DE102010042128A1

DE102010042128A1 - Strukturbauteil, Luft- oder Raumfahrzeug sowie Verfahren

Info

Publication number: DE102010042128A1
Application number: DE102010042128A
Authority: DE
Inventors: Wolf-Dietrich Dolzinski; Michael Kolax
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2010-10-07
Filing date: 2010-10-07
Publication date: 2012-04-12
Also published as: WO2012045814A1; EP2625029B1; US20130266765A1; US10407150B2; EP2625029A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft ein Strukturbauteil (1) für ein Luft- oder Raumfahrzeug (2), mit: einem flächigen Element (3); einem Verstärkungselement (4, 4'), welches von dem flächigen Element (3) absteht (H) und mit diesem fest verbunden ist; wobei das Verstärkungselement (4, 4') zumindest eine Schaumschicht (13) und eine Deckschicht (11) aufweist, wobei sich eine Vielzahl von Pins (16) zumindest durch die Schaumschicht (13) und die Deckschicht (11) erstreckt und wobei zumindest die Pins (16) und die Deckschicht (11) eine aushärtbare Matrix aufweisen.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Strukturbauteil, ein Luft- oder Raumfahrzeug sowie ein Verfahren.
Obwohl auf beliebige Strukturbauteile und Luft- oder Raumfahrzeuge anwendbar, werden die vorliegende Erfindung sowie die ihr zugrunde liegende Problematik in Bezug auf eine Rumpfstruktur eines Flugzeugs näher erläutert.
CFK(Kohlefaserkunststoff)-Rumpfstrukturen bestehen gewöhnlich aus röhrenartig geformten, flächigen Elementen, insbesondere Hautelementen. Die flächigen Elemente sind innen in Längs- und Umfangsrichtung durch Verstärkungselemente, insbesondere Stringer und Spanten, verstärkt. Die Verstärkungselemente erzeugen die benötigte Stabilität und Steifigkeit, wobei sie einen erheblichen Anteil der Lasten leiten.
Heutige CFK-Rumpfstrukturen ahmen zumeist den Aufbau altbekannter metallischer Rumpfstrukturen nach. Aufgrund der sehr andersartigen Materialeigenschaften führt dieser Ansatz bei CFK-Rumpfstrukturen zu hohen Herstellkosten. Die hohen Herstellkosten bedingen sich insbesondere dadurch, dass die zur Herstellung der metallischen Rumpfstrukturen verwendeten Verfahren auf einen insbesondere duroplastischen Faserverbundwerkstoff kaum anwendbar sind. Außerdem können diese sogenannten „Black-Metal”-Rumpfstrukturen die typischen Vorteile von anisotropen Faserverbundwerkstoffen nicht vollständig ausnutzen, da sie evolutionär von isotropen Metallen abstammen. Beispielsweise lassen sich Massenteile, wie Winkel, Clipse oder dergleichen, kaum kostengünstig aus Faserverbundwerkstoff herstellen.
Weiterhin finden Sandwichkonstruktionen im Flugzeugbereich Anwendung, welche aus einer oberen und einer unteren Deckschicht gebildet sind, zwischen denen sich zur Erhöhung der Steifigkeit eine wabenartige Kernstruktur befindet. Alternativ zu der wabenartigen Kernstruktur ist es auch bekannt geworden, die Kernstruktur aus einem Hartschaumstoff zu bilden. Der Einsatz solcher Hartschaumstoffe weist unter anderem im Bereich der thermischen und akustischen Isolation sowie bei der Bauteilherstellung Vorteile gegenüber der Verwendung wabenartiger Kernstrukturen auf. Nachteilig bei den Kernstrukturen aus Hartschaumstoff sind die geringen mechanischen Eigenschaften im Vergleich zu den wabenartigen Kernstrukturen. Um diese geringen mechanischen Eigenschaften zu kompensieren, werden Nähtechniken eingesetzt, mit denen Fasern in die Deckschichten samt dem Hartschaumstoff eingebracht werden. Nach einem Harzinfiltrationsprozess tragen die in das Harz eingebetteten Fasern zur mechanischen Verstärkung des Hartschaumstoffs bei, wobei die Fasern mit dem Harz sogenannte „eins bilden. Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise in der DE 10 2005 024 408 A1 beschrieben.
Die Verwendung von Sandwichkonstruktionen, wie oberhalb beschrieben, ist bereits ein erster Schritt dahin, Bauteile zu schaffen, welche die spezifischen Materialeigenschaften von Faserbundwerkstoffen ausnutzen. Allerdings stehen derzeit noch keine adäquaten Lösungen bereit, welche ein Strukturbauteil schaffen, das ein flächiges Element und ein dieses verstärkendes Verstärkungselement aufweist, und gleichzeitig die spezifischen Materialeigenschaften von Faserverbundwerkstoffen ausnutzen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Strukturbauteil, ein Luft- oder Raumfahrzeug sowie ein Verfahren zu schaffen, welches den vorstehenden Anforderungen gerecht wird.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Strukturbauteil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch ein Luft- oder Raumfahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10.
Demgemäß wird ein Strukturbauteil für ein Luft- oder Raumfahrzeug, mit: einem flächigen Element; einem Verstärkungselement, welches von dem flächigen Element absteht und mit diesem fest verbunden ist; wobei das Verstärkungselement zumindest eine Schaumschicht und eine Deckschicht aufweist, wobei sich eine Vielzahl von Pins zumindest durch die Schaumschicht und die Deckschicht erstreckt und wobei zumindest die Pins und die Deckschicht eine aushärtbare Matrix aufweisen; bereitgestellt.
Weiterhin wird ein Luft- oder Raumfahrzeug mit dem erfindungsgemäßen Strukturbauteil bereitgestellt.
Ferner wird ein Verfahren, insbesondere zur Herstellung des erfindungsgemäßen Strukturbauteils, mit den Schritten: Aufbringen einer Deckschicht auf eine Schaumschicht; Einbringen einer Vielzahl von Pins in die Schaumschicht samt der Deckschicht; Anordnen der Schaumschicht, der Deckschicht und der Pins auf einem flächigen Element derart, dass ein von dem flächigen Element abstehendes Verstärkungselement gebildet wird; Infiltrieren zumindest der Deckschicht und der Pins mit einer aushärtbaren Matrix und Aushärten derselben; und Verbinden des Verstärkungselements mit dem flächigen Element; bereitgestellt.
Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Idee besteht darin, ein flächiges Element mit einem Verstärkungselement zu verstärken, das eine Schaumschicht und Pins aufweist. Das Verstärkungselement wird demnach nicht mehr in der für „Black-Metal”-Konstruktionen üblichen Weise gebildet. Denn Verstärkungselemente solcher „Black-Metal”-Konstruktionen weisen beispielsweise einen T- oder Ω-förmigen Querschnitt auf und sind durchwegs aus CFK gebildet. Dagegen schafft die Erfindung eine Lösung, welche den spezifischen Materialeigenschaften von Faserverbundwerkstoffen Rechnung trägt. Die Pins tragen vorteilhaft zur Versteifung des Strukturbauteils bei. Es wird somit ein hoher strukturmechanischer Wirkungsgrad erzielt.
Aus den Unteransprüchen ergeben sich vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Mit einem „Pin” ist vorliegend ein stiftförmiges Gebilde gemeint, welches sich in Längsrichtung des Pins erstreckende Fasern aufweist, die in eine Matrix, insbesondere in eine Epoxid- und/oder Thermoplastmatrix, eingebettet sind. Die Pins können, wie einleitend beschrieben, durch einen Nähprozess und einen sich daran anschließenden Harzinfiltrationsprozess in dem Verstärkungselement erzeugt werden. Alternativ ist es jedoch auch möglich, die Pins bereits im Vorfeld zu erzeugen und diese hiernach in das Verstärkungselement einzubringen. Beispielsweise können die Pins im Vorfeld erzeugt werden und durch die Deckschicht und die Schaumschicht gestochen werden.
Von ”aushärtbarer Matrix” soll vorliegend auch der Fall einer bereits vollständig ausgehärteten Matrix umfasst sein.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Reihenfolge der Schritte in dem erfindungsgemäßen Verfahren beliebig und nicht durch die teilweise Verwendung der bestimmten Artikel als vorgegeben zu verstehen ist. So kann beispielsweise der Schritt des Infiltrierens der Deckschicht und der Pins mit der aushärtbaren Matrix und das Aushärten derselben vor dem Anordnen der Deckschicht und Pins samt Schaumschicht auf dem flächigen Element erfolgen.
Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Strukturbauteils erstrecken sich die Pins auch durch das flächige Element zumindest teilweise. Dadurch wird ein noch stabileres Strukturbauteil erzeugt, da die Pins somit auch in dem flächigen Element verankert sind.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Strukturbauteils sind der Schaum und/oder die Pins direkt mit dem flächigen Element verbunden, insbesondere verklebt. Damit ergibt sich ein einfach herzustellender Aufbau. Dieser bietet sich insbesondere dann an, wenn die Schaumschicht auf dem flächigen Element direkt erzeugt wird, hiernach die Deckschicht auf die von dem flächigen Element abgewandte Seite der Schaumschicht aufgebracht wird und hiernach die Pins erzeugt werden. Bevorzugt wird dabei die Deckschicht mit dem flächigen Element vernäht, wobei mittels einer späteren Harzinfiltration die Pins erzeugt werden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Strukturbauteils weist das Verstärkungselement eine weitere Deckschicht auf, welche zwischen dem flächigen Element und der Schaumschicht angeordnet und mit diesen verbunden ist, wobei die Deckschicht ebenfalls eine aushärtbare Matrix aufweist. Ein derartiger Aufbau bietet sich besonders bei einer Lösung an, bei welcher zunächst das Verstärkungselement aus der Deckschicht, der Schaumschicht, der weiteren Deckschicht und den Pins aufgebaut wird. Beispielsweise kann die Deckschicht mit der Schaumschicht und ggf. der weiteren Deckschicht zum Erzeugen der Pins vernäht und anschließend einer Harzinfiltration unterzogen werden. Hieran anschließend wird das so gebildete Verstärkungselement direkt auf das flächige Element aufgebracht, insbesondere aufgeklebt.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Strukturbauteils erstrecken sich die Pins durch die weitere Deckschicht. Mittels einer Verankerung der Pins in der weiteren Deckschicht ergibt sich ein noch stabileres Strukturbauteil.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Strukturbauteils weisen die Deckschicht, die weitere Deckschicht, das flächige Element und/oder die Pins ein Fasermaterial, insbesondere ein Gelege, Gewebe und/oder Rovings auf, welches von der jeweiligen Matrix infiltriert ist. Als Matrix kommt eine Epoxidharz- und/oder Thermoplastmatrix in Betracht.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Strukturbauteils sind zwei der Verstärkungselemente vorgesehen, welche sich in einem Kreuzungspunkt kreuzen, wobei Fasern, welche in der Längsrichtung der jeweiligen Verstärkungselemente verlaufen, in den Kreuzungspunkten ausschließlich solche sind, die sich über die gesamte Länge eines jeweiligen Verstärkungselements erstrecken. Dadurch wird eine Dopplung der Fasern im Bereich der Kreuzungspunkte vermieden, wodurch Gewicht und Material gespart werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Strukturbauteils ist das flächige Element als Hautabschnitt ausgebildet und/oder ist eine Vielzahl von Verstärkungselementen vorgesehen, welche eine Gitterstruktur, insbesondere eine Rautenstruktur, miteinander bilden. Mittels einer solchen Gitterstruktur lässt sich ein sehr stabiles Strukturbauteil erzeugen. Das Strukturbauteil ist bevorzugt als Rumpftonne ausgebildet.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Pins durch Einstechen vorgefertigter, steifer Pins, durch Einnähen von Fasern und/oder Einziehen von Fasern zumindest in die Schaumschicht und die Deckschicht eingebracht. Mittels der vorgenannten Ausgestaltung lassen sich die Pins einfach erzeugen.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine weitere Deckschicht zwischen der Schaumschicht und dem flächigen Element vorgesehen und mit diesen verbunden. Die weitere Deckschicht erhöht die Stabilität des Strukturbauteils zusätzlich.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden zunächst die Pins in die Schaumschicht und die Deckschicht und gegebenenfalls in die weitere Deckschicht eingebracht und anschließend die Schaumschicht oder gegebenenfalls die weitere Deckschicht mit dem flächigen Element verbunden oder die Schaumschicht und die Deckschicht und gegebenenfalls die weitere Deckschicht auf dem flächigen Element angeordnet und anschließend die Pins in die Schaumschicht, die Deckschicht, das flächige Element und gegebenenfalls in die weitere Deckschicht eingebracht. Damit ergeben sich verschiedene effiziente Arten, auf welche das flächige Element mit dem Verstärkungselement erzeugt werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Deckschicht und gegebenenfalls die weitere Deckschicht aus einem Fasermaterial, insbesondere einem Fasergelege gebildet, wobei sich Fasern des Fasermaterials insbesondere ausschließlich in Richtung einer jeweiligen Längsrichtung von zwei herzustellenden Verstärkungselementen und parallel zu dieser Richtung erstrecken, wobei aus dem Fasermaterial dreiecksförmige, rautenförmige oder rechtecksförmige Bereich ausgeschnitten werden, wobei sich Längsseiten der Bereiche parallel zu den jeweiligen Längsrichtungen der herzustellenden Verstärkungselemente erstrecken. Dadurch lassen sich auf einfache Weise Dopplungen von Fasern an Kreuzungspunkten der Verstärkungselemente, wie bereits im Vorhergehenden beschrieben, vermeiden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Deckschicht, die Pins und gegebenenfalls die weitere Deckschicht zu einem ersten Zeitpunkt mit der Matrix infiltriert und/oder ausgehärtet und das flächige Element zu einem zweiten Zeitpunkt mit der Matrix infiltriert und ausgehärtet, wobei der erste und zweite Zeitpunkt derselbe oder verschiedene Zeitpunkte sind. Mit anderen Worten ist es also möglich, das Verstärkungselement zunächst im Vorfeld auszuhärten und anschließend auf das bereits ausgehärtete, flächige Element aufzubringen. Alternativ können das flächige Element und das Verstärkungselement gleichzeitig ausgehärtet werden. Dazu werden das flächige Element und das Verstärkungselement, jeweils im unausgehärteten oder nur teilweise ausgehärteten Zustand, zusammengefügt und gemeinsam ausgehärtet. Weiter alternativ kann das zumindest nicht vollständig ausgehärtete Verstärkungselement auf das ausgehärtete, flächige Element aufgebracht werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:
1 in einer perspektivischen Ansicht ausschnittsweise ein Strukturbauteil gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 eine vergrößerte Ansicht A aus 1;
3 einen Schnitt B-B aus 2 in einem Zustand eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
4 den Schnitt B-B aus 3 gemäß einer Variation B'-B' des Verfahrens; und
5 in einer Draufsicht ein Fasermaterial zum Herstellen von Verstärkungselementen des Strukturbauteils aus 1.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugsziffern gleiche oder funktionsgleiche Komponenten, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.
1 zeigt in einer perspektivischen Ansicht einen Ausschnitt aus einem Strukturbauteil 1 eines allgemein mit 2 bezeichneten Flugzeugs.
Das Strukturbauteil 1 weist ein flächiges Element 3 sowie Verstärkungselemente 4, 4' auf. Die Verstärkungselemente 4, 4' sind an dem flächigen Element 3 fest angebracht. Die Verstärkungselemente 4, 4' bilden eine Rautenstruktur mit einem Winkel α, siehe 2, zwischen beispielsweise 15 und 45°, bevorzugt zwischen 30 und 40°, aus. Bei dem Winkel α handelt es sich um den spitzen Winkel einer jeweiligen Raute 5.
2 zeigt eine vergrößerte Ansicht A aus 1.
Die Verstärkungselemente 4, 4' stehen von dem flächigen Element 3 ab. Das heißt, dass die Verstärkungselemente 4, 4' jeweils mit einer in 2 verdeckt dargestellten Unterseite 6 auf dem flächigen Element 3 aufliegen und mit einer Oberseite 7 um eine Höhe H von der Unterseite 6 bzw. der Oberseite des flächigen Elements 3 beabstandet sind. Die Höhe H kann beispielsweise zwischen 25 und 35 mm betragen. Weiterhin können die Verstärkungselemente 4, 4' eine Breite W von beispielsweise zwischen 35 bis 70 mm aufweisen. Die Höhe H und die Breite W beziehen sich im Vorhergehenden auf einen Querschnitt Q eines jeweiligen Verstärkungselements 4, 4'. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Querschnitt Q rechtecksförmig ausgeführt. Jedoch sind genauso andere Querschnitte denkbar. Die Länge L eines jeweiligen Verstärkungselements 4, 4' kann wenige Zentimeter bis viele Meter betragen.
3 zeigt einen Schnitt B-B aus 2 in einem Zustand eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Anhand von 3 ist zu erkennen, dass sich das Verstärkungselement 4 aus einer oberen Deckschicht 11, einer unteren Deckschicht 12 sowie einer zwischen den Deckschichten 11, 12 angeordneten Schaumschicht 13 zusammensetzt. Die Deckschichten 11, 12 weisen jeweils ein in einer Epoxidharzmatrix eingebettetes Fasermaterial 14 auf, welches anhand von 5 an späterer Stelle noch näher erläutert wird. Bei der Schaumschicht 13 handelt es sich insbesondere um einen Hartschaum.
In den dem in 3 gezeigten Zustand vorausgehenden Verfahrensschritten werden die Deckschichten 11, 12 mit der dazwischenliegenden Schaumschicht 13 mittels eines Nähfadens 15 vernäht, was in 3 stark schematisiert auf der linken Seite mittels einer gestrichelten Linie angedeutet ist. Der Nähfaden 15 ist beispielsweise als Roving ausgebildet und umfasst daher eine Vielzahl von Einzelfasern. Das so gebildete Verstärkungselement 4 wird mit einer Epoxidharzmatrix infiltriert, wobei das Fasermaterial 14 der Deckschichten 11, 12 wie auch der Nähfaden 15 infiltriert werden. Anschließend wird das so gebildete Verstärkungselement 4 ausgehärtet, wobei sich stabile Pins 16 bilden. Die Pins 16 weisen eine längliche Gestalt auf und können insbesondere mit einem kreisrunden Querschnitt gebildet sein. Die Fasern in den jeweiligen Pins 16 erstrecken sich entlang der Längsrichtung L₁ derselben. Bevorzugt ist die Längsrichtung L₁ der jeweiligen Pins 16 schräg, beispielsweise unter einem Winkel β zwischen 10 und 80°, in Bezug auf eine Senkrechte S auf das flächige Element 3 angeordnet. Das Vernähen erfolgt bevorzugt in Längsrichtung eines jeweiligen Verstärkungselements 4, 4', so dass sich, wie insbesondere anhand von 2 gut zu erkennen, zwei parallele Reihen von Pins 16 ergeben.
Anschließend wird das gebildete Verstärkungselement 3 ausgehärtet. Um dem Verstärkungselement 4 eine entsprechende Form zu geben, kann dieses vor dem Aushärten auf einer entsprechend konturierten Laminiervorrichtung ausgerichtet werden. Dadurch kann beispielsweise eine gebogene Gestalt des Verstärkungselements 4 erreicht werden.
Nach dem Aushärten des Verstärkungselements 4 wird dieses auf das flächige Element 3 aufgebracht. Das flächige Element 3, bei dem es sich insbesondere um eine Rumpfaußenhaut handelt, weist bevorzugt ebenfalls ein Fasermaterial auf, welches in eine Epoxidharzmatrix eingebettet ist. Das flächige Element 3 ist also beispielsweise als Prepreg ausgebildet. Nach dem Aufbringen des Verstärkungselements 4 auf das flächige Element 3 wird das flächige Element 3 ausgehärtet, woraufhin die Epoxidharzmatrix in dem flächigen Element 3 dieses fest mit dem Verstärkungselement 4 verbindet.
Insoweit ist jedoch eine Vielzahl von Variationsmöglichkeiten denkbar. Beispielsweise können die Deckschichten 11, 12 ein Prepreg aufweisen. Entsprechend können auch die Pins 16 mit einer noch nicht ausgehärteten Epoxidharzmatrix gebildet werden. In diesem noch weichen Zustand wird dann das noch nicht ausgehärtete Verstärkungselement 4 auf das nicht ausgehärtete, flächige Element 3 gesetzt. In einem sich hieran anschließenden Schritt wird das so gebildete Strukturbauteil 1 insgesamt ausgehärtet. Weiter alternativ könnte das mit der Matrix versehene, aber noch nicht ausgehärtete Verstärkungselement 4 auf das bereits ausgehärtete flächige Element 3 gesetzt werden, woraufhin das so gebildete Strukturbauteil 1 insgesamt ausgehärtet wird.
4 zeigt den Schnitt B-B aus 3 gemäß einer Variation B'-B' des Verfahrens.
Bei dieser Variation wird das Verstärkungselement 4 auf dem flächigen Element 3 aufgebaut. Dazu wird auf das flächige Element 3 die Schaumschicht 13 direkt aufgebracht. Es wäre jedoch genauso möglich, zuvor noch die untere Deckschicht 12 auf dem flächigen Element 3 aufzubringen und erst hiernach die Schaumschicht 13 auf die untere Deckschicht 12 aufzubringen. Hiernach wird die obere Deckschicht 11 auf die Schaumschicht 13 aufgebracht. Anschließend werden die obere Deckschicht 11, die Schaumschicht 13 und das flächige Element 3 miteinander mittels des Nähfadens 15 vernäht. Nach einer entsprechenden Infiltration mit einer Epoxidharzmatrix werden die Pins 16 ausgebildet. Die Ausgestaltungen und Variationsmöglichkeiten, welche bereits im Zusammenhang mit 3 beschrieben wurden, sind auf das Ausführungsbeispiel gemäß 4 entsprechend anwendbar.
Weiterhin ist es denkbar, anstelle des Nähprozesses ein anders geartetes Verfahren vorzusehen. Bei diesem werden die Pins 16 bereits stabil vorgefertigt und anschließend in den Verbund aus oberer Deckschicht 11, Schaumschicht 13 und flächigem Element 3 eingestochen. Die vorgefertigten Pins 16 sind also bereits ausgehärtet. Nach dem Einstechen der Pins 16 wird dann die Epoxidharzmatrix der oberen Deckschicht 11, des flächigen Elements 3 und ggf. der unteren Deckschicht 12 ausgehärtet.
Die Pins 16 können außerdem dadurch gebildet werden, dass das Fasermaterial 15 mittels einer Nadel in zumindest die Schaumschicht 13 und die obere Deckschicht 11 eingezogen werden, wie in der Druckschrift DE 10 2005 024 408 A1 beschrieben, deren Inhalt insoweit auch Gegenstand der vorliegenden Anmeldung ist.
Bei. den Ausführungsbeispielen gemäß den 4 und 5 können sich die Pins 16 jeweils durch die obere Deckschicht 11, die untere Deckschicht 12 und das flächige Element 3 hindurch erstrecken, wie für zwei der Pins 16 in 4 dargestellt.
5 zeigt das Fasermaterial 14 zum Bilden der gitterartigen Verstärkungselemente 4, 4' in einer Draufsicht.
Das Fasermaterial 14 setzt sich aus Fasern 21, 22 zusammen. Die Fasern 21 und 22 erstrecken sich zueinander unter dem Winkel α, siehe 2 und 5. Die Fasern 21 und 22 können miteinander verwoben sein. Alternativ können die Fasern 21 und 22 Bestandteil von verschiedenen Gelegen sein, die übereinander positioniert werden. Die Fasern 21 und 22 bilden anfänglich ein flächiges Gebilde, beispielsweise ein in etwa rechteckiges Gebilde aus. In 5 sind nur Teile dieses Gebildes dargestellt.
Hiernach werden aus dem Gebilde die rautenförmigen Bereiche 5, siehe 2 und 5, ausgeschnitten. Dazu werden die in 5 gestrichelt dargestellten Fasern 21 und 22 abgeschnitten, so dass lediglich die in 5 in durchgezogener Linie dargestellten Fasern 21 und 22 übrig bleiben. Die Längsrichtung des Verstärkungselements 4 ist in den 2 und 5 mit dem Bezugszeichen L₂ und die Längsrichtung des Verstärkungselements 4' mit dem Bezugszeichen L₃ bezeichnet. Die zu den Längsrichtungen L₂ und L₃ parallelen Schnittlinien 26 bzw. 27 zum Ausschneiden eines jeweiligen rautenförmigen Bereichs 5 sind in 5 strichpunktiert für lediglich einen der Bereiche 5 dargestellt.
Das somit geschaffene Fasermaterial 14 entspricht dem Verlauf der Verstärkungselemente 4, 4' in der Draufsicht, siehe 2. Das Fasermaterial 14 zeichnet sich dadurch aus, dass an den Kreuzungspunkten 23, siehe 2 und 5, zwischen den Fasern 24, die dem Verstärkungselement 4 zugeordnet sind und in dessen Längsrichtung L₂ verlaufen, und den Fasern 25, welche dem Verstärkungselement 4' zugeordnet sind und in dessen Längsrichtung L₃ verlaufen, keine Faserdopplungen auftreten.
Das Fasermaterial 14 kann anschließend zum Bilden der oberen Deckschicht 11 und gegebenenfalls der unteren Deckschicht 12 verwendet werden. Das Fasergebilde 14 wird mit einer Epoxidharzmatrix infiltriert und anschließend verwendet, wie im Zusammenhang mit den 3 und 4 erläutert.
Bei den vorliegend verwendeten Fasern handelt es sich bevorzugt um Kohlenstofffasern, wobei jedoch auch Zumischungen von anderen Fasern, beispielsweise Aramidfasern, denkbar sind. Wenn vorliegend von einer Epoxidharzmatrix gesprochen wird, so kann diese auch immer einen Anteil an Thermoplast aufweisen.
Obwohl die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar. Die für das erfindungsgemäße Strukturbauteil beschriebenen Ausgestaltungen und Ausführungsbeispiele sind entsprechend auf das erfindungsgemäße Luft- oder Raumfahrzeug sowie das erfindungsgemäße Verfahren anwendbar, und umgekehrt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass „ein” vorliegend keine Vielzahl ausschließt.
Bezugszeichenliste

1: Strukturbauteil
2: Flugzeug
3: flächiges Element
4: Verstärkungselement
4': Verstärkungselement
5: Raute
6: Unterseite
7: Oberseite
11: obere Deckschicht
12: untere Deckschicht
13: Schaumschicht
14: Fasermaterial
15: Nähfaden
16: Pin
21: Faser
22: Faser
23: Kreuzungspunkt
24: Faser
25: Faser
26: Schnittlinie
27: Schnittlinie
H: Höhe
L₁: Längsrichtung
L₂: Längsrichtung
L₃: Längsrichtung
Q: Querschnitt
S: Senkrechte
W: Breite
α: Winkel
β: Winkel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102005024408 A1 [0005, 0050]

Claims

Strukturbauteil (1) für ein Luft- oder Raumfahrzeug (2), mit: einem flächigen Element (3); einem Verstärkungselement (4, 4'), welches von dem flächigen Element (3) absteht (H) und mit diesem fest verbunden ist; wobei das Verstärkungselement (4, 4') zumindest eine Schaumschicht (13) und eine Deckschicht (11) aufweist, wobei sich eine Vielzahl von Pins (16) zumindest durch die Schaumschicht (13) und die Deckschicht (11) erstreckt und wobei zumindest die Pins (16) und die Deckschicht (11) eine aushärtbare Matrix aufweisen.
Strukturbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Pins (16) auch durch das flächige Element (3) zumindest teilweise erstrecken.
Strukturbauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaumschicht (13) und/oder die Pins (16) direkt mit dem flächigen Element (3) verbunden, insbesondere verklebt, sind.
Strukturbauteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungselement (4, 4') eine weitere Deckschicht (12) aufweist, welche zwischen dem flächigen Element (3) und der Schaumschicht (13) angeordnet und mit diesen verbunden ist, wobei die weitere Deckschicht (12) ebenfalls eine aushärtbare Matrix aufweist.
Strukturbauteil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Pins (16) durch die weitere Deckschicht (12) erstrecken.
Strukturbauteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (11), die weitere Deckschicht (12), das flächige Element (3) und/oder die Pins (16) ein Fasermaterial (14), insbesondere ein Gelege, Gewebe und/oder Rovings, aufweisen, welches von einer jeweiligen Matrix infiltriert ist.
Strukturbauteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwei der Verstärkungselemente (4, 4') vorgesehen sind, welche sich in einem Kreuzungspunkt (23) kreuzen, wobei Fasern (24, 25) des Fasermaterials (14), welche in der Längsrichtung (L₂, L₃) der jeweiligen Verstärkungselemente (4, 4') verlaufen, in den Kreuzungspunkten (23) ausschließlich solche sind, die sich über die gesamte Länge (L) eines jeweiligen Verstärkungselements (4, 4') erstrecken.
Strukturbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das flächige Element (3) als Hautabschnitt ausgebildet ist und/oder eine Vielzahl der Verstärkungselemente (4, 4') vorgesehen ist, welche eine Gitterstruktur, insbesondere eine Rautenstruktur, miteinander bilden.
Luft- oder Raumfahrzeug (2), mit einem Strukturbauteil (1) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren, insbesondere zum Herstellen des Strukturbauteils (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, mit den Schritten: Aufbringen einer Deckschicht (11) auf eine Schaumschicht (13); Einbringen einer Vielzahl von Pins (16) in die Schaumschicht (13) samt der Deckschicht (11); Anordnen der Schaumschicht (13), der Deckschicht (11) und der Pins (16) auf einem flächigen Element (3) derart, dass ein von dem flächigen Element (3) abstehendes (H) Verstärkungselement (4, 4') gebildet wird; Infiltrieren zumindest der Deckschicht (11) und der Pins (16) mit einer aushärtbaren Matrix und Aushärten derselben; und Verbinden des Verstärkungselements (4, 4') mit dem flächigen Element (3).
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Pins (16) durch Einstechen vorgefertigter, steifer Pins, durch Einnähen von Fasern (15) und/oder Einziehen von Fasern zumindest in die Schaumschicht (13) und die Deckschicht (11) eingebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere Deckschicht (12) zwischen der Schaumschicht (13) und dem flächigen Element (3) vorgesehen und mit diesen verbunden wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 10–12, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst die Pins (16) zumindest in die Schaumschicht (13) und die Deckschicht (11) und ggf. in die weitere Deckschicht (12) eingebracht werden und anschließend die Schaumschicht (13) oder ggf. die weitere Deckschicht (12) mit dem flächigen Element (3) verbunden wird oder die Schaumschicht (13) und die Deckschicht (11) und ggf. die weitere Deckschicht (12) auf dem flächigen Element (3) angeordnet werden und anschließend die Pins (16) in die Schaumschicht (13), die Deckschicht (11), das flächige Element (3) und ggf. in die weitere Deckschicht (12) eingebracht werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 10–13, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (11) und ggf. die weitere Deckschicht (12) aus einem Fasermaterial (14), insbesondere ein Fasergelege oder Fasergewebe, gebildet werden, wobei sich Fasern (21, 22) des Fasermaterials (14) insbesondere ausschließlich in Richtung einer jeweiligen Längsrichtung (L₂, L₃) von zwei herzustellenden Verstärkungselementen (4, 4') und parallel zu dieser Richtung erstrecken, wobei aus dem Fasermaterial (14) dreiecksförmige, rautenförmige oder rechtecksförmige Bereiche (5) ausgeschnitten werden, wobei sich Längsseiten (26, 27) der Bereiche (5) parallel zu den jeweiligen Längsrichtungen (L₂, L₃) der Verstärkungselemente (4, 4') erstrecken.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10–14, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (11), die Pins (16) und ggf. die weitere Deckschicht (12) zu einem ersten Zeitpunkt mit der aushärtbaren Matrix infiltriert und/oder ausgehärtet werden und das flächige Element (3) zu einem zweiten Zeitpunkt mit einer aushärtbaren Matrix infiltriert und/oder ausgehärtet wird, wobei der erste und zweite Zeitpunkt derselbe oder verschiedene Zeitpunkte sind.