DE102011018526A1

DE102011018526A1 - Krafteinleitungsbeschlag für Leichtbaukomponenten

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Publication number: DE102011018526A1
Application number: DE102011018526A
Authority: DE
Inventors: Prof. Dr.-Ing. Emmelmann Claus; Dipl.-Ing. Frank-Michael Klaukien; Dipl.-Ing. Jannis Kranz; Eric Wycisk
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2011-04-26
Filing date: 2011-04-26
Publication date: 2012-10-31
Also published as: CA2833925A1; US20140079479A1; WO2012146648A1; EP2702278A1; EP2702278B1; CN103492728B; US9377039B2; CN103492728A

Abstract

Ein Krafteinleitungsbeschlag für Leichtbaukomponenten weist zwei Radialkrafteinleitungsflächen, mindestens eine Axialkrafteinleitungsfläche und mindestens ein Aufnahmemittel zum Lager und Krafteinleiten des Krafteinleitungsbeschlags auf. Die Radialkrafteinleitungsfläche und die Axialkrafteinleitungsfläche schließen einen Hohlraum ein. Die Radialkrafteinleitungsfläche und die Axialkrafteinleitungsfläche bilden ein einstückiges Bauteil aus. Das Aufnahmemittel ist als eine Wandung zwischen den Radialkrafteinleitungsflächen und der Axialkrafteinleitungsfläche gebildet, verläuft zumindest abschnittsweise nicht parallel zu der Axialkrafteinleitungsfläche und weist eine Lagerfläche zum Anschmiegen einer Haltefläche eines Ankerteils auf. Ein derartiger Krafteinleitungsbeschlag kann durch Anwendung eines Selective-Laser-Melting-Verfahrens hergestellt werden. Der Krafteinleitungsbeschlag ist dadurch besonders flexibel an die Belastungsbedingungen anpassbar, weist besonders vorteilhafte Materialeigenschaften und ein geringes Gewicht auf.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft einen Krafteinleitungsbeschlag für Leichtbaukomponenten, eine Leichtbaukomponente mit einem derartigen Krafteinleitungsbeschlag, ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Krafteinleitungsbeschlags, die Verwendung eines derartigen Krafteinleitungsbeschlags zum Einleiten von Kräften in ein Sandwichbauteil und ein Flugzeug mit Einbauten, die aus Leichtbaukomponenten bestehen, die mit derartigen Krafteinleitungsbeschlägen ausgestattet sind.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
In modernen Verkehrsmitteln werden für verschiedenste Einbauten, Anbauten und aerodynamische Hilfsflächen Leichtbaumaterialien eingesetzt, die neben einem geringen Gewicht auch eine ausreichende bzw. hohe Festigkeit aufweisen. Insbesondere in modernen Verkehrsflugzeugen werden innerhalb des Rumpfs zahlreiche Objekte mit Sandwichmaterialien konzipiert, die mindestens eine Kernschicht und eine, zwei oder mehr Deckschichten aufweisen. Exemplarisch zu nennen wären der Fußboden in einer Passagierkabine, ein „Crew Rest Compartment” oder Stauschränke. Bei relativ hoch belasteten Strukturbauteilen aus Leichtbaumaterialien in Sandwichbauweise sind dedizierte Krafteinleitungsstellen vorzusehen, an denen die Strukturbauteile befestigt werden können, um eine zuverlässige Übertragung von Kräften ermöglichen zu können.
Im Stand der Technik existiert keine ausreichend zuverlässige und gleichzeitig gewichtssparende Möglichkeit, konzentrierte Kräfte etwa durch eine Schraubverbindung in eine Wabenkem-(„honeycomb”)-Leichtbauplatte einzuleiten, ohne lokal an der Krafteinleitungsstelle eine massive Kernverstärkung vorzunehmen. Diese wird häufig durch Einkleben eines massiven Bauteils aus einem Verbundwerkstoff oder aus Aluminium realisiert, alternativ könnte die Übertragung von geringeren Kräften in eine Leichtbauplatte erfolgen, die einen Wabenkern aufweist, dessen Wabenzellen mit einer Wabenkernfüllmasse verspachtelt sind.
DE 3 827 279 A1 und EP 0 354 403 B1 zeigen eine als Leichtbaukomponente ausgeführte Schutzwand zum Abfangen von Lasten in einer Transportkabine eines Fahrzeuges, die an einer Aufbaustruktur des Flugzeugrumpfes über Beschläge gehalten wird. Die Beschläge weisen jeweils eine relativ große Fläche auf, die die betreffende Leichtbaukomponente abstützt.
Diese bekannten Möglichkeiten können im Zuge eines kompromisslosen Leichtbaus für derartige Leichtbaukomponenten keine bevorzugte Lösung darstellen, da die Integration von einem oder mehreren üblichen massiven Krafteinleitungsbauteilen zu einer deutlichen Gewichtserhöhung der Leichtbaukomponenten beiträgt, obwohl für die technische Realisierung nur die zu Anbindungselementen ragenden Flächen für eine Krafteinleitung in die Leichtbaukomponente ausreichen würden. Dies ist auch für Beschläge der Fall, die mit zu einem Kabinenfußboden winklig angeordneten Streben verbunden sind.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es könnte demnach als eine Aufgabe der Erfindung angesehen werden, einen Krafteinleitungsbeschlag und ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Krafteinleitungsbeschlags vorzuschlagen, der eine möglichst harmonische Krafteinleitung in Leichtbaukomponenten ermöglicht, gleichzeitig ein geringes Gewicht aufweist und kostengünstig zu fertigen ist.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung könnte darin liegen, einen derartigen Krafteinleitungsbeschlag vorzuschlagen, bei dem die übertragbare Kraft durch Modifikation des Krafteinleitungsbeschlags einstellbar ist, wobei eine derartige Modifikation möglichst kostengünstig oder kostenneutral durchgeführt werden könnte.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung könnte darin liegen, ein Flugzeug mit Einbauten vorzuschlagen, die aus Leichtbaukomponenten bestehen, welche mit besonders geringem zusätzlichem Gewicht innerhalb der Flugzeugstruktur gelagert werden können.
Die genannten Aufgaben werden durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung weist ein erfindungsgemäßer Krafteinleitungsbeschlag mindestens eine Axialkrafteinleitungsfläche, zwei Radialkrafteinleitungsflächen und mindestens ein Aufnahmemittel zum Lager der Leichtbaukomponente auf, wobei die Axialkrafteinleitungsfläche und die Radialkrafteinleitungsflächen einen Hohlraum einschließen und der erfindungsgemäße Krafteinleitungsbeschlag ein einstückiges, nicht gefügtes Bauteil ausbildet. Das Aufnahmemittel ist als eine Wandung zwischen den Radialkrafteinleitungsflächen und der Axialkrafteinleitungsfläche gebildet, verläuft zumindest abschnittsweise nicht parallel zu der Axialkrafteinleitungsfläche und weist eine Lagerfläche zum Anschmiegen einer Haltefläche eines Ankermittels auf. Der erfindungsgemäße Krafteinleitungsbeschlag weist im Bereich der Krafteinleitungsflächen wandartige Strukturen auf, die vorgegebene Wandstärken aufweisen können und nach außen durch die Krafteinleitungsflächen begrenzt werden.
Die Radialkrafteinleitungsflächen sind bevorzugt dazu eingerichtet, eine flächige, stoffschlüssige Verbindung mit der Leichtbaukomponente einzugehen, wobei eine Klebeverbindung besonders vorteilhaft ist. Durch die Auslegung der Größe und Form der Radialkrafteinleitungsflächen kann die an den Krafteinleitungsbeschlag übertragbare Kraft vorgegeben werden.
Der erfindungsgemäße Krafteinleitungsbeschlag könnte jede beliebige Form annehmen, solange Radialkrafteinleitungsflächen und eine Axialkrafteinleitungsfläche vorhanden sind, die dazu geeignet sind, Lagerkräfte von dem Aufnahmemittel an die Leichtbaukomponente zu übertragen bzw. in den Krafteinleitungsbeschlag einzuleiten. Ist die Leichtbaukomponente beispielsweise eine ebene Sandwichplatte, könnte der Krafteinleitungsbeschlag gemäß der vorliegenden Erfindung mit seinen äußeren Abmessungen an die Dicke der Sandwichplatte oder einer Kernschicht in der Sandwichplatte angepasst sein, um eine harmonische Integration des erfindungsgemäßen Krafteinleitungsbeschlags realisieren zu können. Die Axialkafteinleitungsfläche könnte weiterhin bevorzugt dazu eingerichtet sein, senkrecht zur Leichtbaukomponente aufzubringende Kräfte in eine Schubkraft zwischen der Axialkrafteinleitungsfläche und einem Schubkern der Leichtbaukomponente umzuleiten, wohingegen die Radialkrafteinleitungsflächen dazu eingerichtet sind, Druck- oder Zugkraftkomponenten, die parallel zu der Erstreckungsrichtung der Sandwichplatte gerichtet sind, harmonisch an diese zu übertragen.
Durch den umschlossenen Hohlraum ist eine gewisse Verformbarkeit des erfindungsgemäßen Krafteinleitungsbeschlags gegeben, so dass ein relativ geringer Steifigkeitssprung zwischen dem Krafteinleitungsbeschlag und der Leichtbaukomponente realisiert werden kann. Gleichzeitig wird durch den Hohlraum das Gewicht des Krafteinleitungsbeschlags auf ein geringes Maß reduziert, so dass der erfindungsgemäße Krafteinleitungsbeschlag zu einer geringstmöglichen Gewichtserhöhung der Leichtbaukomponente beiträgt.
Die Gestaltung des Aufnahmemittels ermöglicht dem erfindungsgemäßen Krafteinleitungsbeschlag besonders leicht die Aufnahme von schräg zu den Radialkrafteinleitungsflächen verlaufenden Zugkräften. Durch eine harmonische Gestaltung mit einer integrierten Wandung, die schräg zu den Axialkrafteinleitungsflächen verläuft, kann über den gesamten Krafteinleitungsbeschlag die Kraft in die Leichtbaukomponente eingeleitet werden.
Eine für die Erstreckung des Ankerteils von außerhalb des Krafteinleitungsbeschlags in den Hohlraum des Krafteinleitungsbeschlags notwendige Öffnung in einer Radialkrafteinleitungsfläche stellt neben der Funktion des Durchführen eines Aktuators überdies eine Verbindung mit einem den Krafteinleitungsbeschlag umgebenden Medium her. Hierdurch kann das Medium, zum Beispiel Luft, in den Hohlraum eindringen und einen Druckausgleich gewährleisten, was ihm die Eignung zum Einsatz in großen Höhen oder in tiefen Gewässern verleiht.
Ein an die Lagerfläche anschmiegbares Ankerteil kann ein glockenförmiges Ende aufweisen, an dessen äußerer Oberfläche die Haltefläche gebildet ist. Von diesem glockenförmigen Ende aus kann sich ein stabförmiger Körper aus dem Krafteinleitungsbeschlag nach außen erstrecken, der zum Einleiten einer Zugkraft geeignet ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Krafteinleitungsbeschlags weist die Wandung des Aufnahmemittels einen in der Öffnung mündenden Schlitz auf, so dass sich ein Ankermittel von der die Haltefläche aufweisenden Seite zu der gegenüberliegenden Seite der Wandung erstrecken kann. Die Haltefläche des Ankermittels könnte dadurch mit der Lagerfläche des Aufnahmemittels einen bündigen, anschmiegenden Kontakt auf beiden Seiten des Spalts herstellen, während sich ein stabförmiger Körper zur Aufnahme von Zugkräften durch den Schlitz hindurch erstreckt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Lagerfläche gekrümmt, so dass sich eine Tangentensteigung an der Lagerfläche von einem Wurzelbereich der Wandung zu einem Wandungsende gegenüber der Axialkrafteinleitungsfläche stetig ändert. Dies erlaubt bei entsprechend korrespondierend geformter Haltefläche an dem Ankerteil das Herstellen eines Kugelgelenkabschnitts, was letzlich zur Aufnahme von Kräften mit einer variablen Richtung relativ zu den Radialkrafteinleitungsflächen führt. Dadurch kann der erfindungsgemäße Krafteinleitungsbeschlag für mehrere Anwendungen mit unterschiedlichen Strebenwinkeln eingesetzt werden und es ist nicht für jeden Belastungsfall ein eigenständiger Krafteinleitungsbeschlag zu konstruieren.
Die bestmögliche Aufnahme einer Zugkraft wird bei senkrechter Krafteinleitung in die Lagerfläche erreicht. Zur Bewältigung eines Winkelbereichs zur Aufnahme von Zugkräften aus mehreren verschiedenen Richtungen bietet es sich an, die Lagerfläche als ein Segment einer Kugeloberfläche auszugestalten, da hier die Forderung einer senkrechten Krafteinleitung einfach zu gewährleisten ist.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Wandung des Aufnahmemittels in einem Wurzelbereich mit einer Radialkrafteinleitungsfläche verbunden. Dadurch wird eine besonders hohe Stabilität und Steifigkeit des erfindungsgemäßen Krafteinleitungsbeschlags hergestellt.
In einer ebenso vorteilhqaften Ausführungsform ist alternativ oder zusätzlich hierzu das Wandungsende des Aufnahmemittels mit der entgegengesetzten Radialkrafteinleitungsfläche verbunden, so dass sich die Wandung von einer Radialkrafteinleitungsfläche zu der davon beabstandeten Radialkrafteinleitungsfläche erstreckt, so dass für ein aufzunehmendes Ankermittel eine besonders hohe Festigkeit erreicht wird.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist der Krafteinleitungsbeschlag eine Konterfläche auf, die von der Wandung des Aufnahmemittels in radialer Richtung parallel zu mindestens einer der Radialkrafteinleitungsflächen beabstandet ist und zu der Lagerfläche gewandt ist. Ein Ende des Ankermittels könnte sich in dem Bereich zwischen der Lagerfläche und der Konterfläche befinden und durch geeignete Mittel gegen die Lagerfläche gedrängt werden, um die Verbindung nicht zu lösen. Geeignete Mittel könnten Federn oder elastische Körper oder eine Kombination daraus sein, die vor oder nach Einsetzen des Ankermittels eingebracht werden. Bei der Verwendung elastischer Körper, die etwa aus einem Elastomer oder einem anderen geeigneten Material hergestellt sind, könnte gleichzeitig die Funktion eines Stopfens zum Sichern des Ankermittels vor Herausrutschen durch Verschließen der Öffnung der Radialkrafteinleitungsfläche erfüllt werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Konterfläche zumindest abschnittsweise gegenüber der Axialkrafteinleitungsfläche geneigt. Die Neigung ist bevorzugt zumindest in einem Abschnitt zu der Lagerfläche gerichtet. Dadurch kann bei entsprechend geformtem Ankerteil eine Querschnittsverengung zwischen einem eingesetzten Ankermittel und der Konterfläche erreicht werden, durch die ein elastischer Körper etwas gequetscht und vor einem Herausfallen gesichert wird.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist eine Radialkrafteinleitungsfläche einen in der Öffnung in der Radialkrafteinleitungsfläche mündenden Ausschnitt auf, der sich von einer Seite des Aufnahmemittels radial nach außen erstreckt, die der Seite gegenüberliegt, auf der die Lagerfläche liegt. Der Ausschnitt erweitert sich mit zunehmendem Abstand von dem Aufnahmemittel. Dies erlaubt das Durchführen des Ankerteils mit unterschiedlichen Winkellagen um eine Senkrechte auf der die Öffnung aufweisenden Radialkrafteinleitungsfläche, ohne den Krafteinleitungsbeschlag zu beschädigen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist der erfindungsgemäße Krafteinleitungsbeschlag scheiben- oder dosenförmig ausgebildet. Die Höhe des erfindungsgemäßen Krafteinleitungsbeschlags könnte, wie bereits vorangehend genannt, an die Dicke der Leichtbaukomponente angepasst werden, so dass der Krafteinleitungsbeschlag beispielsweise bündig in eine etwa als Sandwichplatte ausgeführte Leichtbaukomponente integriert werden könnte. Durch die scheiben- oder dosenförmige Gestaltung könnte die Axialkraftaufnahmefläche als ein Zylindermantel ausgeführt werden, während die Radialkrafteinleitungsflächen als eine an einer Ober- und Unterseite des Zylindermantels angeordnete Kreisscheibe ausgeführt sein könnte. Die Radialkrafteinleitungsflächen können vollflächig mit der Axialkrafteinleitungsfläche in einer integralen Bauweise ohne Fügestellen verbunden sein. Durch eine derartige Ausgestaltung bleibt der Querschnitt des Hohlraums an potentiellen Knickstellen beim Beaufschlagen mit Biegekräften vollständig oder zumindest weitestgehend vollständig erhalten. Damit kann in den erfindungsgemäßen Krafteinleitungsbeschlag eine deutlich höhere Biege-, Zug- und Querkraft eingebracht werden, als dies bei einer Bauweise mit einzelnen Komponenten sonst möglich wäre.
Weiter vorteilhaft könnte der erfindungsgemäße Krafteinleitungsbeschlag einen symmetrischen Aufbau aufweisen. Die Längsachse könnte konzentrisch zu dem Aufnahmemittel angeordnet sein. Die Form der Radialkrafteinleitungsfläche und der Axialkrafteinleitungsfläche ist beliebig wählbar, es können sowohl runde als auch eckige Formen eingesetzt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung könnte der erfindungsgemäße Krafteinleitungsbeschlag eine aufgeraute Oberfläche aufweisen. Dies ermöglicht eine vorteilhafte Verklebung mit der Leichtbaukomponente, wie etwa zwischen einer Kernschicht der Leichtbaukomponente und der Axialkrafteinleitungsfläche oder zwischen einer Deckschicht der Leichtbaukomponente und einer Radialkrafteinleitungsfläche.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Krafteinleitungsbeschlags nimmt die Wandstärke des erfindungsgemäßen Krafteinleitungsbeschlags im Bereich der mindestens einen Radialkrafteinleitungsfläche radial von einer Längsache gesehen nach außen hin ab. Dadurch wird die elastische/plastische Verformbarkeit des erfindungsgemäßen Krafteinleitungsbeschlags vergrößert, so dass vermehrt Zug- und Druckkräfte in die Leichtbaukomponente geleitet werden können, beispielsweise in die Deckschichten von Sandwichplatten. Auftretende und in ein Kernelement gerichtete Querkraftschübe werden reduziert, was der Gesamtfestigkeit im Verbund zugutekommt.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Krafteinleitungsbeschlags sind Versteifungselemente im Innern des Hohlraums angeordnet und mit der mindestens einen Axialkrafteinleitungsfläche und/oder der mindestens einen Radialkrafteinleitungsfläche verbunden. Die Versteifungselemente könnten verschiedenartige Formen aufweisen und sich sowohl in einer axialen Richtung erstrecken und als massive Zwischenrippen ausgebildet sein, als auch als stäbchenförmige Versteifungselemente, die eine Fachwerkstruktur innerhalb des Hohlraums bilden. Ziel dieser Versteifungselemente ist das Verbessern der Kraftübertragung zwischen dem Aufnahmemittel und Radialkrafteinleitungsflächen und der Axialkrafteinleitungsfläche. Durch Anpassen der Art, Form und Anzahl der Versteifungselemente kann die Verformbarkeit des erfindungsgemäßen Krafteinleitungsbeschlags zumindest teilweise beeinflusst werden.
In einer bevorzugten Weiterbildung weist der erfindungsgemäße Krafteinleitungsbeschlag zwei Radialkrafteinleitungsflächen auf, die als scheibenförmige Elemente ausgebildet sind und durch eine Axialkrafteinleitungsfläche zu einer geschlossenen Oberfläche des erfindungsgemäßen Krafteinleitungsbeschlags ergänzt werden. Dadurch ist ein recht einfacher Aufbau mit einer besonders vorteilhaften einfachen Integrationsmöglichkeit in eine vorhandene Leichtbaukomponente erreicht. Durch Vorgabe der einzelnen Wandstärken des erfindungsgemäßen Krafteinleitungsbeschlags können die durch die daran angeordneten Krafteinleitungsflächen aufnehmbaren Kräfte dimensioniert werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Krafteinleitungsbeschlags ist dieser aus einem aufschmelzbaren Material gefertigt, das es ermöglicht, den Krafteinleitungsbeschlag in aufeinander aufbauenden und miteinander verbundenen Schichten zu erzeugen, wie dies weiter nachfolgend in Zusammenhang mit einem erfindungsgemäßen Herstellverfahren beschrieben wird. Hierzu eignet sich jedes aufschmelzbare Material, wie beispielsweise Kunststoff oder Metall.
Nach Abschluss des Fertigungsverfahrens kann ein zur Herstellung des Krafteinleitungsbeschlags erforderliches Granulat aus aufschmelzbarem Material aus dem Hohlraum durch die Öffnung entfernt werden, durch die sich das Ankerteil in den erfindungsgemäßen Krafteinleitungsbeschlag erstrecken würde. Wie bereits vorangehend erwähnt, kann der Krafteinleitungsbeschlag in einem generativen Schichtbauverfahren hergestellt werden. Hierbei wird Pulver oder Granulat aus aufschmelzbarem Material in Schichten aufgetragen, wobei ein Laser die Kontur des Krafteinleitungsbeschlags vorzugsweise vollständig aufschmilzt. Da durch dieses Fertigungsverfahren bedingt das nicht aufgeschmolzene Granulat bis zur Fertigstellung des Krafteinleitungsbeschlags auf einer Substratplatte verbleibt, wird dieses Granulat bei der Herstellung eines Hohlraums in diesen Hohlraum eingeschlossen und durch die Öffnung zur Minimierung des Gewichts entfernt.
Das aufschmelzbare Material könnte zumindest als ein Material aus der Gruppe, die Werkzeugstahl, Edelstahl, Stahl, Titan, Aluminium und Eisen-Kobalt-Nickel-Legierungen und Legierungen oder Mischungen dieser Materialien umfasst, z. B. Aluminium-Knetlegierungen (AlZnCu etc.), Aluminium-Legierungen mit einer höheren Festigkeit, etwa AlMgSc oder ähnliche Legierungen, realisiert werden. Durch die Verwendung dieser Materialien, die vorzugsweise ohne Binderzusätze verwendet werden, ist ein vollständiges Aufschmelzen der im Pulver verfügbaren Materialien möglich. In Folge kann sich eine ungefähr 100%ige Bauteildichte ergeben, so dass ein Krafteinleitungsbeschlag gefertigt werden kann, dessen mechanische Kennwerte weitestgehend den Spezifikationen des Materials entspricht. Dies bedeutet, dass beispielsweise bei einer Fertigung des Krafteinleitungsbeschlags aus einer Titanlegierung die der entsprechenden Titanlegierung zugrunde liegenden Kennwerte wie beispielsweise Elastizität auch dem Krafteinleitungsbeschlag zugrunde liegen können.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Krafteinleitungsbeschlag durch ein generatives Schichtbauverfahren, insbesondere durch ein Selective Laser Melting-Verfahren (auch unter der Abkürzung „SLM” bekannt) hergestellt. Hierbei wird eine Wandung ausgebildet, die einen Hohlraum des Krafteinleitungsbeschlags zumindest teilweise umschließt. Des Weiteren könnte eine Reihe von Versteifungselementen innerhalb des Hohlraums und quer zu einer Erstreckungsrichtung des Krafteinleitungsbeschlags derart ausgebildet werden, dass die Versteifungselemente zumindest Anteile von an einem Krafteinleitungsbeschlag angreifenden Biege-, Axial- und Radialkräften aufnehmen können. Zusätzlich werden die Versteifungselemente mit der Wandung einstückig ausgebildet, wobei sowohl die Wandung als auch die Versteifungselemente aus einem aufschmelzbaren Material mittels des Schichtbauverfahrens ausgebildet wird.
Der Krafteinleitungsbeschlag kann hierbei Schicht für Schicht aufgebaut werden, wobei jeweils eine Schicht aus pulverförmigem Material auf einen bereits bearbeiteten Teil des Krafteinleitungsbeschlags aufgebracht und dann lokal aufgeschmolzen werden kann, so dass sie sich beim anschließenden Erstarren mit diesem verbinden kann. Zum Beispiel mit Hilfe von Laserstrahlen können beliebige dreidimensionale Geometrien mit Hinterschneidungen erzeugt werden. Somit ist die Fertigung eines derart vorteilhaften Krafteinleitungsbeschlags möglich, der sich in konventioneller mechanischer oder gießtechnischer Fertigung nicht herstellen lässt.
In der Regel ist zur Herstellung derartiger Produkte erforderlich, dass dessen Geometriedaten dreidimensional vorliegen und als Schichtdaten verarbeitet sind. Aus den vorliegenden CAD-Daten des Bauteils werden durch sogenanntes „Slicen” zahlreiche Schichten erzeugt. Hierdurch wird ein erfindungsgemäßer Krafteinleitungsbeschlag hergestellt, dessen mechanischen Eigenschaften sämtlichen bekannten Krafteinleitungsbeschlägen überlegen sind, was die Festigkeit und das geringe Gewicht betrifft.
Um eine optimale Flächenstützung zu erhalten, wird der erfindungsgemäße Krafteinleitungsbeschlag schräg von einem Laser aufgebaut. Bei einer scheiben- oder dosenförmigen Gestaltung liegen demnach weder die Axialkrafteinleitungsfläche noch die Radialkrafteinleitungsfläche auf der Substratplatte auf.
Zur Reduktion der Herstellkosten und der Dauer des Herstellverfahrens wäre alternativ auch eine liegende Fertigung denkbar, bei der der Krafteinleitungsbeschlag nicht schräg, sondern eben auf der Substratplatte aufliegend aufgebaut wird.
Eine Leichtbaukomponente mit mindestens einem erfindungsgemäßen Krafteinleitungsbeschlag erfüllt zumindest eine der vorangehend genannten Aufgaben der Erfindung.
Ein Flugzeug mit mindestens einem Einbauobjekt, wobei das Einbauobjekt mindestens eine Leichtbaukomponente mit mindestens einem erfindungsgemäßen Krafteinleitungsbeschlag aufweist, löst ebenso eine der vorangehend genannten Aufgaben der Erfindung. Bei einem modernen Verkehrsflugzeug könnte etwa die Verkleidung eines Flügel-Rumpf-Übergangs („Belly Fairing”) über mehrere erfindungsgemäße Krafteinleitungsbeschläge an der Struktur des Flugzeugs befestigt werden. Weiterhin können viele Leichtbaukomponenten im Innern der Kabine des Flugzeugs durch erfindungsgemäße Krafteinleitungsbeschläge an der Rumpfstruktur befestigt werden, wie etwa Fußbodenplatten, Kabinendeckenverkleidungen, Monumente oder Monument-Komponenten, Trennwände und eine Vielzahl anders gearteter Innenausstattungsbauteile.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele und den Figuren. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich und in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung auch unabhängig von ihrer Zusammensetzung in den einzelnen Ansprüchen oder deren Rückbeziehungen. In den Figuren stehen weiterhin gleiche Bezugszeichen für gleiche oder ähnliche Objekte.
1a bis 1d zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Krafteinleitungsbeschlags.
2a und 2b zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Krafteinleitungsbeschlags in einer Leichtbaukomponente.
3 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
4 zeigt ein Flugzeug mit mindestens einem Einbauobjekt mit mindestens einer Leichtbaukomponente, die mindestens einen erfindungsgemäßen Krafteinleitungsbeschlag aufweist.
DETAILLIERTE DARSTELLUNG EXEMPLARISCHER AUSFÜHRUNGSFORMEN
In 1a wird eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Krafteinleitungsbeschlags 2 gezeigt, der eine dosenförmige Ausgestaltung mit einer Axialkrafteinleitungsfläche 4 sowie zwei konzentrisch zueinander angeordneten und in axialer Richtung voneinander beabstandeten Radialkrafteinleitungsflächen 6 und 8. Die Radialkrafteinleitungsflächen 6 und 8 bilden zusammen mit der Axialkrafteinleitungsfläche 4 einen integralen, geschlossenen, einstückigen Körper in Form des erfindungsgemäßen Krafteinleitungsbeschlags 2. Die einstückige Bauweise des gezeigten erfindungsgemäßen Krafteinleitungsbeschlags kann besonders vorteilhaft durch ein SLM-Verfahren erreicht werden.
Die Krafteinleitungsflächen 4, 6 und 8 umschließen einen Hohlraum, in dem zentral ein Aufnahmemittel 10 angeordnet ist, das eine Wandung 11 mit einer eine Krümmung aufweisenden Lagerfläche 12 umfasst, deren Tangentensteigung von der unteren Radialkrafteinleitungsfläche zur oberen Radialkrafteinleitungsfläche stetig abnimmt. Ein Ankerteil 14 mit einem glockenförmigen Ende 16 und einem stabförmigen Krafteinleitungskörper 18. Das Ankerteil 14 erstreckt sich durch einen Schlitz 50 in der Wandung 11 nach außen. Der stabförmige Krafteinleitungskörper 18 weist eine Haltefläche 20 auf, die mit der Lagerfläche 12 korrespondierend geformt ist. Durch die Krümmung der Lagerfläche 12 und der Haltefläche 20 kann der Krafteinleitungskörper 18 unterschiedliche Winkel α mit der oberen Radialkrafteinleitungsfläche 6 einschließen, so dass eine variable Verwendung des erfindungsgemäßen Krafteinleitungsbeschlags 2 für unterschiedliche Strebenwinkel zur Halterung eines Kabinenmonuments oder dergleichen möglich sind.
Von der Lagerfläche 12 ist eine Wandung 21 mit einer leicht geschwungenen und bereichsweise näher zu der Lagerfläche 12 gewandten Konterfläche 22 beabstandet angeordnet und umschließt zusammen mit der Lagerfläche 12 das glockenförmige Ende des Ankerteils 14. Zwischen letzterem und der Konterfläche 22 ist in der gezeigten Ausführungsform ein Stopfen 24 angeordnet, der aus einem elastischen Material gebildet ist, um das glockenförmige Ende 16 zu der Lagerfläche 12 zu drücken und dadurch vor einem Herausrutschen zu hindern. Alternativ zu diesem elastischen Körper 38 könnte auch eine Feder eingesetzt werden, wobei hierzu die Konterfläche 22 möglicherweise etwas weiter von dem Ankerteil 30 zu beabstanden wäre.
Etwas weiter links in der 1a ist ein Abschnitt einer Leichtbaukomponente 26 zu sehen, die eine Kernschicht 28 aufweist, die beispielsweise einen Wabenkern beinhaltet, sowie zwei Deckschichten 30 und 32, die die Kernschicht 28 nach außen hin abdecken. Die Leichtbaukomponente 26 weist ferner eine Aufnahmefläche 34 auf, die eine korrespondierende Formgebung mit der Axialkrafteinleitungsfläche 4 des Krafteinleitungsbeschlags 2 aufweist. Hierdurch kann sich der erfindungsgemäße Krafteinleitungsbeschlag 2 an die Leichtbaukomponente 26 anschmiegen und durch ein geeignetes Verbindungsmittel, beispielsweise einen Klebstoff, fest mit der Leichtbaukomponente 2 verbunden werden. Die Starke einer derartigen Verbindung ist maßgeblich durch die Größe der Axialkrafteinleitungsfläche 4 bzw. die damit korrespondierende Aufnahmefläche der Leichtbaukomponente 26 vorgegeben. Ein erfindungsgemäßer Krafteinleitungsbeschlag könnte demnach durch Dimensionierung der Axialkrafteinleitungsfläche 4 an eine aufzunehmende Kraft angepasst werden. Durch Verwendung eines SLM-Verfahrens zur Herstellung des erfindungsgemäßen Krafteinleitungsbeschlags 2 werden hierdurch kaum messbare Zusatzkosten erzeugt.
Der erfindungsgemäße Krafteinleitungsbeschlag 2 ist bevorzugt derart ausgestaltet, dass sich die Axialkrafteinleitungsfläche 4 in Längsrichtung des erfindungsgemäßen Krafteinleitungsbeschlags 2 über die gleiche Höhe erstreckt wie die Kernschicht 28, so dass der erfindungsgemäße Krafteinleitungsbeschlag 2 zusammen mit der Kernschicht 28 von den zwei Deckschichten 30 und 32 bündig abgedeckt werden kann. Dadurch bildet der erfindungsgemäße Krafteinleitungsbeschlag 2 ein integrales Bauteil mit der Leichtbaukomponente 26. Bevorzugt ist hierfür jede der Krafteinleitungsflächen 4, 6 und 8 mit einer angerauten Oberfläche versehen, damit eine besonders gute Haftung mit der Kernschicht 28 und den Deckschichten 30 und 32 durch ein geeignetes Verbindungsmittel erfolgen kann.
Die Belastungspfeile an den Seiten der Krafteinleitungsflächen 2, 4 und 6 zeigen beispielhaft, welche Art von Belastung bzw. Spannung der Krafteinleitungsbeschlag 2 in das Leichtbauelement 26 einleitet.
In einer Draufsicht in 1b wird ersichtlich, dass eine Öffnung 36 in der oberen Radialkrafteinleitungsfläche 6 angeordnet ist, die sich in einen sich erweiternden Ausschnitt 38 mit einem Ausschnittswinkel β erstreckt. Das Ankerteil 14 kann durch die Öffnung 36 in den erfindungsgemäßen Krafteinleitungsbeschlag 2 eingesetzt werden und erlaubt durch den Ausschnitt einen variablen Lasteinleitungswinkel einer Ebene parallel zu der oberen Radialkrafteinleitungsfläche 6. Durch den Winkelversatz kann das erfindungsgemäße Krafteinleitungselement 2 nicht nur universell für verschiedene Lastfälle eingesetzt werden, sondern auch zuverlässig vor Beschädigungen geschützt werden, die aus einer nicht präzise linearen Krafteinleitung resultieren würden.
Wie in 1c gezeigt, ist der glockenförmige Endbereich 16 des Ankerteils 14 bevorzugt teilweise hohl, so dass ein günstiges Gewicht des Ankerteils 14 erreicht wird. Nahtlos hieran erstreckt sich der stabförmige Körper 18, über den mit Hilfe von Schraubmitteln oder dergleichen eine Zugkraft eingeleitet werden kann.
Zur Einsparung von Gewicht kann, wie in 1d dargestellt, eine Reihe von Verstärkungsrippen 40 in dem glockenförmigen Endbereich 16 angeordnet werden, so dass die erforderliche Wandstärke reduzierbar ist. Das Ankerteil 14 oder zumindest der glockenförmige Endbereich 16 könnte ebenfalls mit Hilfe des SLM-Verfahrens hergestellt werden, alternativ durch ein Gußverfahren.
Sämtliche Wanddicken des erfindungsgemäßen Krafteinleitungsbeschlags 2 können zur Anpassung an die auftretenden Belastungsfälle auch variabel sein, so dass etwa die Dicken der Radialkrafteinleitungsflächen 4 und 6 radial nach außen hin abnehmen. Die Wanddicken könnten durchschnittlich beispielsweise im Bereich von 2–10% der Gesamthöhe des erfindungsgemäßen Krafteinleitungsbeschlags 2 liegen. Durch Verwendung eines SLM-Verfahrens zur Herstellung des erfindungsgemäßen Krafteinleitungsbeschlags 2 werden hierdurch keine messbaren Zusatzkosten erzeugt.
In 2a wird ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Krafteinleitungsbeschlags 42 gezeigt, bei dem der Stopfen 24 durch eine Druckfeder 44 ersetzt ist. Das Ankerteil 14 ist dabei durch eine Einführöffnung 46 in den Krafteinleitungsbeschlag 42 einsetzbar und zu der Lagerfläche 12 verschiebbar. Der Raum zwischen der Einführöffnung 46 und dem glockenförmigen Ende 16 des Ankerteils 14 dient dann zur Aufnahme der Druckfeder 44. Der Vorteil dieser Anordnung liegt in der relativ großen Verschiebbarkeit des Ankerteils zur Aufnahme von Kraftstößen an dem stabförmigen Krafteinleitungskörper 18.
2b zeigt in einer Schnittdarstellung einen Aufnahmeraum 48, in dem die Druckfeder 44 angeordnet sein wird, wenn sie durch die Einführöffnung 46 eingeführt wird. In dieser Darstellung ist die Lagerfläche 12 nicht sichtbar, denn zum Durchführen des stabförmigen Lasteinleitungskörpers 18 ist ein Schlitz 50 mittig in der Lagerfläche 12 angeordnet und der in 2b gezeigte Schnitt verläuft ebenfalls mittig entlang des Krafteinleitungskörpers 42. Dadurch wird lediglich eine Haltefläche 20 des Ankerteils 14 sichtbar.
3 zeigt die wesentlichen Schritte des erfindungsgemäßen Herstellverfahrens. Die Herstellung des erfindungsgemäßen Krafteinleitungsbeschlags erfolgt durch ein Selective-Laser-Melting-Verfahren (SLM-Verfahren). Hierbei wird durch sogenanntes „Slicen” aufgrund von vorliegenden CAD-Daten der Krafteinleitungsbeschlag mittels zahlreicher Schichten erzeugt, was zu einem einstückigen Bauteil führt.
Ein Pulver oder Granulat wird auf eine Bauplattform mit Hilfe beispielsweise eines Rakels vollflächig in einer Dicke von etwa 0,001 bis etwa 0,2 mm und bevorzugt 10 μm bis 80 μm aufgebracht 52. Die Schichten werden durch eine Ansteuerung eines geeigneten Laserstrahls entsprechend der „geslicten” Kontur der Stütze schrittweise in das Pulverbett geschmolzen 54. Eine Substratplattform wird später geringfügig abgesenkt 56 und danach eine neue Schicht des Pulvers aufgezogen. Das Pulver wird durch Anheben einer Pulverplattform oder als Vorrat in dem Rakel zur Verfügung gestellt. Der Schichtaufbau erfolgt in vertikaler Richtung. Die Energie, die vom Laser zugeführt wird, wird vom Pulver absorbiert und führt zu einem lokal begrenzten Verschmelzen von Pulverpartikeln.
Da das SLM-Verfahren bedingt, dass die einzelnen Schichten durch die Ansteuerung eines Laserstrahls in ein Pulverbett eingeschmolzen werden, verbleibt Pulver in Hohlräumen und wird nach der Fertigstellung durch entsprechende Öffnungen entfernt 58.
Als Werkstoff zur Herstellung des erfindungsgemäßen Krafteinleitungsbeschlags könnte beispielsweise eine Aluminiumlegierung AlZn6MgCu, AlZn5,5MgCu oder AlZn6CuMgZr, eine auf AlMgSc basierende Legierung, ein hochfester Stahl oder Edelstahl wie A 17Cr-4Ni-3Cu, oder etwa auch eine Titanlegierung TiAl6V4 verwendet werden.
Schließlich zeigt 4 ein Flugzeug 60, das in dem Flugzeugrumpf mehrere Einbauobjekte 62 aufweist, die mittels Leichtbaukomponenten 26 realisiert sind, wobei diese Leichtbaukomponenten jeweils beispielhaft mit mindestens einem erfindungsgemäßen Krafteinleitungsbeschlag 2, 32 bestückt sind.
Ergänzend sei darauf hinzuweisen, dass „aufweisend” keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „ein” oder „eine” keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 3827279 A1 [0004]
EP 0354403 B1 [0004]

Claims

Krafteinleitungsbeschlag (2, 42) für Leichtbaukomponenten, wobei der Krafteinleitungsbeschlag (2, 42) dosenförmig ausgebildet ist und – zwei scheibenförmige Radialkrafteinleitungsflächen (6, 8); – mindestens eine als Zylindermantel ausgeführte Axialkrafteinleitungsfläche (4) und – mindestens ein Aufnahmemittel zum Lager eines Ankerteils (14) aufweist; wobei die Radialkrafteinleitungsflächen (6, 8) und die Axialkrafteinleitungsfläche (4) einen Hohlraum einschließen; wobei der Krafteinleitungsbeschlag (2, 42) als ein einstückiges, nicht gefügtes Bauteil ausgebildet ist und wobei das Aufnahmemittel als eine Wandung (11) zwischen den Radialkrafteinleitungsflächen (6, 8) und der Axialkrafteinleitungsfläche (4) gebildet ist, zumindest abschnittsweise nicht parallel zu der Axialkrafteinleitungsfläche (4) verläuft und eine Lagerfläche (12) zum Anschmiegen einer Haltefläche (20) eines Ankerteils (14) auf.
Krafteinleitungsbeschlag (2, 42) nach Anspruch 1, ferner aufweisend eine von außerhalb des Krafteinleitungsbeschlags in den Hohlraum des Krafteinleitungsbeschlags (2, 42) reichende Öffnung (36, 46) in einer Radialkrafteinleitungsfläche (6, 8).
Krafteinleitungsbeschlag (2, 42) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Ankerteil (14) ein glockenförmiges Ende (16) aufweist, an dessen äußerer Oberfläche eine Haltefläche (20) gebildet ist.
Krafteinleitungsbeschlag (2, 42) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wandung (11) des Aufnahmemittels einen Schlitz (50) aufweist.
Krafteinleitungsbeschlag (2, 42) nach Anspruch 4 und 2, wobei der Schlitz (50) in der Öffnung (36) mündet.
Krafteinleitungsbeschlag (2, 42) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Lagerfläche (12) gekrümmt ist und sich eine Tangentensteigung an der Lagerfläche (12) von einem Wurzelbereich der Wandung (11) zu einem entgegengesetzten Ende der Wandung (11) stetig ändert.
Krafteinleitungsbeschlag (2, 42) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Lagerfläche (12) ein Segment einer Kugeloberfläche ist.
Krafteinleitungsbeschlag (2, 42) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Wurzelbereich der Wandung (11) mit einer Radialkrafteinleitungsfläche (6, 8) verbunden ist.
Krafteinleitungsbeschlag (2, 42) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend eine Konterfläche (22), die von der Wandung (11) des Aufnahmemittels in radialer Richtung parallel zu mindestens einer der Radialkrafteinleitungsflächen (6, 8) beabstandet und zu der Lagerfläche (12) gewandt ist.
Krafteinleitungsbeschlag (2, 42) nach Anspruch 9, wobei die Konterfläche (22) zumindest abschnittsweise gegenüber der Axialkrafteinleitungsfläche (4) geneigt ist.
Krafteinleitungsbeschlag (2, 42) nach Anspruch 2, wobei eine Radialkrafteinleitungsfläche (6, 8) einen in der Öffnung (36) in der Radialkrafteinleitungsfläche (6, 8) mündenden Ausschnitt (38) aufweist, der sich von einer Seite des Aufnahmemittels radial nach außen erstreckt, die der Seite gegenüberliegt, auf der die Lagerfläche (12) liegt.
Krafteinleitungsbeschlag (2, 42) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das durch ein generatives Schichtbauverfahren hergestellt ist.
Leichtbaukomponente (26), aufweisend – mindestens eine Kernschicht (28), – mindestens eine Deckschicht (30, 32) und – mindestens einen Krafteinleitungsbeschlag (2, 42) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Leichtbaukomponente (26) eine mit einer Axialkrafteinleitungsfläche (4) korrespondierend geformte Aufnahmefläche (34) zum Anschmiegen an die Axialkraftaufnahmefläche (4) des Krafteinleitungsbeschlags (2, 42) aufweist und wobei die Erstreckung des Krafteinleitungsbeschlags (2, 42) um bündigen Abdecken der Kernschicht (26) und des daran anschmiegenden Krafteinleitungsbeschlags (2, 32) eingerichtet ist.
Verwendung einer Leichtbaukomponente (26) nach Anspruch 13 in einem Flugzeug.
Verfahren zur Herstellung eines Krafteinleitungsbeschlags (2, 42) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 durch ein generatives Schichtbauverfahren, insbesondere durch ein Selective Laser Melting-Verfahren, bei dem schichtweise der Krafteinleitungsbeschlag aus einem aufschmelzbaren Material mittels des Schichtbauverfahrens aufgeschmolzen werden.
Flugzeug (60) mit mindestens einem Einbauobjekt (62), das mindestens eine Leichtbaukomponente (26) mit mindestens einem Krafteinleitungsbeschlag (2, 42) zum Lager der Leichtbaukomponente (26) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 aufweist.