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Die Erfindung betrifft ein hohlzylinderförmiges bzw. tonnenförmiges, stringer- und spantenloses Rumpfsegment eines Flugzeugs.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Hierzu offenbart die
WO 2010/104741 A1 eine faserverstärkte Außenhaut eines Rumpfelements für ein Flugzeug, die an einer Versteifungs- bzw. Stützstruktur, umfassend Stringer und Spanten, befestigt ist. Durch die
DE 10 2007 008 988 A1 ist ferner ein Rumpfsegment für ein Luft- und Raumfahrzeug mit zumindest einem Schalenelement offenbart, an dessen Innenseite Spanten angeordnet sind.
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Aus der
US 2007/0095982 A1 ist 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 um 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 Faserrichtungen 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.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Rumpfsegment eines Flugzeugs anzugeben, das diesen Nachteil behebt.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Rumpfsegment mit den Merkmalen des Anspruchs 1 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 und für das Verständnis der Erfindung hilfreichen Beispielen, die in den Figuren dargestellt sind.
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Hier wird auch ein beispielhaftes, für das Verständnis der Erfindung hilfreiches Verfahren beschrieben zur Herstellung eines Rumpfsegments eines Flugzeugs aus Faserverbundwerkstoffen, wobei das Rumpfsegment einen Rumpfsegmentmantel mit einer Außenfläche, einer Innenfläche und einer Manteldicke aufweist. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass 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.
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Das herzustellende Rumpfsegment weist eine hohlzylinderförmige bzw. tonnenartige Form auf.
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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 Innenseitenoberflächenform 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.
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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.
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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.
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Das Verfahren zeichnet sich weiterhin 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.
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Dadurch, dass 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 Innenraum des Rumpfsegments ragenden Erhebungen auf, so dass der komplette Innenquerschnitt des Rumpfsegments für eine Kabinennutzung verfügbar ist. Insbesondere ragen daher im Gegensatz zur
US 2007/0095982 A1 keine Elemente einer Versteifungsstruktur in das Innenvolumen eines tonnenförmigen Rumpfsegments.
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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.
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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.
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Das Verfahren zeichnet sich weiterhin 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.
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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 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.
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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.
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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 entsprechend angepassten Verstärkungsstruktur zu versehen.
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Nachdem die Innenschicht auf das Fertigungsmittel aufgebracht ist, wird darauf die Verstärkungsstruktur gebildet. Dies erfolgt durch das Aufbringen zweiter und dritter Fasern. Hierbei ergeben sich zahlreiche Möglichkeiten.
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Entsprechend werden zwischen der Innenschicht und der Außenschicht ausschließlich zweite und dritte Fasern aufgebracht. Da diese zweiten und dritten Fasern übereinander in Gitterstruktur aufgebracht werden, kann auf der flächig geschlossenen, d. h. zusammenhängenden, durchgehenden Innenschicht eine strukturierte Oberfläche entstehen, 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 zweite oder dritte Fasern enthalten, angeordnet werden.
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In einem weiteren beispielhaften, für das Verständnis der vorliegenden Erfindung hilfreichen Verfahren können 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.
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In einem weiteren beispielhaften, für das Verständnis der vorliegenden Erfindung hilfreichen Verfahren können zur Bildung der Versteifungsstruktur auf die Innenschicht zweite, dritte und vierte Fasern aufgebracht werden, wobei längs der Manteldicke des Rumpfsegmentmantels eine Faserdichte der zweiten und dritten Fasern variiert und im Bereich einer Hälfte der Manteldicke am größten ist.
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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.
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Durch das Verfahren ergibt sich in vielen Ausführungsformen ein Rumpfsegment mit einer Rumpfsegmentmanteldicke 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.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Rumpfsegment eines Flugzeugs aus Faserverbundwerkstoffen, wobei das Rumpfsegment einen Rumpfsegmentmantel mit einer Außenfläche, einer Innenfläche, einer Manteldicke und einer integralen Versteifungsstruktur aufweist, und wobei 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.
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Das Rumpfsegment 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. Die Versteifungsstruktur zur Erzielung einer geforderten Strukturfestigkeit des Rumpfsegments ist derart ausgelegt, dass im Innenvolumen des Rumpfsegments keine mit dem Rumpfsegmentmantel verbundene, zusätzliche Versteifungsstruktur in Form von Stringern oder Spanten vorgesehen ist.
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Das Rumpfsegment zeichnet sich weiterhin vorteilhafter Weise dadurch aus, dass die Manteldicke 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.
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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 an lokale geometrische Erfordernisse der Form des Rumpfsegments anzupassen.
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Die im Zusammenhang mit dem Verfahren gemachten Ausführungen können sinngemäß auf das Rumpfsegment übertragen werden. Dadurch ergeben sich weitere Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Rumpfsegments.
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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.
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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.
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Es zeigen:
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1 schematische Darstellung eines auf ein Fertigungsmittel 103 aufgebrachtes hohlzylinderförmigen Rumpfsegments 100 eines Flugzeugs,
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2 fiktive Aufsicht auf die auf die Innenschicht 301 aufgebrachte gitterförmige schematische Versteifungsstruktur,
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3 Querschnitt entlang der Schnittebene A-A' (vgl. 2) durch den Rumpfsegmentmantel 101 für eine erste Ausführungsform des Rumpfsegments 100,
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4 Querschnitt entlang der Schnittebene A-A' (2) durch den Rumpfsegmentmantel 101 eines beispielhaften, für das Verständnis der Erfindung hilfreichen Rumpfsegments 100,
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5 Querschnitt entlang der Schnittebene A-A' (vgl. 2) durch den Rumpfsegmentmantel 101 für eine zweite Ausführungsform des Rumpfsegments 100.
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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 Faserrichtung aufgebracht wurden. Nachdem alle Fasern aufgebracht waren, wurden alle auf das Fertigungsmittel 103 aufgebrachten Fasern in einem Aushärtungsprozess miteinander verbunden.
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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. Dargestellt ist die fiktive Situation ohne aufgebrachte Außenschicht 302. Die die Gitterform bestimmenden Gitterparameter erste Gitterlänge l1, zweite Gitterlänge l2 und Gitterwinkel α sind der 2 ebenso zu entnehmen, wie eine Querschnittsebene A-A', die für die 3 bis 5 relevant ist.
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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.
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4 zeigt einen Querschnitt entlang der Schnittebene A-A' (vgl. 2) durch den Rumpfsegmentmantel 101 für ein beispielhaftes, für das Verständnis der vorliegenden Erfindung hilfreiches Rumpfsegment 100. Im Unterschied zu 3 wird hier die Verstärkungsstruktur aus zweiten Fasern 201, vierten Fasern und dritten Fasern 202 gebildet, bevor die Außenschicht aus vierten Fasern 302 aufgebracht wurde.
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5 zeigt einen Querschnitt entlang der Schnittebene A-A' (vgl. 2) durch den Rumpfsegmentmantel 101 für eine zweite 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 Kreuzungsstellen 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, da diese durch das an den Fasern haftende Harz beim Aushärten vom Harz verschlossen werden. Durch die Materialaufdickung an den Kreuzungsstellen 203 ergibt sich eine konkave Strukturen aufweisende Außenfläche 304.
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Bezugszeichenliste
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- 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
