DE102010040338A1

DE102010040338A1 - Befestigungselement für blitzschlaggefährdete Bauteile

Info

Publication number: DE102010040338A1
Application number: DE102010040338A
Authority: DE
Inventors: Björn Knickrehm; Reinhard Meier
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2010-09-07
Filing date: 2010-09-07
Publication date: 2012-03-08

Abstract

Offenbart ist ein Befestigungselement 1, insbesondere ein Niet oder eine Schraube, mit einem Kopf 2 und einem Schaft 4, das in eine Bohrung 6 zumindest eines Bauteils 8 einsetzbar ist, wobei das Bauteil 8 mindestens eine elektrisch leitfähige Schicht aufweist und wobei der Kopf 2 im Bereich der elektrisch leitfähigen Schicht 14, 16 einen elektrisch isolierenden Abschnitt 18 aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Befestigungselement gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Bei mechanischen Fügungen von Composite-Bauteilen, insbesondere von Luftfahrzeugbauteilen, werden beispielsweise Passnietbolzen und Schrauben in großen Stückzahlen verwendet. Aufgrund der eingeschränkten Leitfähigkeit von Faserverbundbauteilen, wie bspw. CFK-Strukturbauteilen, sind insbesondere in blitzschlaggefährdeten Bereichen wie dem Tankbereich im Flugzeugflügel umfangreiche Vorkehrungen notwendig, um eine mögliche Funkenbildung zu vermeiden und somit die Entzündung des Treibstoff-Luftgemisches zu verhindern.
Zur Verbesserung der Leitfähigkeit werden in derartige Faserverbundbauteile zusätzliche metallische Lagen bestehend aus einer expandierten Kupferfolie (ECF) oder einem Bronze-Gewebe im Bereich der Bauteiloberfläche aufgebracht. Der metallische Lagenaufbau hat im Nietbereich eine Dicke von beispielweise 0,5 mm. Der sich dadurch ausbildende Faraday'sche Käfig verhindert das Eindringen des Blitzstroms in die Struktur.
An den Niet- und Schraubstellen ist diese metallische Lage jedoch durchbrochen und der Schutz somit nicht hinreichend gegeben. Nietungen müssen daher durch mehrere Schutzmaßnahmen gegen Blitzschlag abgesichert werden.
Ein zentraler Schutz wird hierbei durch die Verwendung von Hülsen(pass-)nieten realisiert. Diese Niete besitzen eine zusätzliche, äußere Hülse, die während der Installation radial aufgeweitet wird. Hierdurch werden eventuelle Lücken zwischen Niet und Struktur geschlossen, ein direkter Kontakt zwischen Niet und Struktur hergestellt und so ein Eindringen von Funken in das Innere der Struktur verhindert. Nachteilig ist, dass diese Niete aufgrund der erforderlichen Bohrungstoleranzen einen hohen Fertigungsaufwand verursachen, eine große Bohrung benötigen und ein hohes Gewicht aufweisen.
Aus der EP 0 217 314 A2 ist ferner eine Faserverbundstruktur bekannt, die im Bereich von Befestigungselementen aufgetragene nichtleitende Schichten aufweist. Hierbei ist nachteilig, dass der Auftrag der nichtleitenden Schicht fertigungstechnisch aufwendig ist.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Befestigungselement zu schaffen, das vorteilhaft in blitzschlaggefährdeten Bereichen einsetzbar ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Befestigungselement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Das erfindungsgemäße Befestigungselement hat einen Kopf und einen Schaft und ist in eine Bohrung zumindest eines Bauteils einsetzbar, wobei das Bauteil mindestens eine elektrisch leitfähige Schicht aufweist. Erfindungsgemäß weist der Kopf im Bereich der elektrisch leitfähigen Schicht einen elektrisch isolierenden Abschnitt auf. Das Befestigungselement kann als Niet oder Schraube, vorzugsweise als Senkniet bzw. Senkkopf-Passniet, oder als Senkkopfschraube bzw. Passbolzen mit kegelstumpfförmigem Kopf ausgebildet sein, wobei der elektrisch isolierende Abschnitt vorzugsweise ebenfalls etwa kegelstumpfförmig ausgebildet ist. Das Befestigungselement kann in eine herkömmliche Bohrung eingesetzt werden, wobei die Tiefe der Senkung derart ausgeführt sein sollte, dass der tragende, metallische und damit leitfähige Kopfbereich unterhalb der metallischen Lage des Bauteils angeordnet ist. Innerhalb des elektrisch leitenden Bereiches hat lediglich der nichtleitende Kopfabschnitt des Befestigungselements Kontakt zur Bohrungs- bzw. Senkungswandung. Dadurch ist der elektrische Widerstand derart erhöht, dass die elektrische Energie nicht durch das Verbindungselement, sondern über die elektrisch leitende, metallische Lage des Bauteils dissipiert wird. Eine Funkenbildung im Inneren der Struktur ist dadurch fertigungstechnisch vorteilhaft verhindert.
Gemäß einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Befestigungselements ist der Abschnitt mittels zumindest einer dem Kopf zugeordneten elektrisch isolierenden Schicht ausgebildet.
Der Abschnitt ist vorzugsweise aus einem elektrisch isolierenden Kunststoff, insbesondere aus einem Thermoplast, ausgebildet. Aufgrund des elektrisch isolierenden Kunststoffs ist der elektrische Widerstand im Bereich des Befestigungselements derart erhöht, dass die elektrische Energie nicht durch das Befestigungselements tritt.
Alternativ kann der Abschnitt vorteilhaft aus einer elektrisch isolierenden Keramik ausgebildet sein. Die sehr gute elektrische Isolationswirkung ermöglicht eine dünne Ausbildung des Abschnitts bzw. der Schicht. Thermoplast oder Keramik können zur Verbesserung der materialeigenschaften faserverstärkt ausgebildet werden.
Erfindungsgemäß wird es besonders bevorzugt, wenn der elektrisch isolierende Abschnitt mit dem Kopf stoffschlüssig, vorzugsweise mittels einer Klebung, durch Beschichten und/oder durch Umspritzen bzw. Aufspritzen verbunden ist.
Der elektrisch isolierende Abschnitt verlängert den Kopf bei einer Ausführungsform der Erfindung in Richtung einer Längsachse des Befestigungselements.
Vorzugsweise umgreift der elektrisch isolierende Abschnitt den Kopf im Bereich der elektrisch leitfähigen Schicht vollständig. Der Bereich des möglichen Eindringens eines Blitzschlags ist dadurch wirkungsvoll isoliert.
Das erfindungsgemäße Befestigungselement kann vorteilhaft bei Faserverbundbauteilen, insbesondere Kohlenstoff-, Glas-, Aramid- und/oder Borfaser verstärkten Faserverbundbauteilen, eingesetzt werden.
Anwendungsbereich der Befestigungselemente sind insbesondere alle nichtlösbaren Verbindungen von Primär- und Sekundär-Bauteilen im Flugzeugbau, wie beispielsweise Stringer-Hautverbindungen, Doppler-Hautverbindungen, Spant-Hautverbindungen, Spant-Clipverbindungen, Cleat-Spantverbindungen, Halter-Primärstrukturverbindungen, Halter-Halterverbindungen, Schalenmontagen über Längsnähte, Spantkupplungsmontagen, Sektionsmontagen über Quernähte und Stringerkupplungen, Rippen-Hautverbindungen, Fensterrahmen-Hautverbindungen, Fachwerkverbindungen in sich und zu den Anschluss-Bauteilen.
Sonstige vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Bestandteil der weiteren Unteransprüche.
Im Folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer schematischen Zeichnung näher erläutert. Die Figur zeigt eine Schnittdarstellung eines in eine Nietbohrung eines Bauteils eingesetzten, als Senkniet ausgebildeten, erfindungsgemäßen Befestigungselements.
Das als Senkniet 1 ausgebildete Befestigungselement hat einen Kopf 2 und einen Schaft 4 und ist in eine Bohrung 6 eines CFK-Faserverbundbauteils 8 eingesetzt, die mit einer Senkung 10 versehen ist.
Das Faserverbundbauteil 8 weist auf seiner Außenseite ein elektrisch leitfähiges Schichtsystem 12 aus zwei Schichten 14, 16 auf. Die innenliegende Schicht 14 ist etwa 0,17 mm dick und besteht aus einer expandierten Kupferfolie (ECF). Die lediglich im Nietbereich vorgesehene äußere Schicht 16 besteht ebenfalls aus einer expandierten Kupferfolie. Die Schichtdicke dieser Schicht 16 beträgt etwa 0,33 mm.
Der Kopf 2 des Niets 1 weist im Bereich des elektrisch leitfähigen Schichtsystems 12 einen elektrisch isolierenden, etwa kegelstumpfförmigen Abschnitt 18 auf. Der Abschnitt 18 ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel aus einem elektrisch isolierenden Thermoplast ausgebildet und mit dem Kopf 2 stoffschlüssig durch Aufspritzen verbunden. Der elektrisch isolierende Abschnitt 18 umgreift den Nietkopf 2 im Bereich der elektrisch leitfähigen Schichten 14, 16 vollständig. Der Bereich des möglichen Eindringens eines Blitzschlags ist dadurch wirkungsvoll isoliert.
Die Tiefe der Senkung 10 ist derart ausgeführt, dass der tragende, metallische und damit leitfähige Kopfbereich unterhalb des metallischen Schichtsystems 12 des Bauteils 8 angeordnet ist. Innerhalb des elektrisch leitenden Bereiches 12 des Bauteils 8 hat lediglich der nichtleitende Abschnitt 18 des Kopfes 2 Kontakt zur Bohrungs- bzw. Senkungswandung. Dadurch ist der elektrische Widerstand derart erhöht, dass die elektrische Energie nicht durch das Niet 1 in das Innere des Bauteils 8, sondern über das elektrisch leitende, metallische Schichtsystem 12 dissipiert wird.
Offenbart ist ein Befestigungselement 1, insbesondere ein Niet oder eine Schraube, mit einem Kopf 2 und einem Schaft 4, das in eine Bohrung 6 zumindest eines Bauteils 8 einsetzbar ist, wobei das Bauteil 8 mindestens eine elektrisch leitfähige Schicht aufweist und wobei der Kopf 2 im Bereich der elektrisch leitfähigen Schicht 14, 16 einen elektrisch isolierenden Abschnitt 18 aufweist.
Bezugszeichenliste

1: Senkniet
2: Kopf
4: Schaft
6: Bohrung
8: Faserverbundbauteil
10: Senkung
12: Schichtsystem
14: Schicht (innen)
16: Schicht (außen)
18: Abschnitt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 0217314 A2 [0006]

Claims

Befestigungselement, insbesondere Niet (1) oder Schraube, mit einem Kopf (2) und einem Schaft (4), das in eine Bohrung (6) zumindest eines Bauteils (8) einsetzbar ist, wobei das Bauteil (8) mindestens eine elektrisch leitfähige Schicht (14, 16) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kopf (2) im Bereich der elektrisch leitfähigen Schicht (14, 16) einen elektrisch isolierenden Abschnitt (18) aufweist.
Befestigungselement nach Anspruch 1, wobei der Abschnitt (18) mittels zumindest einer dem Kopf (2) zugeordneten elektrisch isolierenden Schicht ausgebildet ist.
Befestigungselement nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Abschnitt (18) aus einem elektrisch isolierenden Kunststoff, insbesondere aus einem Thermoplast, ausgebildet ist.
Befestigungselement nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Abschnitt (18) aus einer elektrisch isolierenden Keramik ausgebildet ist.
Befestigungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Abschnitt (18) mit dem Kopf (2) stoffschlüssig, vorzugsweise mittels einer Klebung, durch Beschichten und/oder durch Umspritzen verbunden ist.
Befestigungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Befestigungselement ein Senkniet (1) mit kegelstumpfförmigem Kopf (2) oder eine Senkkopfschraube mit kegelstumpfförmigem Kopf ist.
Befestigungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der elektrisch isolierende Abschnitt (18) etwa kegelstumpfförmig ausgebildet ist.
Befestigungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der elektrisch isolierende Abschnitt (18) den Kopf (2) in Richtung einer Längsachse des Befestigungselements (1) verlängert.
Befestigungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der elektrisch isolierende Abschnitt (18) den Kopf (2) im Bereich der elektrisch leitfähigen Schicht (14, 16) vollständig umgreift oder ausbildet.
Befestigungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bauteil ein Faserverbundbauteil (8), insbesondere ein Kohlenstoff-, Glas-, Aramid- und/oder Borfaser verstärktes Faserverbundbauteil ist.