DE102010048365B4 - Flächengebilde und Flugzeugrumpf mit einem derartigen Flächengebilde - Google Patents

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Abstract

Flächengebilde (6, 8), insbesondere zur Verwendung als Hautfeld für einen Flugzeugrumpf, mit einem Kunststofflaminat (22) aus einer Vielzahl von Kohlenstofffaserlagen (24a bis 24j), die in eine Kunststoffmatrix eingebettet sind, und mit einem metallbasierten Randbereich, dadurch gekennzeichnet, dass der Randbereich von einem Metalllaminat (26) aus einer Vielzahl von Aluminiumfolien (28a bis 28e) gebildet ist, die über jeweils eine zumindest eine Glasfaserlage (30a bis 30d) aufnehmende Harzschicht miteinander verbunden sind, wobei das Kunststofflaminat (22) und das Metalllaminat (26) einen auf einer elektrisch isolierenden Klebeverbindung (34) basierenden Überlappstoß (32) bilden und im Bereich des Überlappstoßes (32) schichtweise zurückgestuft sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Flächengebilde, insbesondere zur Verwendung als Hautblech für einen Flugzeugrumpf, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie einen Flugzeugrumpf mit zumindest einem derartigen Flächengebilde.
  • Verkehrsflugzeuge werden herkömmlicherweise mit einem Rumpf aus Metallhautfeldern hergestellt. In jüngster Zeit werden jedoch zur Optimierung des Rumpfes Verbundwerkstoffe wie Aluminiumlaminate mit einer Vielzahl von sandwichartig verklebten Aluminiumlagen und Glasfaserlagen (GLARE®) eingesetzt. Ein aktuelles Beispiel ist das Airbus-Großraumflugzeug A380, dessen Rumpfoberschale aus einem derartigen Aluminiumlaminat besteht. Ebenso werden zur Optimierung des Rumpfes kohlenstofffaserverstärkte Kunststofflaminate (CFRP bzw. CFK) verwendet. Sowohl das Kunststofflaminat als auch das Aluminiumlaminat zeichnen sich durch ein geringeres Gewicht gegenüber einem herkömmlichen Metallhautfeld aus, wobei insbesondere das Aluminiumlaminat eine höhere Ermüdungsfestigkeit und eine geringe Rissausbreitungsgeschwindigkeit als ein herkömmliches Metallhautfeld aufweist. Ferner ist das Aluminiumlaminat verhältnismäßig robust gegenüber mechanischen Beschadigungen und weist eine hohe akustische Dammeigenschaft und Wärmedämmeigenschaft auf. Es ist daher eine Bestrebung, den Rumpf aus einer Vielzahl von Hautfeldern mit unterschiedlichen Laminattypen herzustellen. Die Verbindung der Kunststofflaminate mit den Aluminiumlaminaten ist jedoch insofern problematisch, als das bei einer Berührung der Aluminiumlagen mit den Kohlenstofffaserlagen die Aluminiumlagen zur Korrosion neigen, so dass eine unmittelbare Berührung dieser beiden Materialien unbedingt zu vermeiden ist. Zur Lösung dieses Problems wird in der deutschen Patentanmeldung DE 10 2007 046 478 A1 der Anmelderin vorgeschlagen, im jeweiligen Langsnahtbereich der Kohlenstofflaminate ein massives Titanprofil und im jeweiligen Längsnahtbereich der Aluminiumlaminate ein massives Aluminiumprofil einzuschäften, die dann mittels Reibschweißens miteinander verbunden werden. Durch die massiven metallischen Längsnahtbereiche werden jedoch die Lasten und Spannungen in den Laminaten nicht optimal uber den Rumpf verteilt, so dass im Bereich der Einschäftung Spannungsspitzen auftreten können. Ferner ändern sich die mechanischen Eigenschaften der Laminate im Randbereich. Des Weiteren ist eine derartige Einschäftung verhaltnismaßig aufwendig herzustellen.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ein Flächengebilde, insbesondere zur Verwendung als Hautfeld für einen Flugzeugrumpf, das die vorgenannten Nachteile beseitigt und einen optimalen Spannungsverlauf zwischen einem Kohlenstofflaminat und einem Aluminiumlaminat ermöglicht, sowie einen Flugzeugrumpf zu schaffen, der eine optimale Verbindung zwischen einem Kohlenstofffaserlaminat und einem Aluminiumlaminat aufweist.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Flächengebilde mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch einen Flugzeugrumpf mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6.
  • Ein erfindungsgemäßes Flächengebilde, insbesondere zur Verwendung als Hautfeld für einen Flugzeugrumpf, hat ein Kunststofflaminat aus einer Vielzahl von Kohlenstofffaserlagen, die in eine Kunststoffmatrix eingebettet sind. Ferner hat das Flächengebilde einen metallbasierten Randbereich, der erfindungsgemäß von einem Metalllaminat aus einer Vielzahl von Aluminiumblechen gebildet ist, die über jeweils eine zumindest eine Glasfaserlage aufnehmende Harzschicht miteinander verbunden sind, wobei das Kunststofflaminat und das Aluminiumlaminat einen auf einer elektrisch isolierenden Klebeverbindung basierenden Überlappstoß bilden und im Bereich des Überlappstoßes schichtweise zuruckgestuft sind. Die erfindungsgemaße Losung erlaubt die Verbindung des Flächengebildes mit einem Aluminiumlaminat, wobei durch das schichtweise Zurückstufen des Kunststofflaminats sowie des Metalllaminats die Steifigkeit des Kunststofflaminats Schicht für Schicht in das Metalllaminat ubertragen wird. Das Flachengebilde weist somit uber seine gesamte Fläche identische bzw. nahezu identische mechanische Eigenschaften auf. Zudem ist ein Überlappstoß fertigungstechnisch einfach herzustellen und ermoglicht einen verlasslichen Bauteil- und Montagetoleranzausgleich.
  • Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Klebeverbindung als eine zumindest eine Glasfaserlage enthaltende Harzschicht ausgeführt. Somit entspricht die Klebeverbindung quasi einer Klebeschicht des Metalllaminats, so dass keine zusätzlichen Materialien zur Verbindung des Kunststofflaminats mit dem Metalllaminat notwendig sind.
  • Bei einem Ausfuhrungsbeispiel sind die Kohlenstofffaserlagen des Kunststofflaminats in Richtung des Metalllaminats abgestuft. Hierdurch dient die nicht zurückgestufte Kohlenstofffaserlage als äußere Schicht des Flächengebildes, wodurch zum einen die zurückgestuften Kohlenstofffaserlagen vor Beschädigungen geschützt sind. Zum anderen weist ein derartiges Flächengebildet eine stufenfreie bzw. nahezu stufenfreie äußere Schicht auf, so dass bei Verwendung des erfindungsgemaßen Flächengebildes als Hautschale neben den bekannten aerodynamischen Turbulenzen keine zusätzlichen aerodynamischen Turbulenzen entstehen.
  • Bevorzugterweise sind die Aluminiumbleche und Glasfaserlagen des Metalllaminats in eine Richtung weg von dem Kunststofflaminat abgestuft. Hierdurch wird die Klebeverbindung zwischen den zuruckgestuften Kohlenstofffaserlagen und dem nicht zurückgestuften Aluminiumblech gebildet, so dass eine optimale Spannungseinleitung bzw. Spannungsüberleitung zwischen dem Kunststofflaminat und dem Metalllaminat erzielt wird. Ferner erfolgt somit keine Einschäftung des Kunststofflaminats bzw. des Metalllaminats, so dass die Abstufungen bzw. Zurückstufungen verhältnismaßig großzügig ausgeführt sein konnen.
  • Das Kunststofflaminat und das Metalllaminat können zumindest in etwa die gleiche Wandstärke aufweisen, wobei sie derart zurückgestuft sind, dass die Wandstärke im Bereich des Überlappstoßes etwa der Wandstärke des Kunststofflaminats bzw. des Metalllaminats entspricht.
  • Ein erfindungsgemaßer Flugzeugrumpf hat zumindest eine Rumpfzelle mit einer Vielzahl von Hautschalen, die jeweils über eine Längsnaht miteinander verbunden sind, wobei das Kunststofflaminat und das Aluminiumlaminat durch ein erfindungsgemäßes Flachengebilde mit einem Kunststofflaminat und einem Längsnahtbereich aus einem Metalllaminat verbunden sind.
  • Bei einem bevorzugten Ausfuhrungsbeispiel ist das Aluminiumlaminat eine Unterschale, das Kunststofflaminat eine Oberschale und die erfindungsgemäßen Flächengebilde sind jeweils eine Seitenschale bzw. befinden sich in einer Seitenschale und bilden somit zumindest abschnittsweise eine Seitenschale. Durch die Anordnung des Aluminiumlaminats im Unterflurbereich des Flugzeugrumpfes ist der Rumpfbereich verhältnismäßig robust ausgebildet, der bei einer Bruchlandung besonders großen Kräften ausgesetzt ist und in dem auf einem Rollfeld Kollisionen mit Rangier-, Be- und Entladungsfahrzeugen sowie mit Tankfahrzeugen auftreten konnen.
  • Vorzugsweise ist der Langsnahtbereich in Hochrichtung des Flugzeugrumpfes betrachtet unterhalb eines Passagierbodens angeordnet.
  • Sonstige vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.
  • Im Folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand schematischer Darstellungen näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 einen Querschnitt durch eine Rumpfzelle eines erfindungsgemäßen Flugzeugrumpfs,
  • 2 eine Detaildarstellung eines Längsnahtbereich aus 1, und
  • 3 eine Detaildarstellung eines in 2 abschnittsweise gezeigten erfindungsgemäßen Flächengebildes.
  • In den Figuren tragen gleiche konstruktive Elemente die gleichen Bezugsziffern, wobei bei mehreren gleichartigen konstruktiven Elementen in einer Figur aus Gründen der Übersichtlichkeit lediglich einige der Elemente mit einem Bezugszeichen versehen sind.
  • Gemäß der Querschnittsdarstellung in 1 wird eine erfindungsgemäße Rumpfzelle 1 eines Flugzeugs von einer Oberschale 2, einer Unterschale 4 sowie von zwei Seitenschalen bzw. seitlichen Flächengebilden 6, 8 gebildet. Die Hautschalen 2, 4, 6, 8 sind uber Längsnähte 10a, 10b, 10c, 10d in Flugzeuglängsrichtung x miteinander verbunden. Die Verbindung erfolgt jeweils über in 2 angedeutete Nieten 12a, 12b.
  • Ferner ist in der Rumpfzelle 1 ein Fußbodengerüst 14 zur Aufnahme eines Kabinenbodens skizziert, das an nicht gezeigten Versteifungselementen über vertikale Stützen 16a, 16b an der Unterschale 4 abgestützt und in Richtung der Flugzeughochachse z betrachtet oberhalb der unterschalenseitigen Längsnähte 10b, 10c positioniert ist.
  • Die Oberschale 2 ist ein Kunststofflaminat und besteht aus einer Vielzahl von Kohlenstofffaserlagen, die in eine Kunststoff- bzw. Harzmatrix eingebettet sind.
  • Die Unterschale 4 ist ein Aluminiumlaminat wie GLARE®, das gemäß 2 eine Vielzahl von Aluminiumblechen 18a, 18b aufweist, die über eine Klebeschicht miteinander verbunden sind, in denen jeweils zumindest eine Glasfaserlage 20 angeordnet ist.
  • Die Seitenschalen 6, 8 haben jeweils einen, mit der Oberschale 2 zu verbindenden Abschnitt, der ähnlich der Oberschale 2 als ein Kunststofflaminat 22 mit einer Vielzahl von Kohlenstofffaserlagen 24a, 24b, 24c ausgeführt ist, die in einer nicht bezifferten Kunststoffmatrix eingebettet sind. Erfindungsgemäß weisen die Seitenschalen 6, 8 einen mit der Unterschale 4 zu verbindenden Abschnitt auf, der ähnlich der Unterschale 4 als ein Metalllaminat 26 mit einer Vielzahl von Aluminiumfolien bzw. Aluminiumblechen 28a, 28b, 28c ausgeführt ist, die über zumindest jeweils eine Glasfasermatte bzw. Glasfaserlage 30a, 30b voneinander beabstandet und über jeweils eine die zumindest eine Glasfaserlage 30a, 30b aufnehmende Klebeschicht miteinander verbunden sind.
  • Die Seitenschalen 6, 8 weisen somit zumindest in den Bereichen der oberen Langsnahte 10a und 10d jeweils ein kohlenstofffaserbasiertes Kunststofflaminat 22 und in den Bereichen der unteren Längsnähte 10b und 10c ein aluminiumbasiertes Metalllaminat 26 und somit die gleichen Materialien wie die mit ihnen zu verbindende Oberschale 2 und Unterschale 4 auf, so dass beim seitlichen Verbinden der Hautschalen 2, 4, 6, 8, wie beispielsweise in 2 anhand der sehr stark vereinfacht dargestellten Vernietung 12a, 12b der Unterschale 4 mit dem Metalllaminat 26 gezeigt, aufgrund der gleichen Materialeigenschaften in den zu verbindenden Längsnahtbereichen keine negativen Reaktionen wie Korrosion zu befürchten sind.
  • Gemäß der Detaildarstellung des Bereichs der unteren Längsnaht 10c der Seitenschale 6 in 3 bilden das Kunststofflaminat 22 und das Metalllaminat 26 einen großflächigen Überlappstoß 32. Dabei sind das Kunststofflaminat 22 und das Metalllaminat 26 über eine Klebeverbindung 34 bspw. basierend auf einem Epoxidharz, in der zumindest eine Glasfasermatte 36 angeordnet ist, miteinander verklebt und gegeneinander elektrisch isoliert. Die Klebeverbindung 34 erlaubt einen Ausgleich von zum Beispiel Wärmespannungen zwischen dem Kunststofflaminat 22 und dem Metalllaminat 26 und verhindert somit beispielsweise im Gegensatz zu einer Vernietung die Einleitung von Spannungen in den Überlappstoß 32.
  • Die Kohlenstofffaserlagen 24b bis 24j sowie die Aluminiumfolien 28b bis 28e und die Glasfaserlagen 30a bis 30d sind jeweils in radialer Richtung von außen nach innen betrachtet gegenüber der benachbarten Lage bzw. Schicht schrittweise zurückgestuft, so dass das Kunststofflaminat 22 sowie das Metalllaminat 26 im Bereich des Überlappstoßes 32 in entgegengesetzte Umfangsrichtungen etwa keilförmig auslaufen. Dabei sind das Kunststofflaminat 22 und das Metalllaminat 26 derart dimensioniert bzw. weisen eine derartige Anzahl von Kohlenstofflagen 24a bis 24j, Aluminiumfolien 28a bis 28d und Glasfaserlagen 30a bis 30d auf, dass die Seitenschalen 6, 8 über ihren gesamten Querschnitt und somit auch im Bereich des Überlappstoßes 32 eine konstante bzw. nahezu konstante Wandstärke aufweisen.
  • Die nicht zurückgestufte Kohlenstofffaserlage 24a des Kunststofflaminats 22 bildet einen Außenflächenabschnitt 38 der Rumpfzelle 1 und ist mit der Glaserfasermatte 36 verklebt, die einen angrenzenden Außenflächenabschnitt 40 bildet. Folglich sind die Kohlenstofffaserlagen 24b bis 24j radial von außen nach innen in Richtung des Metalllaminats 26 abgestuft. Durch diese Positionierung des Kunststofflaminats 22 und des Metalllaminats 26 wird im Außenflächenbereich der Rumpfzelle 1 nur eine Stufe 42 gebildet, und zwar dort, wo die nicht zurückgestufte Kohlenstofffaserlage 24a ausläuft.
  • Die nicht zurückgestufte Aluminiumfolie 28a des Metalllaminats 26 erstreckt sich über die Kantabschnitte der zurückgestuften Kohlenstofffaserlagen 24b bis 24j und ist über die die Glasfasermatte 36 enthaltende Klebeschicht 34 mit diesen verklebt, wodurch nur im Kantenbereich der nicht zurückgestuften Aluminiumfolie 28a eine Stufe 44 und somit nur ein Spannungssprung zwischen dem Kunststofflaminat 22 und dem Metalllaminat 26 gebildet wird. Die Aluminiumfolien 28b bis 28e und Glaserlagen 30a bis 30d sind radial von außen nach innen in eine Richtung weg von dem Kunststofflaminat 22 abgestuft.
  • Bei einem beispielhaften Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Flächengebilde 6, 8 werden HSS-Glasfasermatten und Almiuniumfolien 28a bis 28e der Legierung FR7475 gewählt, entsprechend ihrer Abstufung angeordnet und mit entsprechend ihrer Abstufung geschichteten Kohlenstofffaserlagen 24a bis 24j in einem Autoklaven bei 175°C zum Flächengebilde 6, 8 ausgehärtet. Im Bereich des Überlappstoßes 32 angeordnete Stringer 46a bis 46e werden in einem zweiten Autoklavprozess bei 175°C mit dem ausgehärteten Flächengebilde 6, 8 verklebt. Alternativ können die Stringer 46a bis 46e auch über Titan-Bolzen oder Titan-Nieten an dem Flächengebilde 6, 8 angebunden werden.
  • Offenbart ist ein Flachengebilde, insbesondere zur Verwendung als Hautfeld fur einen Flugzeugrumpf mit einem kohlenstofffaserverstärkten Kunststofflaminat und einem aluminiumbasierten Metalllaminat im Randbereich, die über eine Klebeverbindung miteinander verbunden sind und dabei elektrisch voneinander isoliert und schichtweise zurückgestuft sind, sowie eine Rumpfzelle eines Flugzeugs mit zumindest einem derartigen Flächengebilde.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Rumpfzelle
    2
    Oberschale
    4
    Unterschale
    6
    Seitenschale
    8
    Seitenschale
    10a, b, c, d
    Längsnaht
    12a, b
    Niet
    14
    Kabinenboden
    16a, b
    Stütze
    18a, b
    Aluminiumblech
    20
    Glasfaserlage
    22
    Kunststofflaminat
    24a bis 24j
    Kohlenstofffaserlage
    26
    Metalllaminat
    28a bis 28e
    Aluminiumfolie
    30a bis 30d
    Glasfaserlage
    32
    Überlappstoß
    34
    Klebeverbindung
    36
    Glasfasermatte
    38
    Außenflächenabschnitt
    40
    Außenflächenabschnitt
    42
    Stufe
    44
    Stufe
    46a bis 46e
    Stringer

Claims (8)

  1. Flächengebilde (6, 8), insbesondere zur Verwendung als Hautfeld für einen Flugzeugrumpf, mit einem Kunststofflaminat (22) aus einer Vielzahl von Kohlenstofffaserlagen (24a bis 24j), die in eine Kunststoffmatrix eingebettet sind, und mit einem metallbasierten Randbereich, dadurch gekennzeichnet, dass der Randbereich von einem Metalllaminat (26) aus einer Vielzahl von Aluminiumfolien (28a bis 28e) gebildet ist, die über jeweils eine zumindest eine Glasfaserlage (30a bis 30d) aufnehmende Harzschicht miteinander verbunden sind, wobei das Kunststofflaminat (22) und das Metalllaminat (26) einen auf einer elektrisch isolierenden Klebeverbindung (34) basierenden Überlappstoß (32) bilden und im Bereich des Überlappstoßes (32) schichtweise zurückgestuft sind.
  2. Flächengebilde nach Anspruch 1, wobei die Klebeverbindung (34) eine zumindest eine Glasfasermatte (36) enthaltende Harzschicht ist.
  3. Flächengebilde nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Kohlenstofffaserlagen (24b bis 24j) des Kunststofflaminats (22) in Richtung des Metalllaminats (26) abgestuft sind.
  4. Flachengebilde nach Anspruch 3, wobei die Aluminiumfolien (28b bis 28e) und Glasfaserlagen (30a bis 30d) in eine Richtung weg von dem Kunststofflaminat (22) abgestuft sind.
  5. Flachengebilde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Kunststofflaminat (22) und das Metalllaminat (26) in etwa eine gleiche Wandstärke aufweisen und derart zurückgestuft sind, dass eine Wandstarke im Bereich des Überlappstoßes (32) etwa der Wandstärke des Kunststofflaminats (22) und dem Metalllaminat (26) entspricht.
  6. Flugzeugrumpf mit zumindest einer Rumpfzelle (1) mit einer Vielzahl von Hautschalen (2, 4, 6, 8), die jeweils über eine Längsnaht (10a, 10b, 10c, 10d) miteinander verbunden sind, mit einer Hautschale (2) aus einem Kunststofflaminat mit einer Vielzahl von Kohlenstofffaserlagen, die in eine Kunststoffmatrix eingebettet sind und mit einer Hautschale (4) aus einem Aluminiumlaminat mit einer Vielzahl von Aluminiumblechen (18a, 18b), die uber jeweils eine zumindest eine Glasfaserlage (20) aufnehmende Harzschicht miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststofflaminat und das Aluminiumlaminat durch ein Flächengebilde (6, 8) mit einem Kunststofflaminat (22) und einem Längsnahtbereich aus einem Metalllaminat (26) nach einem der vorhergehenden Ansprüche miteinander verbunden sind.
  7. Flugzeugrumpf nach Anspruch 6, wobei das Aluminiumlaminat eine Unterschale (4), das Kunststofflaminat eine Oberschale (4) und die Flächengebilde (6, 8) zumindest abschnittsweise Seitenschalen sind.
  8. Flugzeugrumpf nach Anspruch 7, wobei die Langsnahte (10b, 10c) der Unterschale (4) in Hochrichtung (z) der Rumpfzelle (1) betrachtet unterhalb eines Kabinenbodens (14) angeordnet ist.
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