DE102011085937A1

DE102011085937A1 - Leichtbaustruktur, insbesondere Flugzeugprimärstruktur oder untergeordnete Baugruppe, sowie Verfahren zu deren Herstellung

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Publication number: DE102011085937A1
Application number: DE201110085937
Authority: DE
Inventors: Robert Alexander Goehlich; Johannes Maslennikov; Alexei Vichniakov; Cihangir Sayilgan
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2011-11-08
Filing date: 2011-11-08
Publication date: 2013-05-08
Anticipated expiration: 2031-11-09
Also published as: US20130115404A1; DE102011085937B4; US9138958B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Leichtbaustruktur 16, insbesondere eine Flugzeugprimärstruktur oder untergeordnete Baugruppe. Erfindungsgemäß ist die Leichtbaustruktur 16 zumindest bereichsweise mit einer Vielzahl von verbundenen Mosaikelementen 10, 18, 28, 34 und/oder Hautmosaikelementen 64–70, 90, 92 gebildet. Die Leichtbaustruktur 16 ermöglicht unter anderem eine im Wesentlichen belastungsgerechte Anordnung der Mosaikelemente 10, 18, 28, 34 und/oder der Hautmosaikelemente 64–70, 90, 92 einschließlich der optionalen Haut 40. Hiermit lässt sich beispielsweise eine spant- und stringerfreie Flugzeugrumpfzelle mit einer signifikant höheren mechanischen Belastbarkeit bei einem zugleich verringerten Gewicht schaffen. Darüber hinaus erfordert die erfindungsgemäße Leichtbaustruktur 16 eine deutlich verringerte Anzahl von Verbindungselementen, insbesondere von Nieten oder Bolzen, wodurch sich der Montageaufwand verringert und weitere Gewichtsreduktionen ermöglicht werden. Daneben hat die Erfindung zwei Verfahrensvarianten zur Herstellung einer Leichtbaustruktur 16 zum Gegenstand. Verfahrensgemäß lassen sich auch großformatige Leichtbaustrukturen 16, wie zum Beispiel eine Flugzeugrumpfzelle oder Teilschalen 12 hiervon, prozesssicher und maßhaltig fertigen, da nur Mosaikelemente 10, 18, 28, 34 bzw. Hautmosaikelemente 64–70, 90, 92 mit relativ kleinen Abmessungen zu handhaben sind. Weitere Anwendungen der Leichtbaustruktur 16 sind unter anderem Trägerraketen, Raketenstufen, Raumstationen, Raumstationsmodule, Satelliten und Masten bzw. Türme von Windkraftanlagen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Leichtbaustruktur, insbesondere eine Flugzeugprimärstruktur oder eine untergeordnete Baugruppe.
In der klassischen Aluminiumbauweise werden Flugzeugrumpfzellen beispielsweise aus vier Teilschalen gebildet, die jeweils zu einer näherungsweise hohlzylindrischen Rumpfsektion bzw. einer "Rumpftonne" zusammengefügt werden. Aus einer Vielzahl von hintereinander angeordneten und miteinander verbundenen Rumpfsektionen wird dann die Flugzeugrumpfzelle aufgebaut. In der bekannten Schalenbauweise werden Strukturkomponenten, insbesondere Stringer, Spante, Anbindungswinkel, Häute etc., aus Leichtmetall und/oder aus Faserverbundkunststoffen zu Flugzeugrumpfzellen integriert. Alternativ sind Rumpftonnen im Wickelverfahren aus vorimprägnierten, bandförmigen Faserverbundkunststoffen (z.B. "Prepreg"-Material, Textile, Thermoset, Thermoplast etc.) herstellbar. Ferner ist es aus dem Stand der Technik bekannt, Flugzeugrumpfzellen oder ähnliche, meistens zylindrische oder konische Leichtbaustrukturen mit einem gleichmäßigen Gitternetz aus Versteifungselementen ("Isogrid") auszusteifen.
Zur Verstärkung der Flugzeugrumpfzelle werden bei der Schalenbauweise Stringer (Längsversteifungen) und Anbindungswinkel auf die Teilschalen aufgebracht und dann aufgenietet oder aufgeschweißt. Im Anschluss daran werden Spantsegmente auf der Teilschale platziert, ausgerichtet und mittels der Anbindungswinkel mit den Stringern und der Haut vernietet. Nachfolgend werden die Teilschalen zu einer Rumpftonne gefügt, indem diese jeweils einige Zentimeter zueinander überlappend unter Schaffung einer Längsnaht (Längsstoß) angeordnet und abschließend miteinander vernietet werden. Die so hergestellten Rumpftonnen werden zusammengeschoben, zueinander ausgerichtet und jeweils über Laschen unter Bildung einer Quernaht (Stumpfstoß) miteinander verbunden. Sowohl die Stringer als auch die Spante werden durch angenietete Kupplungen jeweils kraftschlüssig untereinander verbunden. Am Ende des Montageprozesses werden Halter ("A-, B- und C-Brackets") für die Systeminstallation in der Strukturmontage abhängig von den jeweiligen Kundenanforderungen an den entsprechenden Stellen der Rumpfzellenstruktur positioniert und dort befestigt.
Den konventionellen Bauweisen von Flugzeugrumpfzellen wohnt jedoch eine Vielzahl von Nachteilen inne. Infolge der überlappend ausgebildeten Längs- und Quernähte ergibt sich eine statisch unnötige Gewichtserhöhung. Darüber hinaus wird der Einsatz von neuartigen Fertigungsanlagen erschwert, die Stringer und Spante in Integralbauweise, das heißt insbesondere kupplungsfrei, montieren können, um zum Beispiel Teilschalen in großen Längen ökonomisch fertigen zu können. Diesem letztgenannten Aspekt kommt insbesondere vor dem Hintergrund des zunehmenden Einsatzes von Faserverbundkunststoffen (z.B. CFK) für Strukturbauteile von Flugzeugrumpfzellen eine herausgehobene Bedeutung zu. Der Einsatz der konventionellen Niettechnologie führt ferner zu einer Schwächung der Struktur durch die notwendigen Bohrungen, zu einem zusätzlichen Gewichtseintrag infolge der großen Anzahl der notwendigen Niete, zu Abdichtungs- und Korrosionsproblemen sowie zusätzlich zu einem hohen Fertigungsaufwand. Daneben gestaltet sich die Haltermontage in der Rumpfzelle infolge der Variationsbreite von kundenspezifischen Anpassungen komplex und in fertigungstechnischer Hinsicht zeitaufwändig und kostenintensiv.
Schließlich verlaufen insbesondere die Stringer und die (Ring-)Spante stets im Wesentlichen parallel zur Flugzeuglängsachse bzw. quer hierzu. Bei einer Flugzeugrumpfzelle in der Vierschalenbauweise sind die Schalen in Abhängigkeit vom Betriebszustand des Flugzeugs jedoch sehr unterschiedlichen mechanischen Belastungsprofilen unterworfen. So sind beispielsweise die Seitenschalen in der Regel hohen Scherspannungen unterworfen, während die Oberschale und die Unterschale mit Drucklasten beaufschlagt werden. Eine mit einer periodischen, gerasterten Abfolge von Stringern, Spanten und Haut aufgebaute Rumpfzelle vermag jedoch dem aufgezeichneten differenzierten Belastungsprofil im Betrieb eines Flugzeuges nicht gerecht zu werden. Dasselbe gilt für bekannte Verstärkungsstrukturen in anderen Technologiefeldern, wie zum Beispiel der Raumfahrt, dem Schiffbau, der Fahrzeugtechnik und der konventionellen oder der regenerativen Energietechnik.
Aus der DE 10 2006 050 534 A1 ist ein integriertes elektrisches und/oder optisches Leitungssystem für ein Flugzeug bekannt. Bei Hautfeldern aus faserverstärkten Kunststoffmaterialien ist das unmittelbare Einbetten der Leitungen in die Faserverstärkung und/oder in die umgebende Harzmatrix möglich. Die Flugzeugrumpfzelle ist jedoch in bekannter Weise mit Hautfeldern, Spanten, Stringern, Anbindungswinkeln etc. aufgebaut, die eine regelmäßige, sich periodisch wiederholende Raumstruktur darstellen.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine universelle Leichtbaustruktur zu schaffen, die eine im Wesentlichen optimale Aufnahme und Ableitung aller auftretenden Kräfte erlaubt, um eine möglichst hohe mechanische Belastbarkeit bei einem zugleich geringen Gewicht zu erzielen.
Diese Aufgabe wird zunächst durch eine Leichtbaustruktur mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Dadurch, dass die Leichtbaustruktur zumindest bereichsweise mit einer Vielzahl von verbundenen Mosaikelementen und/oder Hautmosaikelementen gebildet ist, wird vor allem eine belastungsgerechte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Leichtbaustruktur erreicht, die im Vergleich zu einer hergebrachten Leichtbaustruktur – wie zum Beispiel einer Flugzeugrumpfzelle mit regelmäßig angeordneten Versteifungselementen – ein vermindertes Gewicht bei einer zugleich erhöhten mechanischen Festigkeit aufweist. Prinzipiell können die (Haut-)Mosaikelemente eine beliebige, für sich oder im Verbund mit anderen (Haut-)Mosaikelementen statisch hinreichend belastbare, Raumform aufweisen.
Eine vorgegebene Geometrie der Leichtbaustruktur wird durch sukzessives Anordnen von Mosaikelementen und/oder Hautmosaikelementen untereinander aufgebaut. Die Mosaikelemente der Leichtbaustruktur können in ihrer Gesamtheit zum Beispiel Stringer, Spante, Anbindungswinkel, Stringer- und Spantkupplungen sowie Längsstoß- und Querstoßlaschen konventioneller Rumpfzellenstrukturen ersetzen, während die Hautmosaikelemente zusätzlich die Funktion einer herkömmlichen Rumpfzellenhaut übernehmen können. Mithilfe der Leichtbaustruktur können nicht nur eine vollständige Flugzeugprimärstruktur oder hierzu untergeordnete Flugzeugbaugruppen, wie zum Beispiel Rumpfzellen, Rumpfsektionen, Teilschalen, Tragflächen, Seitenleitwerke, Ruder, Landeklappen, Auftriebssysteme, Triebwerkspylone, Fenster- und Türrahmen, Fußböden etc. realisiert werden. Vielmehr kann die Leichtbaustruktur auf vielen anderen technischen Anwendungsgebieten, wie zum Beispiel der Raumfahrt, der Schifffahrt, des Fahrzeugbaus oder der Energietechnik in vorteilhafter Weise eingesetzt werden. So lassen sich beispielsweise Trägerraketen, Raketenstufen, Raumstationen, Raumstationsmodule, Satelliten und Masten bzw. Türme von Windkraftanlagen ganz oder teilweise mit der Mosaikleichtbaustruktur aufbauen.
Darüber hinaus eröffnet die erfindungsgemäße Mosaikleichtbaustruktur neue Möglichkeiten hinsichtlich des Toleranzausgleichs. Bei der herkömmlichen Schalenbauweise summieren sich fertigungstechnisch bedingte Einzelteiltoleranzen zu einer nachteiligen Baugruppentoleranz, wohingegen bei der Mosaikstruktur durch die feine Segmentierung der (Haut-)Mosaikelemente in Verbindung mit einer Positionskontrolle die Einzeltoleranzen der (Haut-)Mosaikelemente beim Fügen leicht kompensiert werden können. Durch die hohe Anzahl der Fügelinien, kann also im Ergebnis die Baugruppentoleranz minimiert werden. Zum Ausgleich auftretender Spalte können konventionelle oder auch weiterentwickelte Technologien, wie zum Beispiel das vollautomatisierte Shimming, Formänderungen der (Haut-)Mosaikelemente während des Aushärteprozesses etc., eingesetzt werden.
Eine Weiterbildung der Leichtbaustruktur sieht vor, dass eine Anordnung, eine Geometrie und/oder eine Größe der Mosaikelemente und der Hautmosaikelemente variieren, um eine im Wesentlichen optimale Aufnahme und Ableitung aller auftretenden Kräfte zu erzielen.
Infolge dieser belastungsgerechten Orientierung und/oder Rasterung der Mosaik- und Hautmosaikelemente können alle Kräfte von der Leichtbaustruktur optimal aufgenommen und abgeleitet werden. So kann beispielsweise eine häufig in Seitenschalen auftretende Schub-Belastung durch eine entsprechend ausgerichtete Mosaikstruktur besser aufgenommen werden. Hieraus resultieren ein erhebliches Gewichtseinsparungspotenzial und die Erhöhung der mechanischen Belastbarkeit der Leichtbaustruktur. Die Anordnung, die Geometrie und/oder die Größe der (Haut-)Mosaikelemente können beispielsweise mittels FEM ("Finite Elemente Methode") ermittelt werden. Daneben reduzieren sich die Durchlaufzeiten bei der Herstellung der Leichtbaustruktur, bei der es sich beispielsweise um eine Flugzeugrumpfzelle handeln kann, weil das aufwändige Vernieten von Stringern, Spanten, Kupplungen, Häuten etc. entfällt und beim Zusammenfügen auf Mosaikelemente bzw. Hautmosaikelemente mit einfachen, standardisierten Grundformen und/oder Größen zurückgegriffen wird.
Die Mosaikstruktur kann ferner zur Aufnahme von rumpfinternen Lasten angepasst werden, wie sie zum Beispiel durch weitere Strukturbauteile (Fußboden, Flügelkasten, Druckschilde), durch Kabinenausstattungselemente (Kabinenverkleidung, Halter, Halteschienen), technische Geräte (Strom-, Luft-, Wasserversorgung) in die Primärstruktur eingetragen werden. Ein weiterer Vorteil der Mosaikstruktur liegt in der Arbeitserleichterung bei der Installation der vorstehend genannten Baugruppen, da die Mosaikstruktur relativ leicht an einen vorgegebenen Routen- bzw. Leitungsverlauf angepasst werden kann.
Nach Maßgabe einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Leichtbaustruktur weisen die Hautmosaikelemente jeweils eine Grundfläche auf, die von einem umlaufenden Rahmen eingefasst ist.
Die Rahmen bewirken in Verbindung mit den statisch als Scheibe wirkenden Grundflächen eine hohe Eigenstabilität der Hautmosaikelemente. Die Grundflächen können eben oder zumindest bereichsweise zumindest eindimensional gekrümmt sein, so dass Leichtbaustrukturen mit einer ebenen oder mindestens einfach gekrümmten Oberflächengeometrie zusammensetzbar sind. In die Hautmosaikelemente lassen sich darüber hinaus unmittelbar technische Systemkomponenten eines Flugzeugs, wie zum Beispiel elektrische Versorgungsleitungen, elektrische Datenleitungen, optische Datenleitungen, Aktuatoren, Sensoren, Ventile, Steuer- und/oder Regeleinrichtungen, Rechnereinheiten, Wasser- und Abwassertanks, Wasser- und Abwasserrohre, Fenster- und Türrahmen, Klimatisierungskanäle, Be- oder Entlüftungsleitungen, integrieren.
Bei einer weiteren vorteilhaften Fortbildung der Leichtbaustruktur ist vorgesehen, dass mindestens ein Mosaikelement mit einem umlaufenden Rahmen gebildet ist oder mindestens ein Mosaikelement mit einer Grundfläche gebildet ist, die von einem umlaufenden Rahmen eingefasst ist.
Hierdurch ergibt sich unter anderem eine Erweiterung der Gestaltungsmöglichkeiten der Leichtbaustruktur, da diese sowohl rahmenförmige (grundflächenfreie) Mosaikelemente ohne eine Bodenfläche als auch Mosaikelemente mit einer Grundfläche beinhalten kann. Mosaikelemente, die mit einer von einem Rahmen eingefassten Grundfläche gebildet sind, lassen sich in vorteilhafter Weise vollflächig mit einer Haut verbinden, während sich durch die grundflächenfreien Rahmenmosaikelemente zum Beispiel bereichsweise durchbrochene, d. h. offene Leichtbaustrukturen schaffen lassen. Der in sich geschlossene, umlaufende Rahmen bewirkt auch ohne das Vorhandensein einer Grundfläche eine hinreichend hohe statische Eigenstabilität des Mosaikelementes.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Leichtbaustruktur sieht vor, dass die Mosaikelemente und/oder die Hautmosaikelemente zumindest bereichsweise mit einer Haut verbunden sind.
Hierdurch ergibt sich eine beträchtliche Erhöhung der Festigkeit der Leichtbaustruktur, da die Haut statisch als Scheibe über alle gruppierten Mosaikelemente und ggf. auch die Hautmosaikelemente hinweg wirkt. Die Haut kann eben und/oder zumindest bereichsweise ein- und/oder zweidimensional gekrümmt sein. Für den Fall, dass die Mosaikelemente optional eine Grundfläche aufweisen, ist deren Materialstärke bevorzugt deutlich kleiner als eine Materialstärke der Grundflächen der Hautmosaikelemente, da die Mosaikelemente bevorzugt mit einer Haut verbunden werden. Die Mosaikelemente sind jeweils untereinander und mit der Haut verbunden, wobei auch eine Verbindung zwischen den Mosaikelementen mit angrenzenden oder eingestreuten Hautmosaikelementen möglich ist. Erforderlichenfalls lassen sich Systemkomponenten mit geringen Abmessungen, insbesondere Sensoren, elektrische oder optische Leitungen, auch unmittelbar in die Haut integrieren.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Leichtbaustruktur sieht vor, dass die Grundflächen sowie die Rahmen eine vieleckige, insbesondere eine gleichseitige dreieckige, eine gleichseitige viereckige, eine gleichseitige fünfeckige, eine gleichseitige sechseckige oder eine gleichseitige siebeneckige Gestalt aufweisen.
Hierdurch wird es möglich, auch eine komplexe geometrische Leichtbaustruktur mithilfe einer Vielzahl von Mosaik- und/oder Hautmosaikelementen mit einer jeweils verhältnismäßig einfachen Grundgeometrie zusammenzusetzen. Die Rahmen verfügen jeweils über eine der Eckenzahl entsprechende Anzahl von bevorzugt geradlinigen, gleich hohen, gleich langen und gleich starken Seitenwänden, die allseitig bündig mit der Grundflächengeometrie abschließen. Einzelne Seitenwände können ggf. abschnittsweise Ausnehmungen und/oder eine reduzierte oder erhöhte Wandstärke aufweisen. Entsprechend der zu erwartenden Lasten, dienen im Wesentlichen die Rahmen als Versteifungselemente. Darüber hinaus kann eine Materialstärke der Haut in Abhängigkeit vom gegebenen Belastungsprofil lokal variieren. Alternativ können die Grundflächen bzw. die Rahmen eine ungleichmäßige vieleckige Gestalt oder eine vieleckige Umfangskontur aufweisen, bei der zum Beispiel mindestens eine Seite zumindest abschnittsweise nach innen und/oder außen gekrümmt verläuft.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Leichtbaustruktur sieht vor, dass zwischen mindestens zwei benachbarten Mosaikelementen und der Haut mindestens ein Halter angeordnet ist.
Hierdurch wird eine integral zur Leichtbaustruktur ausgebildete Anbindung für Systemkomponenten geschaffen. Das aufwändige Befestigen der bislang in großer Anzahl und Variantenvielfalt notwendigen Halter für die Systemkomponenten im Zuge der technischen Ausrüstung der Rumpfzelle ("A-, B-, C-Brackets") entfällt. Zur Integration eines Halters mit einer beispielsweise T-förmigen Querschnittsgeometrie können die Grundflächen von zwei aneinander stoßenden Mosaik- oder Hautmosaikelementen im Bereich der Rahmen angeschrägt bzw. leicht nach oben geneigt ausgeführt sein. Hierdurch bildet sich ein Zwickel zur hohlraumfreien Aufnahme mindestens eines Halterfußes mit korrespondierender Querschnittsgeometrie. Ein Rahmen mindestens eines Mosaik- oder Hautmosaikelementes kann darüber hinaus so ausgeführt sein, dass er zugleich als Halter dienen kann. Die Halter können mit einem duroplastischen oder thermoplastischen Faserverbundkunststoff und/oder mit einem Leichtmetall gebildet sein.
Nach Maßgabe einer Weiterentwicklung der Leichtbaustruktur ist auf mindestens zwei benachbarten Seitenwänden von mindestens zwei Mosaikelementen mindestens ein Versteifungselement angeordnet und/oder mindestens eine Leitung verläuft zwischen mindestens zwei Seitenwänden.
Hierdurch kann die mechanische Belastbarkeit der Leichtbaustruktur weiter erhöht werden. Das Versteifungselement kann zum Beispiel ein Versteifungsprofil mit einer U-förmigen Querschnittsgeometrie sein. Bei den Leitungen handelt es sich bevorzugt um elektrische Leitungen und/oder optische Leitungen mit kleinem Querschnitt.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Leichtbaustruktur ist vorgesehen, dass mindestens zwei benachbarte Hautmosaikelemente mittels mindestens eines Verbindungselementes, insbesondere mindestens eines Nietes und/oder mindestens einer Bolzenverbindung, zusammengefügt sind.
Hierdurch wird eine einfache Verbindung zwischen beispielsweise zwei teilschalenförmigen Leichtbaustrukturen, die ihrerseits wieder aus Hautmosaikelementen aufgebaut sind, analog der konventionellen Schalenbauweise einer Flugzeugrumpfzelle unter Schaffung von Längs- und/oder Quernähten ermöglicht. Hieran angrenzende Mosaikelemente können entsprechend angebunden sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Leichtbaustruktur ist auf mindestens zwei benachbarten Seitenwänden von mindestens zwei Hautmosaikelementen mindestens ein Versteifungselement angeordnet.
Das Versteifungselement kann beispielsweise mit einem Versteifungsprofil gebildet sein, das über eine U-förmige Querschnittsgeometrie verfügt. Das Versteifungsprofil umgreift beide Seitenwände von oben und ist mit diesen fest verbunden.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Leichtbaustruktur sieht vor, dass mindestens zwei Seitenwände von mindestens zwei Mosaikelementen und/oder zwei Hautmosaikelementen zumindest bereichsweise formschlüssig zusammenfügbar sind.
Hierdurch wird ein präzises Zusammensetzen bzw. Zusammenstecken der Leichtbaustruktur aus den (Haut-)Mosaikelementen ermöglicht. Der Formschluss kann zum Beispiel mittels einer Nut- und Federverbindung realisiert werden, die auch einrastend ausgebildet sein kann, um das unkontrollierte Lösen der zusammengefügten Haut- oder Mosaikelemente zu verhindern. Durch den zumindest bereichsweisen Formschluss wird darüber hinaus das Ausrichten der Mosaik- oder Hautmosaikelemente bei der Montage vereinfacht.
Bei einer Weiterentwicklung der Leichtbaustruktur sind mindestens zwei formschlüssig zusammengefügte Seitenwände von mindestens zwei benachbarten Mosaikelementen und/oder Hautmosaikelementen mittels mindestens eines Verbindungselementes, insbesondere mindestens eines aufsteckbaren Klemm-Rastelementes, lagefixierbar.
Hierdurch wird eine durch den Formschluss zwischen den (Haut-)Mosaikelementen erreichte Lage zusätzlich kraftschlüssig gesichert.
Eine weitere Ausführungsvariante der Leichtbaustruktur sieht vor, dass das Klemm-Rastelement mindestens einen Halter zur Aufnahme mindestens einer Systemkomponente, insbesondere mindestens einer Leitung, aufweist.
Hierdurch können Systemkomponenten mit Hilfe des Klemm-Rastelements an die Leichtbaustruktur angebunden werden.
Die Mosaikelemente, die Hautmosaikelemente sowie die Haut der erfindungsgemäßen Leichtbaustruktur sind mit einem duroplastischen und/oder thermoplastischen Faserverbundkunststoff und/oder mit einem Leichtmetall gebildet.
Infolge der Materialinvarianz der erfindungsgemäßen Leichtbaustruktur kann diese mittels unterschiedlichster Herstellungsprozesse verfahrensökonomisch und in einer großen Variantenvielfalt gefertigt werden. Als Faserverbundkunststoffe kommen insbesondere kohle- oder glasfaserarmierte Thermoplaste und/oder Duroplaste (insb. Epoxidharze) in Betracht. Alternativ können Kevlar^®-Fasern, Aramid^®-Fasern oder auch Naturfasern zur Armierung benutzt werden. Als Leichtmetalle können insbesondere Aluminiumlegierungen, Titanlegierungen, Magnesiumlegierungen, ggf. Edelstahllegierungen oder eine Kombination von mindestens zwei der erwähnten Legierungen Verwendung finden. Alternativ können die Mosaikelemente, die Hautmosaikelemente sowie die Haut mit einem Schaummaterial, insbesondere einem Schaumkunststoff oder einem Metallschaum, gebildet sein.
Darüber hinaus wird die Aufgabe der Erfindung gemäß Patentanspruch 14 durch ein Verfahren zur Herstellung einer im Wesentlichen mit einem duroplastischen Faserverbundkunststoff gebildeten Leichtbaustruktur, insbesondere einer Leichtbaustruktur nach Maßgabe eines der Patentansprüche 1 bis 14, mit den folgenden Schritten gelöst:

a) zumindest bereichsweises Anordnen einer Vielzahl von unausgehärteten Mosaikelementen auf einer unausgehärteten oder einer ausgehärteten Haut und/oder Anordnen von unausgehärteten Hautmosaikelementen und/oder Anordnen von unausgehärteten Mosaikelementen zum schrittweisen Vervollständigen einer vorgegebenen räumlichen Geometrie der Leichtbaustruktur, die alle auftretenden Kräfte im Wesentlichen optimal aufnimmt und ableitet, und
b) währenddessen oder danach Aushärten der Mosaikelemente und/oder der Haut und/oder der Hautmosaikelemente zur Fertigstellung der Leichtbaustruktur.
c)

Hierdurch lässt sich auch eine großformatige Leichtbaustruktur fertigungsökonomisch aus vorgefertigten Mosaikelementen und mindestens einer Haut und/oder mit vorfabrizierten Hautmosaikelementen aufbauen. Das erfindungsgemäße Mosaikkonzept gewährleistet darüber hinaus eine einfache Handhabung der zu fügenden Komponenten, die mit einer hohen Prozesssicherheit und Maßhaltigkeit einhergeht. Bei den hier gegenständlichen Aushärteverfahren (z.B. "Co-Curing" und "One-Shot-Curing") werden die Komponenten in der Regel aus einem (weichen, unausgehärteten) Prepreg-Material, insbesondere einem kohlefaserverstärkten Epoxidharz, vorgefertigt. Die unausgehärteten Komponenten ermöglichen einen einfachen und effektiven Ausgleich von etwaigen Maß- und Toleranzabweichungen und lassen zudem eine mechanisch hochbelastbare Verbindung der Komponenten untereinander durch einen Klebeprozess entstehen. In einer Verfahrensvariante können im Verfahrensschritt a) die vorgefertigten, ausgehärteten Mosaikelemente anstelle von unausgehärteten Mosaikelementen auch auf einer unausgehärteten Haut platziert werden. Vor dem Aushärten im Verfahrensschritt b) können ferner Zusatzkomponenten, wie Halter, Versteifungselemente, Fensterrahmen, Türrahmen, elektrische Leitungen ("ESN = Elektrical Structure Network"), optische Leitungen, Sensoren, Aktuatoren, Blitzschutz, Kabinenelemente etc. zwischen die Mosaikelemente sowie die Haut und/oder zwischen die Hautmosaikelemente eingebracht werden. Nach dem Verfahrensschritt b) kann eine Vielzahl von Nachbearbeitungsschritten, wie zum Beispiel das Entformen, das Entgraten, das Schleifen, das Lackieren und das Polieren der Leichtbaustruktur durchgeführt werden. Darüber hinaus kann sich eine Materialprüfung ("NDT = Non Destructive Testing") sowie eine technische Ausrüstung der Leichtbaustruktur mit Systemkomponenten aller Art anschließen.
Ferner wird die Aufgabe der Erfindung gemäß Patentanspruch 15 durch ein Verfahren zur Herstellung einer mit einem thermoplastischen und/oder mit einem ausgehärteten duroplastischen Faserverbundkunststoff und/oder mit einem Leichtmetall gebildeten Leichtbaustruktur, insbesondere einer Leichtbaustruktur nach Maßgabe eines der Patentansprüche 1 bis 14, mit den folgenden Schritten gelöst:

a) zumindest bereichsweises Anordnen einer Vielzahl von Mosaikelementen auf einer Haut und/oder Anordnen von Hautmosaikelementen und/oder Anordnen von Mosaikelementen zum schrittweisen Vervollständigen einer vorgegebenen räumlichen Geometrie der Leichtbaustruktur, die alle auftretenden Kräfte im Wesentlichen optimal aufnimmt und ableitet, und
b) währenddessen oder danach Zusammenfügen der Mosaikelemente und der Haut und/oder der Hautmosaikelemente, insbesondere durch Kleben, Kaltschweißen, Schweißen, Löten, Nieten, Verbolzen, Rasten, Klemmen, Pressen, Verstemmen, Bördeln oder eine Kombination von mindestens zwei der genannten Fügetechniken, zur Fertigstellung der Leichtbaustruktur.

Die im Fall dieser Verfahrensvariante vollständig ausgehärteten bzw. bei Raumtemperatur festen Haut- und Mosaikelemente sowie die Haut lassen sich im Vergleich zu unausgehärteten Komponenten einerseits fertigungstechnisch einfacher handhaben, erfordern andererseits jedoch eine optimierte Kompensation von etwaigen Toleranz- und Maßabweichungen, insbesondere mittels eines der weiter oben bereits erläuterten neuartigen Toleranzausgleichsverfahren. Das Anordnen und Zusammenfügen der in dieser Verfahrensvariante ausgehärteten Mosaikelemente sowie der Haut und/oder der Hautmosaikelemente erfolgt mit Hilfe geeigneter Stützwerkzeuge. Lediglich der eigentliche Fügeprozess erfolgt nach Maßgabe des "Co-Bonding"-Verfahrens. Im Fall von thermoplastischen Faserverbundkunststoffen kann das Fügen beispielsweise durch Verschweißen erfolgen, während duroplastische FVK (Faserverbundkunststoff) bevorzugt verklebt werden. Das Zusammensetzen kann alternativ auch durch einen zumindest bereichsweisen Formschluss zwischen jeweils zwei benachbarten Seitenwänden von mindestens zwei Mosaikelementen und/oder Hautmosaikelementen erleichtert werden. In Kombination mit einer Lagefixierung durch auf die Seitenwände aufsteckbare Klemm-Rastelemente ergibt sich eine feste Fügung zwischen den (Haut-)Mosaikelementen. Insbesondere für den Fall, dass die Mosaik- oder Hautmosaikelemente sowie die Haut nicht durch Verkleben oder Verschweißen gefügt werden, kann es notwendig sein, zusätzliche Dichtmittel vorzusehen.
Das Zusammenfügen der (Haut-)Mosaikelemente kann zumindest teilweise auch während des Gruppierens erfolgen. Dies kann zum Beispiel durch das Einschweißen von später einzufügenden (Haut-)Mosaikelementen in eine zumindest bereichsweise ausgehärtete Mosaikstruktur erfolgen.
Abgesehen von den beiden, exemplarisch aufgezeigten Verfahrensvarianten ist eine Vielzahl von Vorgehensweisen – jeweils in Abhängigkeit von den im Einzelfall eingesetzten Werkstoffen – möglich, um die Hautmosaikelemente und/oder die Mosaikelemente sowie gegebenenfalls mindestens eine Haut zu einer fertigen Leichtbaustruktur zusammenzufügen.
In der Zeichnung zeigt:
1 eine perspektivische Ansicht von Mosaikelementen mit einer Grundfläche mit einer jeweils unterschiedlichen Geometrie und Größe,
2 eine isometrische Ansicht einer mit solchen Mosaikelementen aufgebauten Teilschale einer Flugzeugrumpfzelle als ein mögliches Beispiel für eine Leichtbaustruktur,
3 eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines sechseckigen Mosaikelements mit einer Grundfläche,
4 eine vereinfachte perspektivische Ansicht von drei zusammengefügten Mosaikelementen mit Grundflächen,
5 eine Querschnittsdarstellung entlang der Schnittlinie V-V in der 4 mit einem integrierten Halter zur Anbindung von Systemkomponenten,
6 eine Querschnittsdarstellung entlang der Schnittlinie VI-VI in der 4 mit einem Versteifungselement,
7 eine Querschnittsdarstellung entlang der Schnittlinie VII-VII in der 4 mit einer Leitung,
8 eine schematisierte perspektivische Ansicht von zwei Gruppen von Hautmosaikelementen, die jeweils drei miteinander verbundene Hautmosaikelemente umfassen,
9 eine Querschnittsdarstellung entlang der Schnittlinie IX-IX in der 8 mit einem Verbindungselement und einem fakultativen Versteifungselement,
10 eine Gruppe von vier bereits formschlüssig verbundenen Hautmosaikelementen mit einem noch anzufügenden Hautmosaikelement,
11 eine Querschnittsdarstellung im Bereich des Ausschnittes X gemäß 10 mit den zwei noch nicht verbundenen Mosaikelementen und einem offenen Klemm-Rastelement, und
12 eine Querschnittsdarstellung der zwei durch Formschluss und mittels eines aufgerasteten Klemm-Rastelementes verbundenen Mosaikelemente gem. 11.
In der Zeichnung weisen dieselben konstruktiven Elemente jeweils dieselbe Bezugsziffer auf.
Die 1 illustriert eine perspektivische Ansicht auf eine Vielzahl von unterschiedlichen Mosaikelementen 10, aus denen eine Leichtbaustruktur mit einer beliebigen Raumform zusammengesetzt werden kann.
Die Mosaikelemente 10 können, wie exemplarisch dargestellt, eine dreieckige, eine viereckige, fünfeckige oder sechseckige Geometrie aufweisen und/oder unterschiedlich groß ausgebildet sein. Auch mehr als sechseckige Geometrien der Mosaikelemente sind möglich. Allen Mosaikelementen ist gemeinsam, dass sie einen hier nicht bezeichneten Rahmen aufweisen, der eine optionale, gleichfalls nicht bezeichnete, vieleckige Grundfläche einfasst. Der Rahmen kann beispielsweise eine rechteckförmige Querschnittsgeometrie aufweisen.
Ferner können nicht dargestellte rahmenförmige Mosaikelemente zumindest bereichsweise innerhalb der Leichtbaustruktur vorgesehen sein. Diese rahmenförmigen Mosaikelemente weisen keine Grundfläche auf und sind nur mit einem beispielsweise gleichmäßigen oder ungleichmäßigen vieleckigen, umlaufenden Rahmen mit einer beispielsweise rechteckförmigen Querschnittsgeometrie gebildet. Andere Rahmengeometrien wie zum Beispiel ungleichmäßige Vielecke mit ggf. mindestens einer zumindest abschnittsweise nach innen oder außen gekrümmten Seite sind gleichfalls möglich. Der Rahmen ist so beschaffen, dass er zumindest im Verbund mit anderen grundflächenfreien Mosaikelementen eine hinreichende mechanische Belastbarkeit erreicht. Prinzipiell kann die erfindungsgemäße Leichtbaustruktur mit einer beliebigen Kombination aus Mosaikelementen mit oder ohne Grundfläche und/oder mit Hautmosaikelementen mit einer verdickten bzw. verstärkten Grundfläche aufgebaut sein. Zumindest die Mosaikelemente mit oder ohne Grundfläche können zumindest bereichsweise zusätzlich mit einer Haut versehen sein.
Der Rahmen ist mit einer der jeweiligen Eckenzahl entsprechenden Anzahl von bevorzugt gleichlangen Seitenwänden gebildet. Der umlaufende Rahmen kann gegebenenfalls Ausnehmungen und/oder Unterbrechungen aufweisen. Die Grundflächen der Mosaikelemente 10 können eben oder mindestens eindimensional gekrümmt ausgebildet sein. Die Mosaikelemente 10 können eine Grundfläche mit variierender Materialstärke und/oder integrierten Versteifungselementen aufweisen. Hautmosaikelemente verfügen demgegenüber über eine zumindest bereichsweise verdickte Grundfläche, bei ansonsten gleichem Aufbau. Mit derartigen Hautmosaikelementen kann eine vollständige Flugzeugrumpfzelle aufgebaut werden, bei der keine Spanten, Stringer, Anbindungswinkel oder Häute bzw. Hautfelder mehr vorhanden sind. Zum Aufbau einer Leichtbaustruktur kommt eine begrenzte Auswahl von Mosaik- oder Hautmosaikelementen unterschiedlicher Geometrie und/oder Größe zum Einsatz, um den Fertigungsaufwand in vertretbaren Grenzen zu halten.
Die Mosaikelemente 10 oder Hautmosaikelemente sind insbesondere mit vorgefertigten thermoplastischen und/oder mit duroplastischen Faserbundkunststoffen und/oder mit Leichtmetallen gebildet. Die mit einem duroplastischen FVK gebildeten (Haut-)Mosaikelemente können ausgehärtet oder lediglich mit einem "Prepreg"-Material, d. h. mit einem nicht ausgehärteten duroplastischen FVK gefertigt sein. Alternativ können trockene Faservorformlinge zum Einsatz kommen, die erst nach dem Zusammensetzen der Leichtbaustruktur mit einem duroplastischen oder thermoplastischen Kunststoff infiltriert werden. Als Leichtmetalle kommen insbesondere Aluminiumlegierungen, Titanlegierungen oder eine beliebige Kombination hiervon in Betracht. In Abhängigkeit von der Materialkombination kann eine Vielzahl von Fügeverfahren während oder nach dem Zusammensetzen der Leichtbaustruktur aus den (Haut-)Mosaikelementen zum Einsatz kommen.
Die 2 zeigt eine Teilschale 12 einer hier lediglich angedeuteten Flugzeugrumpfzelle 14 als ein Beispiel für eine Leichtbaustruktur 16, die mit einer Vielzahl von zusammengefügten bzw. zusammengesetzten Mosaikelementen 10 aufgebaut ist. Die Mosaikelemente 10 weisen hier jeweils exemplarisch eine nicht bezeichnete Grundfläche auf, die mit einer gleichfalls nicht mit einer Bezugsziffer versehenen Haut der Teilschale 12 verbunden ist. Die Geometrie und/oder die Größe der Mosaikelemente 10 sind so gewählt, dass die Leichtbaustruktur eine optimale Aufnahme und Ableitung aller auftretenden Kräfte ermöglicht und die Mosaikelemente hierbei einer vorgegebenen Sollgeometrie möglichst genau folgen. Aus dem Mosaikaufbau der Leichtbaustruktur 16 resultiert unter anderem eine, im Vergleich zu vorbekannten Leichtbaustrukturen deutlich höhere Festigkeit bei einem zugleich reduzierten Gewicht.
Grundsätzlich kann mittels der Leichtbaustruktur 16 auch eine vollständige Flugzeugprimärstruktur, einschließlich der Tragflächen, des Höhenleitwerks, des Seitenleitwerks und anderer Komponenten, abgebildet werden. Darüber hinaus ist die Leichtbaustruktur 16 nicht auf Anwendungen in der Luftfahrt begrenzt.
Die 3 zeigt exemplarisch eine vergrößerte Ansicht eines sechseckigen Mosaikelementes mit Grundfläche.
Ein gleichseitiges sechseckiges Mosaikelement 18 (Polygon) ist mit einer Grundfläche 20 gebildet, die von einem Rahmen 22 einfasst ist. Der sechseckige Rahmen 22 ist mit einer Vielzahl von gleichlangen Seitenwänden aufgebaut – von denen lediglich eine Seitenwand 24 repräsentativ für die übrigen mit einer Bezugsziffer versehen ist. Die Seitenwände bzw. der hieraus aufgebaute Rahmen 22 begrenzt zusammen mit der Grundfläche 20 eine sechseckige muldenartige Vertiefung 26. Die Seitenwände der Mosaikelemente innerhalb der Leichtbaustruktur verlaufen im Wesentlichen in Richtung der aufzunehmenden und abzuleitenden mechanischen Lasten. Die Geometrie, Größe und/oder Anordnung der Mosaik- und Hautmosaikelemente kann beispielsweise mit der FEM ("Finite Elemente Methode") numerisch ermittelt werden. Das gezeigte Mosaikelement 18 wird bevorzugt unterseitig mit einer hier nicht dargestellten Haut verbunden, um zum Beispiel eine Rumpfzelle eines Flugzeugs aufbauen zu können.
Die 4 veranschaulicht das Zusammensetzen einer Leichtbaustruktur exemplarisch anhand von drei gleichseitigen sechseckigen Mosaikelementen. Die hier der besseren zeichnerischen Übersicht halber nicht individuell bezeichneten sechs Seitenwände der jeweiligen Rahmen 22, 32, 38 der drei Mosaikelemente 18, 28, 34 sind mittels eines geeigneten Fügefahrens zu einer beispielsweise honigwabenartigen Struktur verbunden. Zur Schaffung einer großformatigen Leichtbaustruktur, wie zum Beispiel einer Teilschale, wird eine Vielzahl von Mosaikelementen angeordnet und zusammengefügt. Das Fügen kann zum Beispiel durch gemeinsames Aushärten der mit einem aushärtbaren duroplastischen FVK (Prepreg-Material) gebildeten Mosaikelemente 18, 28, 34 erfolgen, nachdem diese entsprechend gruppiert wurden. Die sechseckigen Grundflächen 20, 30, 36 sind darüber hinaus hier unterseitig mit einer Haut 40 zur Schaffung der als Beispiel dienenden Teilschale 12 verbunden. Die Haut 40 dient unter anderem zur mechanischen Stabilisierung der gefügten Mosaikelemente 18, 28, 34 sowie zur Aufnahme eines Kupfergewebes ("Mesh") zum Blitzschutz ("LSP = Lightning Strike Protection") im Fall von Komponenten aus FVK. Durch das Zusammensetzen einer großen Anzahl von Mosaikelementen unterschiedlicher Geometrie (Eckenzahl) und/oder Größe kann die Teilschale 12 in beliebiger Größe und Raumform hergestellt werden. Anstelle der Mosaikelemente 18, 28, 34 können Hautmosaikelemente eingesetzt werden, so dass die Haut 40 entbehrlich ist. Weiterhin können grundflächenfreie, rahmenförmige Mosaikelemente zum Aufbau der Leichtbaustruktur verwendet werden, was jedoch eine Haut mit erhöhter Materialstärke erfordert.
Die 5 zeigt in einer vereinfachten Querschnittsdarstellung entlang der Schnittlinie V-V in der 4 die Integration eines Halters.
Zwischen den Rahmen 22, 32 ist ein Halter 42 mit einer hier näherungsweise T-förmigen Querschnittsgeometrie, beispielsweise zur Anbindung einer Systemkomponente angeordnet. Anstelle des Halters 42 oder zusätzlich zu diesem kann ein beliebiges Versteifungselement zwischen den Mosaikelementen 18, 28 und der Haut 40 eingebettet werden. Im Bereich der Ränder 22, 32 der Mosaikelemente 18, 28 sind die Grundflächen 20, 30 zur hohlraumfreien Aufnahme eines Halterfußes 44 jeweils schräg nach oben verlaufend bzw. geneigt ausgeführt. Die Haut 40 bedeckt sowohl den Halterfuß 44 als auch nicht bezeichnete Unterseiten der Mosaikelemente 18, 28. Der Halter 42 kann mit einem beliebigen FVK und/oder mit einem Leichtmetall gebildet sein.
Die 6 zeigt eine Querschnittsdarstellung entlang der Schnittlinie VI-VI in der 4 mit einem Versteifungselement.
Auf zwei nicht bezeichneten Seitenwänden der Rahmen 32, 38 der Mosaikelemente 28, 34, die verbunden bzw. zusammengefügt sind, ist zumindest abschnittsweise ein Versteifungselement 46 mit einer hier exemplarisch U-förmigen Querschnittsgeometrie angeordnet. Das Versteifungselement 46 kann mittels beliebiger Fügeverfahren mit den Seitenwänden verbunden sein. Beispielsweise kann das Versteifungselement 46 mit den Seitenwänden verklebt, verschweißt, vernietet oder verbolzt sein. Zur weiteren Erhöhung der mechanischen Belastbarkeit der mosaikartig aufgebauten Leichtbaustruktur sind die Grundflächen 30, 36 der Mosaikelemente 28, 34 unterseitig über die Haut 40 verbunden.
Die 7 illustriert eine schematische Querschnittsdarstellung entlang der Schnittlinie VII-VII in der 4 und zeigt die Integration einer Leitung, insbesondere einer elektrischen oder optischen Leitung, in die Leichtbaustruktur. Um eine im Idealfall hohlraumfreie Integration der Leitung 48 zu ermöglichen, weisen die aneinanderstoßenden und verbundenen Seitenwände der Rahmen 22, 38 jeweils eine nicht bezeichnete Nut auf, deren Querschnittsgeometrie zusammen möglichst exakt einer Querschnittsgeometrie der aufzunehmenden Leitung 48 entspricht. Die Nuten bilden gemeinsam hier eine sechseckige Querschnittsgeometrie ab, die eine im Idealfall hohlraumfreie Aufnahme bzw. Integration der Leitung 48 erlaubt. Zur weiteren Erhöhung der mechanischen Belastbarkeit der mosaikartig aufgebauten Leichtbaustruktur sind die Grundflächen 20, 36 der Mosaikelemente 28, 34 ebenfalls mit der Haut 40 verbunden.
Die in den 5 bis 7 exemplarisch illustrierten Optionen zur Integration eines Halters, eines Versteifungselementes und einer Leitung in die Leichtbaustruktur können erforderlichenfalls auch miteinander kombiniert werden.
Die 8 zeigt einen schematischen Ausschnitt von zwei Leichtbaustrukturen, die hier exemplarisch als nicht vollständig dargestellte Teilschalen einer Flugzeugrumpfzelle ausgebildet sind.
Zwei Teilschalen 60, 62 sind hier mit einer Vielzahl von miteinander verbundenen Hautmosaikelementen aufgebaut, von denen hier jeweils nur drei Hautmosaikelemente dargestellt sind. Im Unterschied zu den "einfachen" Mosaikelementen, insb. nach Maßgabe der 3 bis 7, verfügen insbesondere die Grundflächen der Hautmosaikelemente über eine so hohe Eigensteifigkeit, dass eine hieraus zusammengesetzte Leichtbaustruktur auch ohne Haut eine ausreichende mechanische Belastbarkeit erreicht. Lediglich zwei sechseckige Hautmosaikelemente 64, 66 und zwei dreieckige Hautmosaikelemente 68, 70 sind hier stellvertretend für die übrigen, nicht eingezeichneten Hautmosaikelemente, dargestellt.
Eine Materialstärke der nicht bezeichneten Grundflächen der Hautmosaikelemente ist so bemessen, dass die zu den Teilschalen 60, 62 zusammengefügten Hautmosaikelemente zusätzlich die statische Funktion der Haut einer klassischen Flugzeugrumpfzelle mit übernehmen können. Aufgrund der fehlenden Haut ist der ggf. notwendige Blitzschutz direkt in die Grundflächen der Hautmosaikelemente integriert. Die dreieckigen Hautmosaikelemente 68, 70 sind jeweils in Zwischenräume zwischen den sechseckigen Hautmosaikelementen 64, 66 eingepasst, derart, dass sich eine geradlinige, gedachte Fügelinie 72 einstellt. Beidseitig der Fügelinie setzt sich die Anordnung der Hautmosaikelemente 64–70 periodisch fort. Entlang dieser Fügelinie 72 können die Teilschalen 60, 62 dann unter Schaffung von Längs- und/oder Quernähten – analog zur konventionellen Schalenbauweise einer Flugzeugrumpfzelle – mittels geeigneter, konventioneller Fügeverfahren bevorzugt überlappungsfrei verbunden werden. Die 8 stellt lediglich exemplarisch eine "lineare" Verbindung zwischen den Teilschalen 60, 62 dar. Alternativ sind auch gekrümmte Verbindungslinien zwischen mindestens zwei Teilschalen möglich, wenn die Umfangskonturen der Hautmosaikelemente einen entsprechend gekrümmten Verlauf aufweisen.
Die 9 zeigt eine Querschnittsdarstellung entlang der Schnittlinie IX-IX in der 8.
Zwei Seitenwände 74, 76 von nicht bezeichneten Rahmen der beiden Hautmosaikelemente 64, 66 sind auf Stoß zusammengefügt bzw. miteinander verbunden. Das Fügen kann – in Abhängigkeit von der Materialzusammensetzung der Hautmosaikelemente 64, 66 – mittels geeigneter Fügetechniken, wie zum Beispiel Kleben oder Schweißen erfolgen. Alternativ können beispielsweise auch zwei aus einem nicht ausgehärteten duroplastischen FVK (Prepreg-Material) gebildete Hautmosaikelemente 64, 66 zum Beispiel unter Einsatz geeigneter Formwerkzeuge sowie unter der Anwendung von Druck und/oder Temperatur ausgehärtet und hierdurch verbunden werden. Eine unterseitig mit den Hautmosaikelementen 64, 66 verbundene Haut ist aufgrund der hohen Eigenstabilität der Hautmosaikelemente 64, 66 hier nicht mehr notwendig. Hierdurch ergibt sich unter anderem eine erhebliche Fertigungsvereinfachung bei der Herstellung von Leichtbaustrukturen aus Hautmosaikelementen. Die Seitenwände 74, 76 sind mittels eines Verbindungselementes, insbesondere mindestens eines Bolzens und/oder mindestens ein Nietes 78, verbunden, um insbesondere die mechanische Belastbarkeit sowie die Ausfallsicherheit der Verbindung zu gewährleisten. Zur weiteren Optimierung der mechanischen Belastbarkeit kann auf die Seitenwände 74, 76 oberseitig zumindest abschnittsweise ein optionales Versteifungselement 80 aufgebracht sein. Das optionale Versteifungselement 80 mit einer näherungsweise U-förmigen Querschnittsgeometrie ist mittels bekannter Fügetechniken mit den Seitenwänden 74, 76 verbunden und hier zusätzlich vom Niet 78 durchsetzt.
Die 10 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Gruppe von vier, durch einen kombinierten Form- und Kraftschluss verbundenen sechseckigen Hautmosaikelementen mit einem weiteren, noch anzufügenden sechseckigen Hautmosaikelement. Das Hautmosaikelement 90 soll in Richtung des nicht bezeichneten weißen Pfeils an das Hautelement 92 zur Vervollständigung der Gruppe der Hautmosaikelemente angesteckt werden. Abweichend von den vorzugsweise verklebten, verschweißten, vernieteten oder verbolzten (Haut-)Mosaikelementen nach Maßgabe der 4 bis 9 erfolgt das Fügen hier durch Zusammenstecken mittels eines kombinierten Form- und Kraftschlusses. Eine Fensterintegration ist zum Beispiel mit einem nicht dargestellten sechseckigen Hautmosaikelement möglich, in dessen Grundfläche zumindest bereichsweise ein Fensterausschnitt zur Aufnahme eines Fensterrahmens eingebracht ist. Alternativ kann eine Fensterintegration auch mittels eines speziellen "Fenster"-Hautmosaikelementes geeigneter Größe erfolgen, das zwischen benachbarten Mosaikelementen platziert wird und dessen Grundfläche zumindest bereichsweise mit einem lichtdurchlässigen Material hergestellt ist.
Die 11 und 12 – auf die im weiteren Fortgang der Beschreibung zugleich Bezug genommen wird – illustrieren eine vereinfachte Querschnittsdarstellung im Bereich des Ausschnittes X gemäß der 10, wobei die 11 die Hautmosaikelemente im unverbundenen und die 12 die Hautmosaikelemente im gesteckten, fest verbundenen Zustand zeigt.
In eine Seitenwand 94 eines nicht bezeichneten Rahmens des Hautmosaikelementes 90 ist eine Nut 96 eingebracht, während im Bereich einer steckweise anzufügenden Seitenwand 98 des Hautmosaikelementes 92 eine Feder 100 ausgebildet ist. Im Ausführungsbeispiel verfügen sowohl die Nut 96 als auch die Feder 100 über eine halbkreisförmige Querschnittsgeometrie, die korrespondierend zueinander ausgebildet sind, so dass sich die Feder 100 formschlüssig in die Nut 96 einbringen lässt. Durch die formschlüssige Verbindung zwischen den Hautmosaikelementen 90, 92 werden unter anderem das Ausrichten und das Zusammensetzen bei der Montage einer Leichtbaustruktur aus einer Vielzahl von (Haut-)Mosaikelementen erheblich erleichtert. Die Nut 96 und die Feder 100 können zur weiteren Vereinfachung der Montage so gestaltet sein, dass über den Formschluss hinaus eine rastende Klemmverbindung entsteht, die eine kraftschlüssige Verbindung darstellt.
Zur Erhöhung der mechanischen Belastbarkeit sowie zur Lagesicherung der Hautmosaikelemente 90, 92 ist ein kombiniertes Rast- und Klemmelement 102 vorgesehen, das auf die Seitenwände 94, 98 aufrastbar bzw. aufsteckbar ist. Das Rast- und Klemmelement 102 umfasst ein (erstes) Gehäuseteil 104 mit einem integral ausgebildeten Halter 106 mit einer gabelförmigen (Y-förmigen) Aufnahme 108 zur Befestigung einer Systemkomponente, wie zum Beispiel einer elektrischen oder optischen Leitung 110, und ein weiteres (zweites) Gehäuseteil 112. Zur Befestigung des Rast-Klemmelementes 102 auf den Seitenwänden 94, 98 der Hautmosaikelemente 90, 92 verfügen die Seitenwände 94, 98 jeweils über einen nach innen gerichteten Flansch 114, 116. Die beiden Gehäuseteile 104, 112 des kombinierten Rast-Klemmelementes 102 weisen jeweils zwei Ausnehmungen 118, 120 mit einer ungefähr rechteckförmigen Querschnittsgeometrie auf, die vorzugsweise unter einem leichten Pressschluss auf die Flansche 114, 116 aufsteckbar sind.
Um eine dauerhafte Verbindung zwischen den Gehäuseteilen 104, 112 zu gewährleisten, verfügt das Gehäuseteil 112 über eine nicht bezeichnete Rastverbindung. Der Zapfen 122 mit einer beispielsweise viereckigen Querschnittsgeometrie ist bevorzugt unter leichtem Pressschluss in eine korrespondierend hierzu ausgeführte Ausnehmung 126 des Gehäuseteils 104 einsteckbar, wobei der Widerhaken 124 im vollständig eingesteckten Zustand in eine kleine keilförmige Vertiefung 128 innerhalb der Ausnehmung 126 einschnappt bzw. einrastet. Hierdurch entsteht eine feste Verbindung der Gehäuseteile 104 und 112 des Rast-Klemmelementes 102 und damit der Seitenwände 94, 98 der Hautmosaikelemente 90, 92. Die Rastverbindung besteht im Wesentlichen aus dem Zapfen 122 mit dem Widerhaken 124 und der Ausnehmung 126 mit der keilförmigen Vertiefung 128.
Im Zustand von 12 sind die beiden Hautmosaikelemente 90, 92 durch einen kombinierten Form- und Kraftschluss miteinander verbunden, der einfach und zeitsparend durch Zusammenstecken in Richtung der weißen Pfeile herstellbar ist und der sich nicht selbstständig löst. Abschließend kann die Leitung 110 oder mindestens eine andere Systemkomponente in Richtung des schwarzen Pfeils in die gabelförmige Aufnahme 108 des Rast- und Klemmelementes 102 eingerastet werden. Zu diesem Zweck verfügt die Aufnahme 108 über nicht dargestellte, bevorzugt beim Eindrücken der Leitung 110 in die Aufnahme 108 selbsttätig einrastende Halteelemente, wie zum Beispiel kleine Haltearme, Halteklammern oder dergleichen.
Bei der ersten Verfahrensvariante nach Maßgabe des Patentanspruchs 14 werden im Verfahrensschritt a) vorzugsweise mit einem unausgehärteten duroplastischen FVK gebildete Mosaikelemente und/oder mindestens eine Haut und/oder Hautmosaikelemente zur Herstellung einer vorgegebenen Leichtbaustruktur schrittweise angeordnet und zusammen in einem geeigneten Werkzeug oder Formwerkzeug unter Anwendung von Druck und/oder Temperatur ausgehärtet. Der Aushärtevorgang im Zuge des Verfahrensschrittes b) erfolgt im Rahmen des "Co-Curing"-Verfahrens bzw. des "One-Shot-Curing"-Verfahrens. Vor dem Aushärten können Zusatzkomponenten zwischen die Mosaikelemente sowie die Haut und/oder zwischen die Hautmosaikelemente eingelegt werden. Zum Aushärten wird die zusammengefügte Leichtbaustruktur zum Beispiel auf einem einseitig offenen Formwerkzeug abgelegt und mit Belüftungsschichten, Trennschichten und weiteren Funktionsschichten belegt und abschließend mit einer Vakuumfolie bedeckt. Der gesamte Aufbau wird in einen Autoklaven zur Aushärtung unter Anwendung von Druck und/oder Temperatur verbracht. Alternativ kann die zusammengesetzte Leichtbaustruktur zur Aushärtung in ein allseitig geschlossenes, beheiztes Formwerkzeug eingelegt werden. Zur Optimierung des Verbindungsprozesses kann sich ein zusätzlicher Klebemittelauftrag zwischen den zu fügenden Bauteilen empfehlen.
Alternativ können die zu fügenden Bauteile zumindest bereichsweise mit einem Klebemittel versehen werden.
Bei einer alternativen Vorgehensweise kann die Leichtbaustruktur zumindest teilweise mit Mosaikelementen und/oder mit mindestens einer Haut und/oder mit Hautmosaikelementen zusammengesetzt werden, die mit trockenen Faservorformlingen gebildet sind. Zur Fertigstellung der aus diesen Faservorformlingen zusammengesetzten Leichtbaustruktur wird der Aufbau in ein allseitig geschlossenes Formwerkzeug verbracht und darin mit einem thermoplastischen oder duroplastischen Harz im Wege von bekannten (Harz-)Infusionsverfahren (z.B. "LRI = Liquid Resin Infusion"-Verfahren) infiltriert. Nach dem Abkühlen bzw. dem Aushärten kann die Leichtbaustruktur entnommen und gegebenenfalls erforderlichen Nachbearbeitungsschritten unterzogen werden. Vor dem Infiltrieren mit dem unausgehärteten bzw. durch Aufheizen plastifizierten Kunststoff können noch Zusatzkomponenten in den Aufbau eingelegt werden. Während des Zusammensetzens der Mosaikelemente auf der Haut und/oder der Hautmosaikelemente und/oder ggf. der rahmenförmigen Mosaikelemente kann es erforderlich sein, die einzelnen Faservorformlinge zur Lagefixierung auf einem geeigneten Positioniergestell abzulegen und/oder zumindest bereichsweise untereinander zu vernähen, zu heften und/oder zu verkleben. Die Mosaikelemente, die Hautmosaikelemente sowie die gegebenenfalls vorhandene Haut können hierbei außenseitig oder innenseitig auf dem Positioniergestell abgelegt werden.
Weiterhin ist es möglich, die Verfahrensschritte a) und b) zumindest teilweise zeitgleich ablaufen zu lassen, das heißt die (Haut-)Mosaikelemente und/oder die Haut bereits beim Anordnen miteinander zu verbinden, was zum Beispiel durch lokales Aushärten erfolgen kann.
Im Fall der zweiten Verfahrensvariante nach Patentanspruch 15 werden im Verfahrensschritt a) Mosaikelemente auf mindestens einer Haut und/oder Hautmosaikelemente und/oder rahmenförmige Mosaikelemente aus einem bereits ausgehärteten duroplastischen FVK, aus einem thermoplastischen FVK oder einem Leichtmetall auf einem geeigneten Unterstützungswerkzeug im Raum angeordnet. Anschließend werden im Verfahrensschritt b) die platzierten (Haut-)Mosaikelemente mittels eines geeigneten, insbesondere materialabhängigen Fügeverfahrens, miteinander verbunden. Auch hier kann das Anordnen und Fügen der (Haut-)Mosaikelemente zeitgleich erfolgen. Im Fall dieser Verfahrensvariante kommen bevorzugt bei Raumtemperatur im festen Aggregatzustand befindliche thermoplastische und/oder duroplastische FVK und/oder Leichtmetalle, wie zum Beispiel Titanlegierungen oder Aluminiumlegierungen, zum Einsatz. Lediglich beim Kleben läuft der Fügeprozess nach dem "Co-Bonding"-Verfahren ab.
Sind die festen Mosaikelemente und/oder Hautmosaikelemente untereinander beispielsweise durch rastende Steckverbindungen zusammenfügbar (vgl. insb. 10 bis 12), ist ein Unterstützungswerkzeug unter Umständen entbehrlich, da sich die Mosaikelemente auf der ebenfalls festen Haut abstützen können und die Hautmosaikelemente sich gegenseitig abfangen bzw. untereinander zusammenhalten. Vor dem Zusammenfügen können noch Zusatzkomponenten mit in den Aufbau integriert werden. Der Fügeprozess selbst erfolgt insbesondere durch Kleben, thermoplastisches Schweißen, Ultraschallschweißen, Laserstrahlschweißen, Löten oder Nieten. Ferner können beliebige Rast- und Klemmverbindungen auf die Seitenwände der formschlüssig verbundenen Mosaikelemente und/oder Hautmosaikelemente angeordnet werden, um einen ausreichend mechanisch festen Verbund zu erzielen.
Im Fall einer dritten Verfahrensvariante werden die Mosaikelemente und/oder die Hautmosaikelemente zum Beispiel mit einem unausgehärteten duroplastischen FVK ("Prepreg"-Material) gebildet und sukzessive in einer Matrix angeordnet und/oder auf einer Haut aus einem ausgehärteten duroplastischen FVK platziert. Optional können die (Haut-)Mosaikelemente mit einem thermoplastischen FVK und/oder mit einem Leichtmetall gebildet sein. Im Anschluss erfolgt in einem Zwischenschritt eine lokale, d. h. örtlich begrenzte Aushärtung der (Haut-)Mosaikelemente in Anlehnung an das "In-Situ-Curing"-Verfahren. Eine lokal begrenzte, punktuelle Aushärtung einzelner Bereiche ist zum Beispiel mittels UV-Licht, Infrarotstrahlung oder Mikrowellenstrahlung möglich. Hierbei verbinden sich die Mosaikelemente mit der Haut und die Hautmosaikelemente untereinander und ggf. mit den Mosaikelementen. Gegebenenfalls muss ein Klebemittel zwischen die zu fügenden Komponenten eingebracht werden. Vorab können noch Zusatzkomponenten in den Aufbau eingebracht werden.
Im Fall einer unausgehärteten Haut aus einem duroplastischen FVK ist in der Regel noch ein abschließender Aushärtevorgang im Wege des "Two-Steps-Curing"-Verfahrens zur endgültigen Fertigstellung der Leichtbaustruktur notwendig. Dieser optionale Schritt fällt im Allgemeinen bei einer bereits ausgehärteten Haut aus einem duroplastischen FVK und/oder einem thermoplastischen FVK und/oder einem Leichtmetall weg.
Für den Fall, dass die Mosaikelemente und/oder die mindestens eine Haut und/oder die Hautmosaikelemente mit einem thermoplastischen FVK und/oder einem Leichtmetall hergestellt sind, können weitere Fügetechniken, wie zum Beispiel Kleben, Schweißen, Löten oder Nieten, zum Verbinden der Komponenten zur mosaikartigen Leichtbaustruktur zur Anwendung kommen.
Bezugszeichenliste

10: Mosaikelemente
12: Teilschale
14: Flugzeugrumpfzelle
16: Leichtbaustruktur
18: Mosaikelement
20: Grundfläche (Mosaikelement)
22: Rahmen
24: Seitenwand
26: Vertiefung
28: Mosaikelement
30: Grundfläche
32: Rahmen
34: Mosaikelement
36: Grundfläche
38: Rahmen
40: Haut
42: Halter
44: Halterfuß
46: Versteifungselement
48: Leitung (elektr./optisch)
60: Teilschale
62: Teilschale
64: Hautmosaikelement (6-eckig)
66: Hautmosaikelement (6-eckig)
68: Hautmosaikelement (3-eckig)
70: Hautmosaikelement (3-eckig)
72: Fügelinie
74: Seitenwand
76: Seitenwand
78: Niet
80: Versteifungselement
90: Hautmosaikelement (6-eckig)
92: Hautmosaikelement (6-eckig)
94: Seitenwand
96: Nut (Seitenwand)
98: Seitenwand
100: Feder (Seitenwand)
102: Rast-Klemmelement
104: Gehäuseteil (Halter)
106: Halter (Systemkomponente)
108: Aufnahme
110: Leitung
112: Gehäuseteil
114: Flansch
116: Flansch
118: Ausnehmung
120: Ausnehmung
122: Zapfen
124: Widerhaken
126: Ausnehmung
128: Vertiefung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006050534 A1 [0006]

Claims

Leichtbaustruktur (16), insbesondere Flugzeugprimärstruktur oder untergeordnete Baugruppe, dadurch gekennzeichnet, dass die Leichtbaustruktur (16) zumindest bereichsweise mit einer Vielzahl von verbundenen Mosaikelementen (10, 18, 28, 34) und/oder Hautmosaikelementen (64–70, 90, 92) gebildet ist.
Leichtbaustruktur (16) nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anordnung, eine Geometrie und/oder eine Größe der Mosaikelemente (10, 18, 28, 34) und der Hautmosaikelemente (64–70, 90, 92) variieren, um eine im Wesentlichen optimale Aufnahme und Ableitung aller auftretenden Kräfte zu erzielen.
Leichtbaustruktur (16) nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hautmosaikelemente (64–70, 90, 92) jeweils eine Grundfläche aufweisen, die von einem umlaufenden Rahmen eingefasst ist.
Leichtbaustruktur (16) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Mosaikelement mit einem umlaufenden Rahmen gebildet ist oder mindestens ein Mosaikelement (10, 18, 28, 34) mit einer Grundfläche (20, 30, 36) gebildet ist, die von einem umlaufenden Rahmen (22, 32, 38) eingefasst ist.
Leichtbaustruktur (16) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mosaikelemente (10, 18, 28, 34) und/oder die Hautmosaikelemente (64–70, 90, 92) zumindest bereichsweise mit einer Haut (40) verbunden sind.
Leichtbaustruktur (16) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundflächen (20, 30, 36) sowie die Rahmen (22, 32, 38) eine vieleckige, insbesondere eine gleichseitige dreieckige, eine gleichseitige viereckige, eine gleichseitige fünfeckige, eine gleichseitige sechseckige oder eine gleichseitige siebeneckige, Gestalt aufweisen.
Leichtbaustruktur (16) nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen mindestens zwei benachbarten Mosaikelementen (10, 18, 28, 34) und der Haut (40) mindestens ein Halter (42) angeordnet ist.
Leichtbaustruktur (16) nach einem der Patentansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass auf mindestens zwei benachbarten Seitenwänden (24) von mindestens zwei Mosaikelementen (18, 28, 34) mindestens ein Versteifungselement (46) angeordnet ist und/oder mindestens eine Leitung (48) zwischen mindestens zwei Seitenwänden (24) verläuft.
Leichtbaustruktur (16) nach einem der Patentansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei benachbarte Hautmosaikelemente (64, 66) mittels mindestens eines Verbindungselementes, insbesondere mindestens eines Nietes (78) und/oder mindestens einer Bolzenverbindung, zusammengefügt sind.
Leichtbaustruktur (16) nach Patentanspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass auf mindestens zwei benachbarten Seitenwänden (74, 76, 94, 98) von mindestens zwei Hautmosaikelementen (64–70, 90, 92) mindestens ein Versteifungselement (80) angeordnet ist.
Leichtbaustruktur (16) nach einem der Patentansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Seitenwände (24, 74, 76, 94, 98) von mindestens zwei Mosaikelementen (10, 18, 28, 34) und/oder zwei Hautmosaikelementen (64–70, 90, 92) zumindest bereichsweise formschlüssig zusammenfügbar sind.
Leichtbaustruktur (16) nach Patentanspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei formschlüssig zusammengefügte Seitenwände (94, 98) von mindestens zwei benachbarten Mosaikelementen und/oder Hautmosaikelementen (90, 92) mittels mindestens eines Verbindungselementes, insbesondere mindestens eines aufsteckbaren Klemm-Rastelementes (102), lagefixierbar sind.
Leichtbaustruktur (16) nach Patentanspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Klemm-Rastelement (102) mindestens einen Halter (106) zur Aufnahme mindestens einer Systemkomponente, insbesondere mindestens einer Leitung (110), aufweist.
Verfahren zur Herstellung einer im Wesentlichen mit einem duroplastischen Faserverbundkunststoff gebildeten Leichtbaustruktur, insbesondere einer Leichtbaustruktur (16) nach Maßgabe eines der Patentansprüche 1 bis 13, umfassend die folgenden Schritte: a) zumindest bereichsweises Anordnen einer Vielzahl von unausgehärteten Mosaikelementen (10, 18, 28, 34) auf einer unausgehärteten oder einer ausgehärteten Haut (40) und/oder Anordnen von unausgehärteten Hautmosaikelementen (64–70, 90, 92) und/oder Anordnen von unausgehärteten Mosaikelementen (10, 18, 28, 34) zum schrittweisen Vervollständigen einer vorgegebenen räumlichen Geometrie der Leichtbaustruktur (16), die alle auftretenden Kräfte im Wesentlichen optimal aufnimmt und ableitet, und b) währenddessen oder danach Aushärten der Mosaikelemente (10, 18, 28, 34) und/oder der Haut (40) und/oder der Hautmosaikelemente (64–70, 90, 92) zur Fertigstellung der Leichtbaustruktur (16).
Verfahren zur Herstellung einer mit einem thermoplastischen und/oder mit einem ausgehärteten duroplastischen Faserverbundkunststoff und/oder mit einem Leichtmetall gebildeten Leichtbaustruktur, insbesondere einer Leichtbaustruktur (16) nach Maßgabe eines der Patentansprüche 1 bis 13, umfassend die folgenden Schritte: a) zumindest bereichsweises Anordnen einer Vielzahl von Mosaikelementen (10, 18, 28, 34) auf einer Haut (40) und/oder Anordnen von Hautmosaikelementen (64–70, 90, 92) und/oder Anordnen von Mosaikelementen (10, 18, 28, 34) zum schrittweisen Vervollständigen einer vorgegebenen räumlichen Geometrie der Leichtbaustruktur (16), die alle auftretenden Kräfte im Wesentlichen optimal aufnimmt und ableitet, und b) währenddessen oder danach Zusammenfügen der Mosaikelemente (10, 18, 28, 34) und der Haut (40) und/oder der Hautmosaikelemente (64–70, 90, 92), insbesondere durch Kleben, Schweißen, Löten, Nieten, Verbolzen, Rasten, Klemmen, Pressen, Verstemmen, Bördeln oder eine Kombination von mindestens zwei der genannten Fügetechniken, zur Fertigstellung der Leichtbaustruktur (16).