DE102010023496A1

DE102010023496A1 - Rumpfsegment eines Flugzeugs und Verfahren zur Herstellung des Rumpfsegments

Info

Publication number: DE102010023496A1
Application number: DE102010023496A
Authority: DE
Inventors: Holger Frauen; Dr. Goehlich Robert Alexander
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2010-06-11
Filing date: 2010-06-11
Publication date: 2011-12-15
Anticipated expiration: 2030-06-12
Also published as: DE102010023496B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Rumpfsegment (100) eines Flugzeugs und ein Verfahren zur Herstellung des Rumpfsegments (100). Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Rumpfsegments (100) eines Flugzeugs aus Faserverbundwerkstoffen, wobei das Rumpfsegment (100) einen Rumpfsegmentmantel (101) mit einer Außenfläche (102), einer Innenfläche (107) und einer Manteldicke D aufweist, ein Fertigungsmittel (103) mit einer Fertigungsmitteloberfläche (104) bereitgestellt wird, zur Bildung des Rumpfsegmentmantels (101) mit einer integralen Versteifungsstruktur, auf die Fertigungsmitteloberfläche (104) mit Harz imprägnierte Fasern in unterschiedlichen Faserrichtungen aufgebracht werden, wobei sich die Faserrichtungen derjenigen Fasern, welche die Versteifungsstruktur bilden, von den Faserrichtungen der übrigen Fasern unterscheiden, alle auf das Fertigungsmittel (103) aufgebrachten Fasern in einem Aushärtungsprozess miteinander verbunden werden, und nach dem Aushärtungsprozess das Fertigungsmittel (103) abgetrennt wird, zeichnet sich dadurch aus dass auf die Fertigungsmitteloberfläche (104) eine flächig geschlossene Innenschicht (301) des Rumpfsegmentmantels (101) aus ersten Fasern aufgebracht wird, wobei die ersten Fasern in einer oder mehreren ersten Faserrichtungen aufgebracht werden, auf der Innenschicht (301) die Versteifungsstruktur aus Versteifungsfasern gebildet wird, wobei die Versteifungsfasern in einer oder mehreren Versteifungsfaserrichtungen aufgebracht werden, und auf die aus Versteifungsfasern gebildete Versteifungsstruktur eine flächig geschlossene Außenschicht (302) des Rumpfsegmentmantels (101) aus vierten Fasern aufgebracht wird, wobei die vierten Fasern in einer oder mehreren vierten Faserrichtungen aufgebracht werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Rumpfsegment eines Flugzeugs, insbesondere ein hohlzylinderförmiges bzw. tonnenförmiges, stringer- und spantenloses Rumpfsegment eines Flugzeugs, sowie ein Verfahren zur Herstellung des Rumpfsegments aus Faserverbundwerkstoffen.
Es ist allgemein bekannt, einen Flugzeugrumpf durch Zusammenfügen aus einer Mehrzahl von zuvor gefertigten Rumpfsegmenten herzustellen. Derartige Rumpfsegmente umfassen typischerweise eine Außenhaut und mit der Außenhaut auf deren Innenseite verbundene Versteifungselemente. Eine geforderte Strukturfestigkeit eines Rumpfsegments wird dabei durch das Zusammenwirken des Verbundes aus Außenhaut und Versteifungselementen erreicht. Als Versteifungselement werden traditionell „Stringer” und „Spanten” verwendet. „Stringer” sind Verstärkungselemente, die entlang einer Flugzeuglängsachse orientiert sind und zur Erhöhung der Biegesteifigkeit des Rumpfsegmentes dienen. „Spanten” sind Verstärkungselemente, die senkrecht zur Flugzeuglängsachse orientiert sind und zur Erhöhung der Torsionssteifigkeit des Rumpfsegments dienen. Da somit auch die Außenhaut zur Struktursteifigkeit des Rumpfsegmentes beiträgt, muss diese eine gewisse Dicke aufweisen.
Traditionell werden Rumpfsegmente aus Leichtmetall, wie Aluminium, oder Leichtmetalllegierungen hergestellt. Die dabei eingesetzten Herstellungsverfahren sowie die dadurch im Ergebnis hergestellten Rumpfsegmente sind durch die bekannten Fertigungstechniken der Metallverarbeitung geprägt.
Da die Versteifungselemente traditionell fast ausschließlich auf der Innenseite der Außenhaut angeordnet sind, und je nach Ausführung eine Tiefe von typischerweise 5 bis 25 cm aufweisen, benötigen diese einen signifikanten Bauraum und begrenzen letztlich einen nutzbaren Kabinendurchmesser im Inneren des Rumpfsegments.
Durch die Verwendung von Verbundwerkstoffen bei der Herstellung von Flugzeugbauteilen, wie bspw. von Rumpfsegmenten, kommen Materialen und Fertigungstechniken zum Einsatz, die gegenüber den bisher im Flugzeugbau verwendeten Materialien und Fertigungstechniken bedeutende und allgemein bekannte Vorteile haben.
So ist aus der US 2007/0095982 A1 ein tonnenförmiges stringerloses Rumpfsegment eines Flugzeugs (engl. „Single Piece Fuselage Barrel”) und ein Verfahren zu seiner Herstellung aus Faserverbundstoffen bekannt. In einem ersten Schritt des darin offenbarten Verfahrens wird ein zylinderförmiger Fertigungsmittelkörper bereitgestellt. Der Fertigungsmittelkörper hat eine Längsachse und eine Oberfläche, die Vertiefungen (Ausnehmungen) aufweist. Die Vertiefungen sind insbesondere senkrecht zur Längsachse orientiert und den Fertigungsmittelkörper umlaufend ausgeführt. In einem zweiten Schritt werden mit Harz imprägnierte erste Fasern in die Vertiefungen eingebracht. Diese Fasern bilden im weiteren Verlauf des Verfahrens eine Versteifungsstruktur. In einem dritten Schritt werden auf die Oberfläche des Fertigungsmittelkörpers bzw. auf die mit den ersten Fasern befüllten Vertiefungen zweite Fasern aufgebracht, die eine Außenhaut des Rumpfsegmentes bilden, wobei die ersten Fasern mit einer Faserrichtung aufgebracht werden, die sich von der oder den Faserichtungen unterscheidet, mit der die zweiten Fasern aufgebracht werden. In einem vierten Schritt werden alle aufgebrachten Fasern in einem Aushärtungsprozess miteinander verbunden. Schließlich wird der Fertigungsmittelkörper vom ausgehärteten Rumpfsegment getrennt. Nachteilig ist hierbei, dass das hergestellte Rumpfsegment weiterhin sich in das Innenvolumen des Rumpfsegments erstreckende Versteifungsstrukturen aufweist.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Rumpfsegment eines Flugzeugs und ein Verfahren zur Herstellung des Rumpfsegments aus Faserverbundwerkstoffen anzugeben, das diesen Nachteil behebt.
Erfindungsgemäß wird ein erster Aspekt der Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein zweiter Aspekt der Aufgabe durch ein Rumpfsegment mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, sowie der Erläuterung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren dargestellt sind.
Der erste Aspekt der Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Rumpfsegments eines Flugzeugs aus Faserverbundwerkstoffen, wobei das Rumpfsegment einen Rumpfsegmentmantel mit einer Außenfläche, einer Innenfläche und einer Manteldicke D aufweist, ein Fertigungsmittel mit einer Fertigungsmitteloberfläche bereitgestellt wird, zur Bildung des Rumpfsegmentmantels mit einer integralen Versteifungsstruktur, auf die Fertigungsmitteloberfläche mit Harz imprägnierte Fasern in unterschiedlichen Faserrichtungen aufgebracht werden, wobei sich die Faserrichtungen derjenigen Fasern, welche die Versteifungsstruktur bilden, von den Faserrichtungen der übrigen Fasern unterscheiden, alle auf das Fertigungsmittel aufgebrachten Fasern in einem Aushärtungsprozess miteinander verbunden werden, und nach dem Aushärtungsprozess das Fertigungsmittel abgetrennt wird.
Das herzustellende Rumpfsegment kann grundsätzlich beliebig geformt sein. Vorzugsweise weist das Rumpfsegment eine hohlzylinderförmige bzw. tonnenartige Form auf.
Das verwendete Fertigungsmittel ist eine Stützstruktur mit einer Fertigungsmitteloberfläche, auf die die imprägnierten Fasern in unterschiedlichen Richtungen aufgebracht werden. Die Fertigungsmitteloberfläche ist derart geformt, dass sie einer Negativform der für das Rumpfsegment gewünschten Innenseitenoberflächeform entspricht. Bei der Herstellung eines hohlzylinderförmigen Rumpfsegments ist die Fertigungsmitteloberfläche vorzugsweise zylinderförmig, und im Gegensatz zur vorstehend erwähnten US 2007/0095982 A1 , ohne darin eingebrachte Vertiefungen/Ausnehmungen ausgeführt. Nach dem Aushärtungsprozess bspw. in einem Autoklaven, wird das Fertigungsmittel von dem dann ausgehärteten Rumpfsegment getrennt.
Die auf das Fertigungsmittel aufgebrachten mit Harz imprägnierten Fasern sind im Stand der Technik bspw. als sogenannte „Prepregs” (engl. für „PREim PREGnated sheet materials”) bekannt. Weiterhin allgemein bekannt sind Verfahren zum Aufbringen der Fasern, wie bspw. das „Tapelegen” und „Tapewickeln”. Weitergehende und vertiefende Informationen sind dem einschlägigen Stand der Technik zu entnehmen.
Die Fasern des/der Faserverbundwerkstoffe/s sind bevorzugt unidirektionale Rovings (Faserbündel oder Faserstränge) bspw. Glasfasern (bei GFK), Kohlenstofffasern (bei CFK), oder Aramidfasern. Die Rovings haben bevorzugt eine Tex-Zahl von größer 3k (3k = 3.000 Filamente). Die Faserverbundwerkstoffe sind bevorzugt CFK, GFK, Metallhybride Faserverbundwerkstoffe oder eine Mischung daraus.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass auf die Fertigungsmitteloberfläche eine flächig geschlossene Innenschicht des Rumpfsegmentmantels aus ersten Fasern aufgebracht wird, wobei die ersten Fasern in einer oder mehreren ersten Faserrichtungen aufgebracht werden, auf der Innenschicht die Versteifungsstruktur aus Versteifungsfasern gebildet wird, wobei die Versteifungsfasern in einer oder mehreren Versteifungsfaserrichtungen aufgebracht werden, und auf die aus Versteifungsfasern gebildete Versteifungsstruktur eine flächig geschlossene Außenschicht des Rumpfsegmentmantels aus vierten Fasern aufgebracht wird, wobei die vierten Fasern in einer oder mehreren vierten Faserrichtungen aufgebracht werden.
Dadurch, dass erfindungsgemäß die Versteifungsstruktur zwischen der Innenschicht und der Außenschicht angeordnet ist, wird die Innenfläche des Rumpfsegments durch eine Oberfläche der Innenschicht gebildet. Bevorzugter Weise weist diese Innenfläche keine in den Innraum des Rumpfsegments ragenden Erhebungen auf, so dass der komplette Innenquerschnitt des Rumpfsegments für eine Kabinennutzung verfügbar ist. Insbesondere ragen daher im Gegensatz zur US 2007/0095981 A1 ) keine Elemente einer Versteifungsstruktur in das Innenvolumen eines tonnenförmigen Rumpfsegments.
Durch die Einbettung der Versteifungsstruktur zwischen die Innenschicht und die Außenschicht ergibt sich weiterhin ein Schutz gegen direkte mechanische Einwirkungen auf die Versteifungsstruktur. So werden mechanische Einwirkungen, bspw. durch Vogelschlag, Hagelschlag, Steinschlag (engl. „foreign object impact”) auf die Außenfläche oder auf die Innenfläche über die Außen- bzw. Innenschichten kräftemäßig verteilt auf die Versteifungsstruktur übertragen.
Die ersten Fasern, die Versteifungsfasern und die vierten Fasern können identische oder verschiedene Faserverbundwerkstoffe sein. Vorzugsweise werden die vorstehend angeführten Faserverbundwerkstoffe verwendet. Um eine entsprechende Biegesteifigkeit und Torsionssteifigkeit im Rumpfsegment, bei gleichzeitig möglichst geringem Gewicht des Rumpfsegments zu erzielen, werden die Versteifungsfasern in einer oder mehreren Faserrichtungen aufgebracht, die sich von den Faserrichtungen unterscheiden, in denen die ersten und vierten Fasern aufgebracht werden.
Eine besonders bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass die Versteifungsfasern aus zweiten und dritten Fasern bestehen, wobei die zweiten und dritten Fasern in einer zweiten und dritten Faserrichtung derart übereinander ausgerichtet aufgebracht werden, dass alle zweiten und dritten Fasern ein Gitter mit Gitterpunkten bilden, die mit Kreuzungsstellen der zweiten und dritten Fasern identisch sind, wobei das aufgebrachte Gitter durch die Gitterparameter: erste Gitterlänge l₁, zweite Gitterlänge l₂ und einen Gitterwinkel α beschreibbar ist.
Natürlich kann die auf der Innenschicht gebildete Versteifungsstruktur grundsätzlich eine beliebige Form aufweisen, dennoch wird aus Gründen einer einfachen Kräftemodellierung im Rahmen einer Fertigungsplanung und einer einfachen Fertigung bevorzugt eine Gitterstruktur als Versteifungsstruktur aufgebracht. Vorliegend wird unter Gitter oder Gitterstruktur ein zweidimensionales Muster verstanden, dass sich durch die Gitterparameter: erste Gitterlänge l₁, zweite Gitterlänge l₂ und einen Gitterwinkel α eindeutig beschreiben lässt. Auch wenn die durch die zweiten und dritten Fasern gebildete Gitterstruktur tatsächlich durch das Übereinanderlegen der zweiten und dritten Fasern eine dreidimensionale Komponente hat, so wird diese vorliegend vernachlässigt. Der Begriff Gitter bezieht sich vorliegend somit auf das Gittermuster welches bei einer fiktiven Aufsicht auf alle aufgebrachten zweiten und dritten Fasern erkennbar ist.
Eine bevorzugte Weiterbildung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass die das Gitter bildenden zweiten und dritten Fasern derart auf die Innenschicht aufgebracht werden, dass der Gitterwinkel α größer als 0° und kleiner oder gleich 90° ist, oder im Bereich von 30–60° liegt oder 45° beträgt. Weiterhin bevorzugt werden die das Gitter bildenden zweiten und dritten Fasern derart auf die Innenschicht aufgebracht, dass die erste und die zweite Gitterlänge l₁, l₂: 5–150 cm, insbesondere 15–75 cm beträgt, d. h. l₁, l₂ ∊ [5 cm, .., 150 cm], insbesondere l₁, l₂ ∊ [15 cm, .., 75 cm] Das Gitter kann somit die rechtwinklig oder rautenförmig sein. Die Gitterparameter können natürlich je nach Anforderung angepasst werden. Die Gitterparameter sind bevorzugt für das gesamte Gitter konstant, so dass sich ein einheitliches Gitter- oder Rautenmuster ergibt.
In einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens werden die das Gitter bildenden zweiten und dritten Fasern derart aufgebracht, dass die Gitterparameter lokal vorgebbar variieren. Dies kann sinnvoll sein, um mechanisch absehbar unterschiedlich belastete Bereiche des Rumpfsegments mit einer entsprechen angepassten Verstärkungsstruktur zu versehen.
Nachdem die Innenschicht auf das Fertigungsmittel aufgebracht ist, wird erfindungsgemäß drauf die Verstärkungsstruktur gebildet. Dies erfolgt bevorzugt durch das Aufbringen zweiter und dritter Fasern. Hierbei ergeben sich zahlreiche Möglichkeiten.
Eine erste Möglichkeit ist, dass zwischen der Innenschicht und der Außenschicht ausschließlich zweite und dritte Fasern aufgebracht werden. Da diese zweiten und dritten Fasern übereinander in Gitterstruktur aufgebracht werden, entsteht auf der flächig geschlossenen, d. h. zusammenhängenden, durchgehenden Innenschicht eine strukturierte Oberfläche, die lediglich zwischen den Gitterpunkten des Gitters verlaufende zweite bzw. dritte Fasern und an Kreuzungsstellen übereinander gestapelte zweite und dritte Fasern aufweist, während die flächigen Bereiche dazwischen noch die Oberfläche der Innenschicht zeigen. Die zweiten und dritten Fasern können innerhalb der Gitterstruktur übereinander in mehreren Lagen mit jeweils abwechselnden Fasern oder in zwei übereinander angeordneten Schichten, die jeweils nur erste oder zweite Faser enthalten angeordnet werden.
Eine zweite Möglichkeit ist, dass zur Bildung der Versteifungsstruktur in einer vorgebbaren Abfolge, zweite, dritte und vierte Fasern aufgebracht werden. So kann in der Gitterstruktur über einer Schicht aus zweiten Fasern, eine Schicht aus vierten Fasern aufgebracht werden, bevor eine Schicht mit dritten Fasern aufgebracht wird. Das Einbringen der vierten Fasern in den Aufbau der Versteifungsstruktur ermöglicht insbesondere eine Einstellung der Steifigkeit der Versteifungsstruktur und ermöglicht weiterhin eine Einstellung von Kräfteverteilungen von in das Rumpfsegment von außen eingeleiteten Kräften. Dem Fachmann erschließen sich die Variationsmöglichkeiten dieser Abfolgen von Fasern und die damit einhergehenden Wirkungen.
Eine dritte Möglichkeit ist, dass zur Bildung der Versteifungsstruktur auf die Innenschicht zweite, dritte und vierte Fasern aufgebracht werden, wobei längs der Manteldicke D des Rumpfsegmentmantels eine Faserdichte der zweiten und dritten Fasern variiert und im Bereich einer Hälfte der Manteldicke D/2 am größten ist.
Bevorzugt werden die zweiten und dritten Fasern jeweils als Fasergelege mit einer Gelegebreite von 1 cm bis 50 cm, insbesondere von 5 bis 25 cm, aufgebracht. Da die zweiten und dritten Fasern übereinander in Gitterform ausgerichtet sind, definiert die Gelegebreite auch die Breite der die Gitterpunkte verbindenden Gitterlängselemente.
Im Hinblick auf eine schnellere Herstellung eines soliden Rumpfelements ist vorteilhaft, dass die ersten, zweiten, dritten und vierten Fasern jeweils als Fasergelege aufgebracht werden, wobei eine Gelegebreite des Fasergeleges der ersten und/oder vierten Fasern größer ist als eine Gelegebreite des Fasergeleges der zweiten und dritten Fasern.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ergibt sich in vielen erfindungsgemäßen Ausführungsformen ein Rumpfsegment mit einer Rumpfsegmentmanteldicke D die im Bereich von Kreuzungsstellen der zweiten und dritten Fasern, d. h. an den Gitterpunkten am größten ist und im Bereich eines geometrischen Mittels des zwischen den Gitterpunkten aufgespannten Gitterflächen am kleinsten ist. Insbesondere ergibt das Verfahren typischerweise nach dem Aushärtungsprozess eine konkave Strukturen aufweisende Rumpfsegmentaußenfläche.
Der zweite Aspekt der Aufgabe wird gelöst durch ein Rumpfsegment eines Flugzeugs aus Faserverbundwerkstoffen, wobei das Rumpfsegment einen Rumpfsegmentmantel mit einer Außenfläche, einer Innenfläche, einer Manteldicke D und einer integralen Versteifungsstruktur aufweist, der Rumpfsegmentmantel Fasern unterschiedlicher Faserrichtungen aufweist, wobei sich die Faserrichtungen derjenigen Fasern, welche die Versteifungsstruktur bilden, von den Faserrichtungen der übrigen Fasern unterscheiden. Das erfindungsgemäße Rumpfsegment zeichnet sich dadurch aus, dass der Rumpfsegmentmantel eine die Innenfläche bildende, flächig geschlossene Innenschicht aus ersten Fasern mit einer oder mehreren ersten Faserrichtungen, und eine die Außenfläche bildende, flächig geschlossene Außenschicht aus vierten Fasern mit einer oder mehreren vierten Faserrichtungen aufweist, und die Versteifungsstruktur zwischen der Innenschicht und der Außenschicht angeordnet und aus Versteifungsfasern gebildet ist, wobei die Versteifungsfasern eine oder mehrere Versteifungsfaserrichtungen aufweisen.
Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung des Rumpfsegments zeichnet sich dadurch aus, dass die Versteifungsfasern aus zweiten und dritten Fasern gebildet ist, wobei die zweiten und dritten Fasern in einer zweiten und dritten Faserrichtung derart übereinander ausgerichtet angeordnet sind, dass alle zweiten und dritten Fasern ein Gitter mit Gitterpunkten bilden, die mit Kreuzungsstellen der zweiten und dritten Fasern identisch sind, wobei das Gitter durch die Gitterparameter: erste Gitterlänge l₁, zweite Gitterlänge l₂ und einen Gitterwinkel α beschreibbar ist.
Das Rumpfsegment zeichnet sich weiterhin vorteilhafter Weise dadurch aus, dass die Manteldicke D an den Kreuzungsstellen der zweiten und dritten Fasern größer ist als in Bereichen zwischen den Kreuzungsstellen, was in der Konsequenz dazu führt, dass der Rumpfsegmentmantel eine konkave Strukturen aufweisende Außenfläche aufweist. Die konkaven Strukturen bilden sich insbesondere jeweils im geometrischen Mittel der durch die Gitterpunkte aufgespannten Gitterflächen aus.
Derartig strukturierte Außenflächen eines Flugzeugrumpfes können bspw. durch Induktion einer turbulenten Strömung in der außenflächennahen Grenzschicht den Luftwiderstand eines fliegenden Flugzeugs spürbar reduzieren. Hierzu sind die Dimensionen der konkaven Strukturen und damit die Auslegung des Gitters der Versteifungsstruktur an eine Luftströmungsgeschwindigkeit, bspw. an die typische Reisefluggeschwindigkeit des betreffenden Flugzeugs und and lokale geometrische Erfordernisse der Form des Rumpfsegments anzupassen.
Die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gemachten Ausführungen können sinngemäß auf das Rumpfsegment übertragen werden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezug auf die Figuren Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind. Beschriebene und/oder bildlich dargestellte Merkmale bilden für sich oder in beliebiger, sinnvoller Kombination den Gegenstand der Erfindung, gegebenenfalls auch unabhängig von den Ansprüchen, und können insbesondere zusätzlich auch Gegenstand einer oder mehrerer separaten Anmeldung/en sein. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine deutliche Reduzierung der Manteldicke von erfindungsgemäßen Rumpfsegmenten im Vergleich zu bisher bekannten stringer- und spantenlosen Rumpfsegmenten. Insbesondere wird der für Kabineneinbauten verfügbare Innenraum von Rumpfsegmenten im Vergleich zu bisher bekannten Rumpfsegmenten erhöht. Die Rumpfsegmente können bei geringerem Gewicht mit höherer Biege- und Torsionssteifigkeit hergestellt werden, was höhere Kabinendruckdifferenzen und damit höhere Reiseflughöhen und schließlich einen geringeren Treibstoffverbrauch ermöglicht. Andererseits kann das heute typischerweise nutzbare Rumpfsegmentinnenvolumen mit einem geringeren Außendurchmesser der Rumpfsegmente bzw. des gesamten Flugzeugrumpfes erreicht werden, was wiederum zu einer Verringerung des Luftwiderstandes des Flugzeugs, zu einer Gewichtsreduktion, und damit zu geringeren Betriebskosten und letztlich zu einer geringeren Umweltbelastung führt.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines auf ein Fertigungsmittel 103 aufgebrachtes hohlzylinderförmiges Rumpfsegment 100 eines Flugzeugs,
2 eine fiktive Aufsicht auf die auf die Innenschicht 301 aufgebrachte gitterförmige schematische Versteifungsstruktur,
3 einen Querschnitt entlang der Schnittebene A-A' (vgl. 2) durch den Rumpfsegmentmantel 101 für eine erste Ausführungsform des Rumpfsegments 100,
4 einen Querschnitt entlang der Schnittebene A-A' (vgl. 2) durch den Rumpfsegmentmantel 101 für eine zweite Ausführungsform des Rumpfsegments 100,
5 einen Querschnitt entlang der Schnittebene A-A' (vgl. 2) durch den Rumpfsegmentmantel 101 für eine dritte Ausführungsform des Rumpfsegments 100.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines auf ein Fertigungsmittel 103 aufgebrachten und bereits in einem Autoklavenprozess gehärteten hohlzylinderförmigen Rumpfsegments 100 eines Flugzeugs, mit dem Rumpfsegmentmantel 101. Das Fertigungsmittel 103 ist als hohlförmiger Zylinder mit einer strukturlosen Fertigungsmitteloberfläche 104 ausgeführt. Das Fertigungsmittel sowie das Rumpfsegment 100 bzw. der Rumpfsegmentmantel 101 haben eine gemeinsame Längsachse 105. Zur Bildung des dargestellten gehärteten Rumpfsegmentmantels 101 mit einer integralen Versteifungsstruktur wurden auf die Fertigungsmitteloberfläche 104, die vorliegend keinerlei Vertiefungen aufweist, mit Harz imprägnierte Fasern in unterschiedlichen Faserrichtungen aufgebracht, wobei sich die Faserrichtungen derjenigen Fasern, welche die Versteifungsstruktur bilden, von den Faserrichtungen der übrigen Fasern unterscheiden. Hierzu wurde zunächst auf die Fertigungsmitteloberfläche 104 eine flächig geschlossene Innenschicht 301 des Rumpfsegmentmantels 101 aus ersten Fasern aufgebracht, wobei die ersten Fasern in einer ersten Faserrichtung aufgebracht wurden. Anschließend wurde auf die Innenschicht 301 die Versteifungsstruktur, die aus zweiten 201 und dritten 202 Fasern besteht, gebildet bzw. geformt, wobei die zweiten 201 und dritten 202 Fasern in einer zweiten und dritten Faserrichtung derart übereinander ausgerichtet aufgebracht wurden, dass alle zweiten 201 und dritten 202 Fasern ein Gitter mit Gitterpunkten bilden, die mit Kreuzungsstellen 203 der zweiten 201 und dritten 202 Fasern identisch sind, wobei das aufgebrachte Gitter durch die Gitterparameter: erste Gitterlänge l₁, zweite Gitterlänge l₂ und einen Gitterwinkel α beschrieben werden kann. Zusätzlich zu den Gitterparametern wird das auf die Innenschicht aufgebrachte Gitter vorliegend eindeutig durch einen Winkel, der die Richtung einer Gitterlänge l₁, oder l₂ mit der Längsachse einschließt, definiert. Anschließend wurde auf die aus zweiten und dritten Fasern gebildete Versteifungsstruktur eine flächig geschlossene Außenschicht 302 des Rumpfsegmentmantels 101 aus vierten Fasern aufgebracht, wobei die vierten Fasern in einer vierten Faserrichtungen aufgebracht wurden. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wurden zwischen Innenschicht und Außenschicht ausschließlich zweite und dritte Fasern aufgebracht. Nachdem alle Fasern aufgebracht waren, wurden alle auf das Fertigungsmittel 103 aufgebrachten Fasern in einem Aushärtungsprozess miteinander verbunden.
2 zeigt eine fiktive Aufsicht auf die auf die Innenschicht 301 aufgebrachte gitterförmige schematische Versteifungsstruktur, bestehend aus gitterförmig aufgebrachten zweiten und dritten Fasergelegen aus zweiten 201 und dritten Fasern 202. Die Gitterpunkte des aufgebrachten Gitters entsprechen den Kreuzungsstellen 203 der zweiten 201 und dritten 202 Fasern. Dargstellt ist die fiktive Situation ohne aufgebrachte Außenschicht 302. Die die Gitterform bestimmenden Gitterparameter: erste Gitterlänge l₁, zweite Gitterlänge l₂ und einen Gitterwinkel α sind der 2 ebenso zu entnehmen, wie eine Querschnittsebene A-A', die für die 3 bis 5 relevant ist.
3 zeigt einen Querschnitt entlang der Schnittebene A-A' (vgl. 2) durch den Rumpfsegmentmantel 101 für eine erste Ausführungsform eines hohlzylinderförmigen, bereits in einem Autoklavenprozess gehärteten Rumpfsegments 100. In dieser Ausführungsform wurden auf die Innenschicht zunächst zweite Fasern 201 als mit l₁, voneinander beabstandete Fasergelege parallel zueinander aufgebracht. Darauf wurden dritte Fasern 202 als mit l₂ voneinander beabstandete Fasergelege parallel zueinander aufgebracht. Zuletzt wurden vierte Fasern als flächig geschlossene Außenschicht 302 aufgebracht. An den Kreuzungsstellen 203 der zweiten 201 und dritten 202 Fasern ergibt sich wie in 3 überhöht dargestellt ist, eine größere Manteldicke als in Bereichen zwischen den Kreuzungsstellen 203, was in einer konkave Strukturen aufweisenden Außenfläche 102, 304 resultiert. Die Strukturtiefe ist mit T angegeben.
4 zeigt einen Querschnitt entlang der Schnittebene A-A' (vgl. 2) durch den Rumpfsegmentmantel 101 für eine zweite Ausführungsform des Rumpfsegments 100. Im Unterschied zu 4 wird hier die Verstärkungsstruktur aus zweiten Fasern 201, vierten Fasern 302 und dritten Fasern 202 gebildet, bevor die Außenschicht aus vierten Fasern 302 aufgebracht wurde.
5 zeigt einen Querschnitt entlang der Schnittebene A-A' (vgl. 2) durch den Rumpfsegmentmantel 101 für eine dritte Ausführungsform des Rumpfsegments 100. In diesem Fall sind, wie in 3, zwischen der Innenschicht 301 und der Außenschicht 302 ausschließlich zweite Fasern 201 und dritte Fasern 202 aufgebracht, allerdings im Unterschied zu 3 an den Kreuzungsstelle 203 abwechselnd in mehreren übereinander angeordneten Schichten. Wie sich leicht erkennen lässt, ergeben sich an den Kreuzungsstellen 203 der zweiten 201 und dritten 202 Fasern Hohlräume 501, die vorliegend aus Darstellungsgründen sehr groß ausfallen, die aber in Realität nicht auftreten, dass diese durch das an den Fasern haftende Harz beim Aushärten vom Harz verschlossen werden. Durch die Materialaufdickung an den Kreuzungsstelle 203 ergibt sich eine konkave Strukturen aufweisende Außenfläche 304.
Bezugszeichenliste

100: Rumpfsegment,
101: Rumpfsegmentmantel,
102: Außenfläche,
103: Fertigungsmittel,
104: Fertigungsmitteloberfläche,
105: Längsachse,
106: Ausschnitt aus dem Rumpfsegmentmantel mit aufgebrachter Versteifungsstruktur (Gitter) bestehend aus zweiten und dritten Fasern,
107: Innenfläche,
201: zweite Fasern,
202: dritte Fasern,
203: Kreuzungsstellen der zweiten und dritten Fasern,
301: Innenschicht aus ersten Fasern,
302: Außenschicht aus vierten Fasern,
303: fiktive unstrukturierte Oberfläche,
304: Außenfläche mit konkaven Vertiefungen,
501: Zwischenräume,
T: konkave Vertiefung,
A-A': Schnittebene,
α: Gitterwinkel,
l₁, l₂: Gitterlängen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2007/0095982 A1 [0006, 0011]
US 2007/0095981 A1 [0015]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Rumpfsegments (100) eines Flugzeugs aus Faserverbundwerkstoffen, wobei – das Rumpfsegment (100) einen Rumpfsegmentmantel (101) mit einer Außenfläche (102), einer Innenfläche (107) und einer Manteldicke D aufweist, – ein Fertigungsmittel (103) mit einer Fertigungsmitteloberfläche (104) bereitgestellt wird, – zur Bildung des Rumpfsegmentmantels (101) mit einer integralen Versteifungsstruktur, auf die Fertigungsmitteloberfläche (104) mit Harz imprägnierte Fasern in unterschiedlichen Faserrichtungen aufgebracht werden, wobei sich die Faserrichtungen derjenigen Fasern, welche die Versteifungsstruktur bilden, von den Faserrichtungen der übrigen Fasern unterscheiden, – alle auf das Fertigungsmittel (103) aufgebrachten Fasern in einem Aushärtungsprozess miteinander verbunden werden, und – nach dem Aushärtungsprozess das Fertigungsmittel (103) abgetrennt wird, dadurch gekennzeichnet, dass – auf die Fertigungsmitteloberfläche (104) eine flächig geschlossene Innenschicht (301) des Rumpfsegmentmantels (101) aus ersten Fasern aufgebracht wird, wobei die ersten Fasern in einer oder mehreren ersten Faserrichtungen aufgebracht werden, – auf der Innenschicht (301) die Versteifungsstruktur aus Versteifungsfasern geformt wird, wobei die Versteifungsfasern in einer oder mehreren Versteifungsfaserrichtungen aufgebracht werden, und – auf die aus Versteifungsfasern geformte Versteifungsstruktur eine flächig geschlossene Außenschicht (302) des Rumpfsegmentmantels (101) aus vierten Fasern aufgebracht wird, wobei die vierten Fasern in einer oder mehreren vierten Faserrichtungen aufgebracht werden.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Versteifungsfasern zweite (201) und dritte (202) Fasern aufweisen, wobei die zweiten (201) und dritten (202) Fasern in einer zweiten und dritten Faserrichtung derart übereinander ausgerichtet aufgebracht werden, dass alle zweiten (201) und dritten (202) Fasern ein Gitter mit Gitterpunkten bilden, die mit Kreuzungsstellen (203) der zweiten (201) und dritten (202) Fasern identisch sind, wobei das aufgebrachte Gitter durch die Gitterparameter: erste Gitterlänge l₁, zweite Gitterlänge l₂ und einen Gitterwinkel α beschreibbar ist.
Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die das Gitter bildenden zweiten (201) und dritten (202) Fasern derart aufgebracht werden, dass der Gitterwinkel α kleiner als 0° und kleiner oder gleich 90° ist, oder im Bereich von 30–60° liegt oder 45° beträgt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die das Gitter bildenden zweiten (201) und dritten (202) Fasern derart aufgebracht werden, dass die erste l₁ und die zweite l₂ Gitterlänge: 5–150 cm, insbesondere 15–75 cm beträgt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die das Gitter bildenden zweiten (201) und dritten (202) Fasern derart aufgebracht werden, dass die Gitterparameter lokal vorgebbar variieren.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Innenschicht (301) zur Bildung der Versteifungsstruktur in einer vorgebbaren Abfolge, zweite (201), dritte (202) und vierte Fasern aufgebracht werden.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Innenschicht (301) zur Bildung der Versteifungsstruktur zweite, dritte und vierte Fasern aufgebracht werden, wobei längs der Manteldicke D eine Faserdichte der zweiten (201) und dritten (202) Fasern variiert und im Bereich einer Hälfte der Manteldicke D/2 am größten ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten (201) unddritten (202) Fasern jeweils als Fasergelege mit einer Gelegebreite von 1 cm bis 50 cm, insbesondere von 5 bis 25 cm, aufgebracht werden.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten, zweiten (201), dritten (202) und vierten Fasern jeweils als Fasergelege aufgebracht werden, wobei eine Gelegebreite des Fasergeleges der ersten und/oder vierten Fasern größer ist als eine Gelegebreite des Fasergeleges der zweiten (201) und dritten (202) Fasern.
Rumpfsegment (100) eines Flugzeugs aus Faserverbundwerkstoffen, wobei das Rumpfsegment (100) einen Rumpfsegmentmantel (101) mit einer Außenfläche (102), einer Innenfläche (107), einer Manteldicke D und einer integralen Versteifungsstruktur aufweist, der Rumpfsegmentmantel (101) Fasern unterschiedlicher Faserrichtungen aufweist, wobei sich die Faserrichtungen derjenigen Fasern, welche die Versteifungsstruktur bilden, von den Faserrichtungen der übrigen Fasern unterscheiden, dadurch gekennzeichnet, dass – der Rumpfsegmentmantel (101) eine die Innenfläche (107) bildende, flächig geschlossene Innenschicht (301) aus ersten Fasern mit einer oder mehreren ersten Faserrichtungen, und eine die Außenfläche (102) bildende, flächig geschlossene Außenschicht (302) aus vierten Fasern mit einer oder mehreren vierten Faserrichtungen aufweist, und – die Versteifungsstruktur zwischen der Innenschicht und der Außenschicht angeordnet und aus Versteifungsfasern geformt ist, wobei die Versteifungsfasern eine oder mehrere Versteifungsfaserrichtungen aufweisen.
Rumpfsegment (100) gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Versteifungsfaser aus zweiten (201) und dritten (202) Fasern gebildet ist, wobei die zweiten (201) und dritten (202) Fasern in einer zweiten und dritten Faserrichtung derart übereinander ausgerichtet angeordnet sind, dass alle zweiten (201) und dritten (202) Fasern ein Gitter mit Gitterpunkten bilden, die mit Kreuzungsstellen (203) der zweiten (201) und dritten Fasern (202) identisch sind, wobei das Gitter durch die Gitterparameter: erste Gitterlänge l₁, zweite Gitterlänge l₂ und einen Gitterwinkel α beschreibbar ist.
Rumpfsegment (100) gemäß Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Manteldicke D an den Kreuzungsstellen (203) der zweiten (201) und dritten (202) Fasern größer ist als in Bereichen zwischen den Kreuzungsstellen (203).