrale Lage als Versteifungselement 4d vorgesehen. Dieses wird, beispielsweise unter der Verwendung von „stopp-off-coating” mit den Deckblechen 20 und 40 verbunden, wie dies der 4d zu entnehmen ist. In einem anschließenden Umformprozess, beispielsweise durch superplastisches Verformen, wie zu den 5c und 5d erläutert, wird die finale Form der Fachwerkstruktur der Versteifungselemente 30 erzeugt.
In den 5a und 5b wird ein an das Verbinden der Versteifungselemente 30 mit den Deckblechen 20 und 40 anschließender Schritt des Umformens dargestellt. Dieser erfolgt vorteilhafter Weise ebenfalls in dem Werkzeug 80, wie es in 4a bereits dargestellt ist und beschrieben wurde. In diesem Schritt kommt nun de geometrische Ausprägung der unteren Werkzeugform 82 zu tragen. Dabei weist die untere Werkzeugform 82 die negative geometrische Ausprägung der nach dem Herstellungsverfahren finalen positiven geometrischen Ausprägung des unteren Deckblechs 20 auf. Das Werkzeug 80 und die untere Werkzeugform 82 sind weiter derart ausgestaltet, dass der Bereich zwischen unterer Werkzeugform 80 und unterem Deckblech 82 mit Druck beaufschlagt werden kann. Somit bildet das untere Werkzeug 80 sozusagen eine Negativform für das untere Deckblech 20 und damit eine Negativform für die Unterseite des Hohlkammerprofils 72.
Um nun die finale geometrische Ausprägung des Hohlkammerprofils 72 so wie in 5b dargestellt zu erhalten, muss von einem Ausgangspunkt, wie beispielsweise in 4c gezeigt, das Hohlkammerprofil 72 aufgestellt werden. Dieses Aufstellen, insbesondere mittels superplastischen Verformens, kann auf zwei verschiedene Weisen erfolgen. Eine der beiden Varianten ist die Verwendung des Raumes zwischen unterer Werkzeugform 82 und unterem Deckblech 20 zum Erzeugen eins Vakuums. Ein solches Vakuum saugt, aufgrund einer fehlenden Druckausgleichsmöglichkeit, das untere Deckblech 20 in Richtung der unteren Werkzeugform 82. Dabei verformen sich sowohl das untere Deckblech 20, welches die geometrische Ausprägung der Form der unteren Werkzeugform 82 erhält, als auch die Versteifungselemente 30, welche sich zwischen den beiden Deckblechen 20 und 40 aufstellen. Um sicherzustellen, dass das obere Deckblech 40 in engem Kontakt mit dem oberen Werkzeug 84 verbleibt, kann vorteilhafter Weise eine Fixierung vorgesehen sein, um das obere Deckblech 40 in der gewünschten Position zu halten. Diese Fixierung kann zum Beispiel mechanisch in Form von Haken oder Formschlusselementen oder auch durch reversible Verbindungen wie Punktschweißen, Kleben oder punktförmiges Löten erfolgen. Dabei ist der Zustand in 5a ein Zwischenzustand zwischen dem Beginn des Aufstellens wie in 4c gezeigt und dem Ende des Aufstellens, wie in 5b gezeigt.
Der Prozess, wie er zu den 5a und 5b erläutert worden ist, kann in identischer Weise auch für ein Hohlkammerprofil 72 durchgeführt werden, welches wie in 4d dargestellt, ausgeführt ist und Versteifungselemente 30 in Fachwerkstruktur beinhaltet. Dabei kommen Öffnungen 32. die im Schnitt der 5c und 5d nicht zu erkennen sind, aber in 2 dargestellt sind, zum Einsatz um einen Druckausgleich beim anlegen eines Innendruckes zwischen den Deckblechen 20 und 40 zu ermöglichen. So verteilt sich der Innendruck gleichmäßig und kann durch superplastisches Verformen der Versteifungselemente 30, wie während des Vorganges in 5c dargestellt, zu einer Fachwerkstruktur, wie im Schnitt in 5d dargestellt, führen.
Mit Bezug zu den 6a und 6b wird eine weitere Variante des Aufstellens der Versteifungselemente 30 erläutert. Bei dieser Variante, welche in den Querschnitten grundsätzlich identische mit den 4c, 4a und 4b ist, wird die Bewegung, also die superplastische Verformung des unteren Deckbleches und der Versteifungselemente 30 nicht durch ein Vakuum, sondern durch einen Druck, also durch ein Schieben des unteren Deckbleches 20 in die untere Werkzeugform 82, erzielt. Hierfür muss in Innendruck aufgebracht werden, welcher sich gegen die obere Werkzeugform 84 abstützen kann und gegen das untere Deckblech 20 wirkt. Da ein Abdichten der oberen Werkzeugform 84 nicht immer einfach und/oder sinnvoll sein kann, ist es möglich eine Dichtfolie 60 zu verwenden, welche zwischen das obere Deckblech 40 und die Versteifungselemente 30, bzw. das untere Deckblech 20 gelegt wird. Diese Dichtungsfolie 60 wird nach dem Umformprozess wieder entfernt, um die Permeabilität des oberen Deckbleches 40, also der Metallgeflechtanordnung 42 nicht zu beeinträchtigen.
Um das Verbinden der Versteifungselemente 30 mit dem oberen Deckblech 20 durch das Einsetzen der Dichtungsfolie 60 möglichst nicht zu beeinträchtigen, sind in der Ausführungsform der 6a in der Dichtfolie 60 Aussparungen 652 vorgesehen. Diese Aussparungen korrelieren mit den geplanten Verbindungsstellen 32 zwischen den Versteifungselementen 30 und dem oberen Deckblech 40. Dabei können die Aussparungen 62 die gleiche Abmessung wie die geplanten Verbindungsstellen 32 zwischen den Versteifungselementen 30 und dem oberen Deckblech 40 aufweisen, können jedoch auch, wie in 6a dargestellt mit dazwischenliegenden Stegen voneinander für eine besser Handhabung getrennt sein. In 6b ist das Ergebnis des Umformprozesses nach dieser Variante dargestellt. Im Unterschied zu der Variante mit Vakuum, wie sie im Ergebnis in 5b gezeigt ist, ist hier bei dem Hohlkammerprofil 72 immer noch die Dichtfolie 60 vorhanden. Da die Dichtfolie 60 aufgrund ihrer Abdichtung auch die Metallgeflechtanordnung 42 des oberen Deckbleches 40 abdichten würde und damit die notwendige Permeabilität für eine Strömungslaminarisierung mit einem solchen Hohlkammerprofil verhindern würde, muss die Dichtfolie 60 in einem finalen Schritt entfernt werden. Bei einer Ausführungsform wird dies durch ein Abtragendes Verfahren, beispielsweise durch chemisches Abtragen der Dichtfolie 60 erzielt. Anschließend stellt sich das Hohlkammerprofil 72 dieser Variante des Umformprozesses dar, wie zur ersten Variante in 5b gezeigt.
In den 7a bis 7d werden nachfolgend die Hauptschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert. So wird im ersten Schritt das untere Deckblech 20 auf die untere Werkzeugform 82 des Werkzeuges 80 aufgelegt. Dabei deckt, wie in 7a gezeigt, das untere Deckblech 20 die Negativform der unteren Werkzeugform 82 ab und liegt in den Teilbereichen am Rand der unteren Werkzeugform 82 auf. Im folgenden Schritt werden auf das untere Deckblech 20 die Versteifungselemente 30 aufgelegt. Dabei wird bei machen Ausführungsformen vorteilhafter Weise ein stopp-off-coating auf einzelnen Komponenten, wie den Deckblechen 20 und 40 sowie den Versteifungselementen 30 aufgebracht, welche das Entstehen unerwünschter Verbindungsstellen verhindern. Diese Versteifungselemente sind bei der Ausführungsform der 7a bis 7d zweiteilig. Die Anordnung der Versteifungselemente 30 muss dabei nicht kontinuierlich, wie in 7b gezeigt, erfolgen, sondern kann auch diskontinuierlich sein. Daraufhin wird das obere Deckblech 40 aufgelegt, so dass sowohl das untere Deckblech, als auch die Versteifungselemente 30 abgedeckt sind. Dabei liegt bei der Ausführungsform der 7c ausschließlich das obere Deckblech 40 auf den Versteifungselemente 30 auf. Ein direkter Kontakt zwischen dem oberen Deckblech 40 und dem unteren Deckblech 20 besteht nicht. In 7c ist bereits die obere Werkzeugform 84 zu erkennen, welche jedoch noch mit größerem Abstand von der unteren Werkzeugform 82 angeordnet ist, um das Einlegen der einzelnen Komponenten in das Werkzeug 80 zu ermöglichen. Im das Einlegen abschließenden Schritt wird die obere Werkzeugform 84 nach unten bewegt und schließt das Werkzeug 80 und damit auch die eingelegten und angeordneten Komponenten, nämlich unteres Deckblech 20, Versteifungselemente 30 und oberes Deckblech 40 m ab. In der in 7d dargestellten Situation wird nun das Verbinden der Versteigungselemente 30 mit den Deckblechen 20 und 40 sowie der einzelnen Teile der Versteifungselemente 30 untereinander durchgeführt, wie dies ausführlich zu 4a bis 4c erläutert worden ist.
In 8 ist eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Strukturbauteils 10 im Querschnitt dargestellt. Dabei handelt es sich um ein Strömungsbauteil eines Flugzeuges, beispielsweise an dessen Leitwerk. Das Strukturbauteil 10 weist einen Nasenabschnitt 80 und zwei Seitenwandabschnitte 70 auf, welche über den Nasenabschnitt 80 zu dem Strukturbauteil 10 verbunden sind. Die beiden Seitenwandabschnitte 70 sind dabei mit Hohlkammerprofilen 72 ausgestattet, wie sie ausführlich weiter oben erläutert worden sind. Bei der Ausführungsform der 8 ist dabei eine Fachwerkstruktur für die Versteifungselemente 30 im Einsatz. Jedoch ist alternativ auch eine Stegform der Versteifungselemente 30 möglich.
Der Nasenabschnitt 80 des Strukturbauteils 10 weist ein äußeres Nasenblech 84 auf, welches sowohl die mechanische Stabilität des Nasenabschnitts 80 erzeugt, wie auch durch in 8 nicht dargestellte Öffnungen 34 im äußeren Nasenblech 84 die Fluidkommunikation mit dem zentralen Luftkanal 60 im inneren des Strukturbauteils 10 erzeugt. Die Öffnungen 34 im äußeren Nasenblech 84 sind dabei durch Laserstrahlschweißen hergestellt.
Der zentrale Luftkanal 60 wird zwischen den Seitenwandabschnitten 70 und dem Nasenabschnitt 80 gebildet und nimmt damit praktisch den gesamten Innenraum des Strukturbauteils 10 in Anspruch. In 8 nach unten wird der Luftkanal 60 durch ein Luftkanalblech 62 begrenzt, welches sichelförmig gebogen ist. Bei der Verwendung des Strukturbauteils 10 beispielsweise für das Leitwerk eines Flugzeuges befindet sich hinter dem Kanalblech 62, also an den jeweiligen Enden der Seitenwandabschnitte 70 der Holmanschluss. Hinter dem Kanalblech 62, also außerhalb des Luftkanals 60 verlaufen auch elektrische Leitungen und/oder Hydraulikleitungen.
Der zentrale Luftkanal 60 steht zur Absaugung von Luft von der Außenseite der oberen Deckbleche 40 der Seitenwandabschnitte 70 mit der Metallgeflechtanordnung 42 der oberen Deckbleche 40 über Öffnungen 34, welche in 8 nicht dargestellt sind, in den Versteifungselementen 30 und den inneren Deckblechen 20 in fluidkommunizierender Verbindung. Die Anordnung der Öffnungen 34 in den inneren Deckblechen 20 und den Versteifungselementen 30 kann dabei zum Beispiel wie in den 1 oder 2 gezeigt, ausgeführt sein. Darüber hinaus steht der zentrale Luftkanal über die Öffnungen im äußeren Nasenblech 84 des Nasenabschnitts auch mit der Außenseite des Nasenabschnitts in fluidkommunizierender Verbindung, so dass auch in diesem Abschnitt eine Luftabsaugung erfolgen kann. Die Metallgeflechtanordnung 42 in dieser Ausführungsform kann wie weiter oben zu den 3a und 3b beschrieben ausgeführt sein.
Anhand der 8 soll die Funktionsweise des Strukturbauteils 10 zur Strömungslaminarisierung nachfolgend näher erläutert werden.
An der Außenseite des Strukturbauteils 10 liegt eine Luftströmung vor, welche in 8 von oben nach unten strömt. Die Luftströmung trifft also zuerst auf den Nasenabschnitt 80 und teilt sich dort auf. Die geteilte Strömung folgt anschließend den beiden Seitenwandabschnitten 70 zu dem nachfolgenden Bauteil eines Flugzeuges, welche in 8 der Übersichtlichkeit halber nicht mehr dargestellt ist. Beim Auftreffen der Luftströmung im Nasenabschnitt 80 sowie beim Umströmen der Seitenwandabschnitte 70 besteht, je nach Strömungssituation und Strömungsgeschwindigkeit, die Gefahr der Bildung von turbulenten Strömungsbereichen. Dies wird verhindert indem im zentralen Luftkanal 60 ein Unterdruck über eine an diesem zentralen Luftkanal 60 angeschlossene Pumpe angelegt wird. Der Unterdruck pflanzt sich durch die fluidkommunizierende Verbindung des zentralen Luftkanals 60 über die Öffnungen 34 in den inneren Deckblechen 20 und den Versteifungselementen 30 der Seitenwandabschnitte fort und liegt damit an der Innenseite der Metallgeflechtanordnung 42 innerhalb de Hohlkammerprofils 72 an. Der dort anliegende Unterdruck saugt Luft durch die Metallgeflechtanordnung 42 hindurch und entnimmt damit der Luftströmung an der Außenseite der Seitenwandabschnitte Luft. Auf diese Weise, also durch das Absaugen der Luft von der Außenseite der Seitenwandabschnitte 70 wird die Bildung von Turbulenzen verhindert und die Strömung laminarisiert. Die abgesaugte Luft wird über die Öffnungen 34 in den Versteifungselementen 30 und den inneren Deckblechen in den zentralen Luftkanal 60 geführt und von dort mittels der Pumpe abtransportiert.
Die abgeführte Luft kann dabei weiteren Systemen eines Flugzeuges, welche der Druckluft bedürfen zugeführt werden. Dies sind zum Beispiel die Klimaanlage der Kabine des Flugzeuges oder andere Strömungsbeeinflussungseinrichtungen, welche Druckluft benötigen.
Neben der Absaugung an den Seitenwandabschnitten 70 kann bei der Ausführungsform der 8 auch an dem Nasenabschnitt 80 Luft aus der Luftströmung abgesaugt werden. Dafür steht der zentrale Luftkanal 60 in direktem fluidkommunizierenden Kontakt mit den Öffnungen 34 in dem äußeren Nasenblech 84 durch welche über den anliegenden Unterdruck an der Innenseite des äußeren Nasenblechs 84 Luft nach innen gesaugt wird. Auf diese Weise wird im Wesentlichen and der gesamten Außenseite des Strukturbauteils 10 Luft in den zentralen Luftkanal 60 gesaugt und damit im Wesentlichen an der gesamten Außenfläche des Strukturbauteils eine Strömungslaminarisierung durchgeführt.
In 9 ist eine Alternative zu der Ausführungsform der 8 gezeigt. Sie unterscheidet sich durch die Anordnung des zentralen Luftkanals 60. Dieser wird wiederum durch ein Kanalblech 62 gebildet, welches jedoch bei der vorliegenden Ausführungsform unabhängig von den Seitenwandabschnitten 70, nämlich ausschließlich mit dem Nasenabschnitt 80, insbesondere dessen äußerem Nasenblech 84 den zentralen Luftkanal 60 bildet. Der Querschnitt des zentralen Luftkanals 60 ist dabei deutlich kleiner als bei der Ausführungsform der 8. Damit erhält man freien Bauraum zwischen den Seitenwandabschnitten 70, welcher zum Beispiel für Kabel oder Hydraulikleitungen verwendet werden kann.
Um sicherzustellen, dass die notwendige fluidkommunizierende Verbindung zwischen dem zentralen Luftkanal 60 der Ausführungsform der 9 mit der Außenseite der oberen Deckbleche 40 der Seitenwandabschnitte 70 vorhanden ist, sind bei dieser Ausführungsform ausschließlich Öffnungen 34 in den Versteifungselementen 30 vorgesehen. In den inneren Deckblechen 20 der Seitenwandabschnitte 70 sind demnach keine Öffnungen 34 vorhanden. Mit anderen Worten sind die inneren Deckbleche dicht. Auf diese Weise kann sich der im zentralen Luftkanal 60 anliegende Unterdruck durch die Öffnungen 34 in den Versteifungselemente 30 im Hohlkammerprofil 72 der Seitenwandabschnitte 70 ausbreiten und überall an der Metallgeflechtanordnung 42 innen anliegen. Die weitere Funktionalität der Absaugung der Luft aus der äußeren Luftströmung ist identisch mit der zu 8 beschriebenen.
10 zeigt eine alternative Ausführungsform eines Nasenabschnittes 80, welche mit beliebigen Ausführungsformen des Strukturbauteils 10 kombiniert werden kann. Bei diesem Nasenabschnitt 80 ist das äußere Nasendeckblech 84 als Metallgeflechtanordnung 42 ausgeführt, welche durch ein darunter liegendes gelochtes inneres Nasenblech 82 mechanisch gestützt wird. Dabei sind im inneren Nasenblech 82 Öffnungen 34 vorgesehen, welche die fluidkommunizierende Verbindung zwischen der Metallgeflechtanordnung 42 und dem zentralen Luftkanal 60 herstellen. Dabei kann die Metallgeflechtanordnung 42 des Nasenabschnittes 80 mit der Metallgeflechtanordnung 42 der Seitenwandabschnitte 70 integral, also einstückig ausgeführt sein. Auf diese Weise wird eine nahezu nahtlose Außenhaut des Strukturbauteils 10 erzielt. Darüber hinaus können einerseits weniger Öffnungen 34 in dem inneren Nasenblech 82 als bei anderen Ausführungsform sonst im äußeren Nasenblech 84 vorgesehen werden und anderseits müssen diese Löcher nicht zwingend nachbearbeitet werden, insbesondere nicht entgratet werden, da sie keinen direkten Kontakt zur äußeren Luftströmung haben.
In Situationen, in denen das Strukturbauteil in Strömungsrichtung relativ lang ist, kann es vorkommen, dass bei der Verwendung eines zentralen Luftkanals 60 wie in 9, der Unterdruck sich nicht ausreichend durch das Hohlkammerprofil 72 bis in die letzten Bereiche hin ausbreiten kann. Dies würde zu ungenügender oder nicht vorhandener Absaugung in diesen hinteren Bereichen führen. Daher kann in solchen Einsatzsituation ein Luftsammelkanal 64 verwendet werden, wie er in 11 gezeigt ist. Dort ist der Luftsammelkanal 64 als Ringkanal ausgeführt, welcher sich in Strömungsrichtung erstreckt. Im Gegensatz zu den Ausführungsformen der 8 und 9 sind hier zwar Öffnungen 34 neben den Öffnungen 34 in den Versteifungselemente 30 auch in den inneren Deckblechen 20 der Seitenwandabschnitte 70 vorgesehen. Diese Öffnungen 34 in den inneren Deckblechen 20 sind jedoch von geringerer Anzahl als bei der Ausführungsform in 8 und nur gezielt im Bereich der Luftsammelkanäle 64 vorgesehen. Damit kombiniert die Verwendung der Luftsammelkanäle 64 die Ausführungsformen der 8 und 9. Darüber hinaus dienen die Luftsammelkanäle zur Abstützung des Strukturbauteils 10 in mechanischer Hinsicht.
Bezugszeichenliste

10: Strukturbauteil
20: inneres Deckblech
30: Versteifungselemente
34: Öffnung
40: äußeres Deckblech
42: Metallgeflechtanordnung
60: zentraler Luftkanal
62: Kanalblech
64: Luftsammelkanal
66: Seitenwandkanäle
70: Seitenwandelemente
72: Hohlkammerprofil
80: Nasenelement
82: inneres Nasenblech
84: äußeres Nasenblech

Claims

Strukturbauteil (10) zur Verwendung bei Strömungsbauteilen von Flugzeugen mit wenigstens zwei Seitenwandabschnitten (70) mit einem Hohlkammerprofil (72), welche • ein äußeres Deckblech (40) gebildet zumindest teilweise aus einer Metallgeflechtanordnung (42), welche permeabel für Luftströmung ist, • wenigstens ein inneres Deckblech (20), • Versteifungselemente (30) über welche das innere Deckblech (20) mit dem äußeren Deckblech (40) verbunden ist und die ausgelegt sind zur Abstützung der Deckbleche (20, 40) gegeneinander sowie • Öffnungen (34) in den Versteifungselementen (30) und/oder dem inneren Deckblech (20) aufweisen, welche derart ausgebildet sind, dass sie Luft aus dem Inneren des Hohlkammerprofils (72) abführen können, wenigstens einem Nasenabschnitt (80), welcher ein, für Luftströmung permeables, äußeres Nasenblech (84) aufweist und zwischen den beiden Seitenwandabschnitten (70) angeordnet sowie mit diesen verbunden ist und zumindest einem zentralen Luftkanal (60), welcher zum Absaugen von Luft von der Außenseite des äußeren Deckbleches (40) mit der permeablen Metallgeflechtanordnung (42) über die Öffnungen (34) in den Versteifungselementen (30) und/oder den inneren Deckblechen (20) in fluidkommunizierender Verbindung steht.
Strukturbauteil (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenwandabschnitte (70) und der wenigstens eine Nasenabschnitt (80) von einander separat hergestellte und unlösbar miteinander verbundene Bauteile sind.
Strukturbauteil (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kanalblech (62) vorgesehen ist, welches zusammen mit dem äußeren Nasenblech (84) des Nasenabschnitts (80) zumindest einen Leitungsabschnitt des zentralen Luftkanals (60) bildet.
Strukturbauteil (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kanalblech (62) vorgesehen ist, welches zusammen mit dem äußeren Nasenblech (84) des Nasenabschnitts (80) sowie den inneren Deckblechen (20) der Seitenwandabschnitte (70) zumindest einen Leitungsabschnitt des zentralen Luftkanals (60) bildet.
Strukturbauteil (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das äußere Nasenblech (84) des Nasenabschnitts (80) zumindest teilweise ebenfalls aus einer Metallgeflechtanordnung (42) besteht, welche permeabel für Luftströmung ist, und dass zur mechanischen Versteifung des Nasenabschnitts (80) ein inneres Nasenblech (82) vorgesehen ist, welches Öffnungen (34) aufweist, und der Luftkanal (60) derart ausgestaltet ist, dass er über die Öffnungen (34) im inneren Nasenblech (82) auch mit der Metallgeflechtanordnung (42) des Nasenabschnitts (80) in fluidkommunizierendem Kontakt steht.
Strukturbauteil (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallgeflechtanordnungen (42) des äußeren Nasenbleches (80) und der äußeren Deckbleche (40) integral ausgeführt sind.
Strukturbauteil (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (34) in den inneren Deckblechen (20) der Seitenwandabschnitte (70) mit zunehmendem Abstand von dem Nasenabschnitt größere Öffnungsquerschnitte aufweisen.
Strukturbauteil (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der fluidkommunizierenden Verbindung zwischen dem Luftkanal (60) und der Metallgeflechtanordnung (42) wenigstens ein Luftsammelkanal (64) vorgesehen ist, durch welchen Luft von der Metallgeflechtanordnung (42) des Seitenwandabschnitts (70) von mehreren Öffnungen (34) des Seitenwandabschnitts (70) gesammelt und zum Luftkanal (60) gefördert werden kann.
Strukturbauteil (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftsammelkanal (64) als Ringkanal ausgeführt ist, welcher sich zwischen Öffnungen (34) im inneren Deckblech (20) des Seitenwandabschnitts (70) und dem Luftkanal (60) erstreckt.
Strukturbauteil (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Versteifungselemente (30) zumindest zum Teil Seitenwandkanäle (66) innerhalb des Hohlkammerprofils (72) bilden, welche die fluidkommunizierende Verbindung zwischen der Metallgeflechtanordnung (42) und dem Luftkanal (60) bilden.
Strukturbauteil (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturbauteil (10) ein aerodynamischer Körper ist, bei welchem der Nasenabschnitt (80) ein Abschnitt des aerodynamischen Körpers mit Stauströmung und die Seitenwandabschnitte (70) Abschnitte des aerodynamischen Körpers mit einer auszubildenden Grenzschicht sind.
Verfahren zur Herstellung eines Strukturbauteils (10) aufweisend die Merkmale eines der Ansprüche 1 bis 11 mit den Schritten: • Herstellen eines ersten Seitenwandelements (70) mit einem Hohlkammerprofil (72) • Herstellen wenigstens eines zweiten Seitenwandelements (70) mit einem Hohlkammerprofil (72) • Herstellen eines Nasenelements (80) • Anordnen des Nasenelementes (80) zwischen den beiden Seitenwandelementen (70) • Verbinden des Nasenelementes (80) mit den beiden Seitenwandelementen (70)
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbinden des Nasenelements (80) mit den Seitenwandelemente (70) zumindest zum Teil über ein Kanalblech (62) erfolgt, welches vor dem Verbinden derart angeordnet wird, dass es zusammen mit dem äußeren Nasenblech (84) den Luftkanal (60) bildet.
Strömungsbauteil eines Flugzeuges aufweisend zumindest ein Strukturbauteil (10) mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 11.