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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung einer Wabenstruktur, sowie die Verwendung einer Wabenstruktur zur Herstellung eines Verbundbauteils.
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Eine Wabenstruktur, typischerweise aus Pappe, harzgetränktem Papier, Faserkunststoff oder Metall (z. B. Aluminium), wird in vielen Anwendungen zur Herstellung von flächigen Bauteilen in Leichtbauweise eingesetzt, bei denen es auf eine hohe Biegesteifigkeit bei gleichzeitig geringem Gewicht ankommt.
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Insbesondere kann die Wabenstruktur den Kern (”Wabenkern”) einer mehrschichtigen Verbundkonstruktion bilden, bei welcher die Wabenstruktur als eine Bauteilkomponente mit wenigstens einer oberen Deckschicht und wenigstens einer unteren Deckschicht als weitere Bauteilkomponenten verbunden ist (”Sandwichbauweise”). Bei der Herstellung eines derartigen Sandwichbauteils können die einzelnen Bauteilkomponenten, je nach verwendetem Material, beispielsweise durch Verkleben oder Verlöten miteinander verbunden werden.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist insbesondere die Herstellung von Verbundbauteilen mit einer metallischen Wabenstruktur, z. B. aus Aluminium bzw. einer Aluminiumlegierung interessant, die zusammen mit weiteren metallischen Bauteilkomponenten, alternativ auch Faserverbundkomponenten ein flächiges Bauteil bildet, welches insbesondere zur Verwendung in der Luft- und Raumfahrttechnik vorgesehen sein kann.
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Die Herstellung einer Wabenstruktur aus Aluminium erfolgt üblicherweise dadurch, dass zunächst eine Vielzahl von dünnen Aluminiumblechen aufeinander gestapelt und hierbei entlang parallel zueinander verlaufenden Linien miteinander verbunden (z. B. verschweißt) werden. Durch Auseinanderziehen eines solchen Blechstapels ”entfaltet” sich dieser zur Wabenstruktur, bei welcher die genannten Verbindungslinien im Wabenstrukturquerschnitt betrachtet die Ecken der zumeist sechseckig, seltener z. B. dreieckig ausgebildeten und ein Flächenmuster ergebenden Waben definieren. Ausgehend von einem Stapel jeweils rechteckiger Metallbleche lassen sich in dieser Weise quaderförmige Wabenstrukturen herstellen, insbesondere flächig ausgedehnte Wabenstrukturen, bei welchen sich die von Wabenstegen begrenzten Waben zwischen einander gegenüberliegenden Flachseiten des quaderförmigen Blockes erstrecken, wobei die von den Waben definierten Hohlräume an diesen Flachseiten münden bzw. offen sind. Diese einander gegenüberliegenden Seiten der Wabenstruktur werden nachfolgend auch als ”Wabenstrukturoberflächen” bezeichnet.
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Es versteht sich, dass damit eine quaderförmige bzw. plattenförmige Wabenstruktur (mit ebenen und zueinander parallelen Wabenstrukturoberflächen) zur Verwendung als Wabenkern in einem dementsprechend quaderförmigen bzw. plattenförmigen Bauteil bereitgestellt werden kann. Problematisch ist jedoch der Fall, in welchem wenigstens eine der Wabenstrukturoberflächen nicht eben sein soll oder sogar eine Formgestaltung mit einer mehr oder weniger komplizierten Krümmung besitzen soll.
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Derartige komplexe Sandwichbauteile werden beispielsweise als Strukturbauteile und Module für Fahrzeuge, insbesondere Luftfahrzeuge benötigt. Ein Beispiel hierfür ist die Herstellung von Flügeln für Luftfahrzeuge, insbesondere von Tragflügeln, oder Teilen davon, z. B. so genannten ”Endkanten” (z. B. Querruder, Seitenruder, Höhenruder oder andere an einem Flugzeugflügel oder Flugzeugrumpf bewegbar angeordnete Klappen).
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Hierfür kommt zwar in Betracht, eine zunächst quaderförmig hergestellte Wabenstruktur zunächst an ihren Wabenstrukturoberflächen materialabtragend zu bearbeiten, bevor diese mit den weiteren Bauteilkomponenten verbunden wird. Durch eine solche Bearbeitung (z. B. durch Sägen und/oder Fräsen etc.) können zwar im Prinzip beliebig formgestaltete Wabenstrukturoberflächen und somit eine ”passgenaue” Wabenstruktur geschaffen werden. In der Praxis führt eine solche Bearbeitung jedoch oftmals zu mehr oder weniger großen Beschädigungen der Wabenstruktur, beispielsweise durch unerwünschte Verformungen der Wabenstege durch das verwendete Bearbeitungswerkzeug. Zu bedenken ist hierbei, dass insbesondere für eine besonders gewichtssparende Bauweise eine sehr große Empfindlichkeit der Wabenstruktur bzw. der diese ausbildenden Stege gegenüber mechanischen Belastungen besteht, die je nach Bearbeitungsmethode unvermeidlich sind.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Weg aufzuzeigen, wie insbesondere kompliziert formgestaltete Verbundbauteile (Sandwichbauteile) umfassend eine Wabenstruktur einfach und dennoch qualitativ hochwertig hergestellt werden können.
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Gemäß eines ersten Aspekts der Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Bearbeitung einer Wabenstruktur gelöst (Anspruch 1). Dieses Verfahren umfasst die Schritte:
- – Verschließen der Wabenmündungen an einer der beiden Wabenstrukturoberflächen durch Fixieren einer Folie an dieser Wabenstrukturoberfläche,
- – Hatten der mit der Folie versehenen Wabenstruktur durch Ansaugen der Folie an einer mit Vakuumöffnungen versehenen Auflagefläche einer Bearbeitungsstation,
- – materialabtragende Bearbeitung der Wabenstruktur an der anderen, der Auflagefläche abgewandten der beiden Wabenstrukturoberflächen.
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Durch das Verschließen der Wabenmündungen durch Fixieren, insbesondere z. B. Aufkleben einer Folie (z. B. aus Kunststoff oder Metall) wird vorteilhaft ermöglicht, dass die mit der Folie versehene Wabenstruktur vakuumunterstützt ”in Position gehalten” wird, um bei der anschließenden materialabtragenden Bearbeitung der Wabenstruktur die Gefahr von unerwünschten Verformungen beträchtlich zu verringern. Das Halten der Wabenstruktur (z. B. aus Leichtmnetall, insbesondere z. B. Aluminium) über die daran fixierte Folie bewirkt besonders vorteilhaft eine flächig ausgedehnte Abstützung bzw. Fixierung der Wabenstruktur an der Auflagefläche der betreffenden Bearbeitungsstation, so dass durch ein Bearbeitungswerkzeug (z. B. einen Fräskopf) an der betreffenden Wabenstrukturoberfläche lokal eingeleitete Kräfte an der anderen Wabenstrukturoberfläche flächig verteilt ausgeleitet bzw. aufgenommen werden können.
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Falls ein Aufkleben der Folie an der Wabenstrukturoberfläche vorgesehen ist, so kann hierbei vorteilhaft ein nach Beendigung der Bearbeitung im Wesentlichen rückstandsfrei wieder von der Wabenstruktur ablösbarer Klebstoff verwendet werden.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine Folie mit bereits daran angeordneter Klebstoffschicht verwendet wird, welche z. B. durch Abziehen einer Schutzschicht freilegbar sein kann.
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Die Folie kann z. B. eine ein- oder mehrschichtig ausgebildete Kunststofffolie sein. Geeignet sind z. B. thermoplastische Kunststofffolien umfassend z. B. wenigstens eine Schicht aus PMMA.
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Nach Abschluss der Bearbeitung der Wabenstruktur an einer ihrer Wabenstrukturoberflächen kommt in Betracht, die Wabenstruktur umzudrehen und an der selben oder einer anderen Bearbeitungsstation unter Verwendung einer weiteren Folie wieder aufzulegen, um die gegenüberliegende Wabenstrukturoberfläche ebenfalls zu bearbeiten.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Auflagefläche der Bearbeitungsstation eine Formgestaltung besitzt, die an die der Auflagefläche zugewandte Wabenstrukturoberfläche angepasst ist. Es versteht sich, dass damit ein besonders sicheres und schonendes Halten der mit der Folie versehenen Wabenstruktur an der Auflagefläche erzielt wird.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Auflagefläche der Bearbeitungsstation eben ist. Die Auflagefläche besitzt damit eine besonders einfache Gestaltung, insbesondere im Hinblick auf eine universelle Verwendbarkeit der Auflagefläche bzw. betreffenden Bearbeitungsstation. Falls an einer solchen ebenen Auflagefläche eine ebene Wabenstrukturoberfläche (unter Zwischenfügung der Folie) aufgelegt wird, so ergibt sich auch die vorstehend erwähnte vorteilhafte Anpassung der Formgestaltungen einerseits der Wabenstrukturoberfläche und andererseits der Auflagefläche.
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Die Verwendung einer ebenen Auflagefläche ist auch insofern sehr vorteilhaft, als die Wabenstruktur wie oben bereits erwähnt ohnehin am einfachsten mit ebenen (und parallel zueinander sich erstreckenden) Wabenstrukturoberflächen herstellbar ist. Falls die Bearbeitung der von der Auflagefläche abgewandten Wabenstrukturoberfläche dieser jedoch eine nicht-ebene, insbesondere kompliziert gekrümmte Formgestaltung verleiht, so ergibt sich das Problem, dass ein Umdrehen der Wabenstruktur zur Bearbeitung auch der anderen Wabenstrukturoberfläche mittels derselben Bearbeitungsstation zu einer ”Fehlanpassung” zwischen der z. B. ebenen Auflagefläche einerseits und der bereits bearbeiteten, z. B. sehr speziell gekrümmten Wabenstrukturoberfläche führt. Ggf. könnte diese ”zweite Bearbeitung” (der anderen Wabenstrukturoberfläche) mittels einer separaten Bearbeitungsstation (bzw. einer anderen Auflagefläche derselben Bearbeitungsstation) erfolgen, so dass die Auflagefläche besser formangepasst ist. Dies bedeutet jedoch einen gewissen Mehraufwand durch die Bereitstellung einer separaten weiteren Bearbeitungsstation bzw. Auflagefläche. In vielen Fällen lässt sich dieser zusätzliche Aufwand zur Realisierung von Wabenkernen mit beiderseits gekrümmt verlaufenden Wabenstrukturoberflächen jedoch durch einen weiter unten noch beschriebenen ”Trick” vermeiden.
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Gemäß eines weiteren Aspekts der Erfindung (Anspruch 5) ist eine Verwendung des beschriebenen Verfahrens bei der Herstellung von Verbundbauteilen vorgesehen. Eine bevorzugte Verwendung des beschriebenen Verfahrens zur Bearbeitung einer Wabenstruktur besteht darin, dieses Verfahren vor der Integration der Wabenstruktur als Kern eines Sandwichbauteils zu verwenden, zu dessen Schaffung die Wabenstruktur mit weiteren Bauteilkomponenten verbunden, z. B. verklebt wird. Bei den weiteren Bauteilkomponenten kann es sich insbesondere um wenigstens eine obere Deckschicht und wenigstens eine untere Deckschicht handeln.
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Die hier verwendeten Begriffe ”obere” und ”untere” Deckschicht dienen lediglich der Unterscheidung der an den beiden Wabenstrukturoberflächen angebundenen Deckschichten (bzw. sonstigen Bauteilkomponenten). Die tatsächliche räumliche Anordnung ergibt sich in der Praxis aus der Anordnung der Bauteilkomponenten während der Bearbeitung bzw. in der späteren Verwendungssituation des betreffenden Bauteils.
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Gemäß eines weiteren Aspekts der Erfindung (Anspruch 6) ist ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils in Sandwichbauweise vorgesehen, wobei eine einen Kern des Bauteils ausbildende Wabenstruktur mit weiteren Bauteilkomponenten umfassend wenigstens eine obere Deckschicht und wenigstens eine untere Deckschicht verbunden wird. Erfindungsgemäß ist hierbei vorgesehen, dass die Wabenstruktur mittels eines Verfahrens der hier beschriebenen Art bearbeitet wird, bevor die Wabenstruktur mit den weiteren Bauteilkomponenten, also z. B. insbesondere mit beiderseitigen Deckschichten verbunden wird.
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Wie bereits erwähnt, kann die materialabtragende Bearbeitung der Wabenstruktur z. B. ein Fräsen umfassen, wobei die damit geschaffene Oberflächengestaltung insbesondere zur Erzielung einer hohen Passgenauigkeit der Wabenstruktur in dem Sinne genutzt werden kann, dass die weiteren Bauteilkomponenten sich im fertigen Bauteil (voll)flächig aneinander angrenzend anschließen.
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Vor diesem Hintergrund ist es vorteilhaft, wenn die Bearbeitung der Wabenstruktur in automatisierter Weise mittels einer Werkzeugmaschine erfolgt. Zur Steuerung der Werkzeugmaschine verwendete Steuerdaten können hierbei auf Basis von ”Geometriedaten” der Gesamtkonstruktion bzw. der diese bildenden Bauteilkomponenten berechnet werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass zur Steuerung der Werkzeugmaschine verwendete Steuerdaten basierend auf Ergebnissen einer vorausgegangenen Messung der weiteren Bauteilkomponenten berechnet werden. Es versteht sich, dass hierbei etwaige Toleranzen der weiteren Bauteilkomponenten vorteilhaft in der Weise berücksichtigt werden können, dass eine entsprechend gegenüber einer ”idealen” (d. h. von der Konstruktion her vorgesehenden) Geometrie abweichende Formgestaltung für die Wabenstruktur erzeugt wird.
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Bei einer Serienfertigung von Bauteilen können die zur Bearbeitung der Wabenstrukturen jeweils benötigten Steuerdaten somit insbesondere individuell berechnet werden, nämlich basierend auf den Ergebnissen einer vorausgegangenen Vermessung der jeweils mit der betreffenden Wabenstruktur zu verbauenden weiteren Bauteilkomponenten.
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Abhängig von der Gesamtkonstruktion des Bauteils können bei einer derartigen Vermessung jeweils sämtliche oder aber nur ein Teil der weiteren Bauteilkomponenten berücksichtigt werden. Von größerer Bedeutung sind in dieser Hinsicht vor allem diejenigen weiteren Bauteilkomponenten, welche im fertigen Bauteil unmittelbar an die betreffende Wabenstruktur angrenzen.
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Nebenbei bemerkt kann ein erfindungsgemäß hergestelltes Bauteil selbstverständlich auch mehr als eine Wabenstruktur der beschriebenen Art und/oder in der beschriebenen Art zuvor bearbeitete Wabenstruktur umfassen.
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Bei der verwendeten Werkzeugmaschine kann es sich um eine CNC-Maschine im weitesten Sinne handeln, beispielsweise um eine CNC-Fräsmaschine von an sich bekannter Bauart (z. B. Portalfräsmaschine oder dergleichen). In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird eine so genannte 5-Achs-Fräsmaschine verwendet.
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Eine derartige Bearbeitungsmaschine bildet zusammen mit der zur Bearbeitung der Wabenstruktur vorgesehenen Auflagefläche die oben bereits erwähnte ”Bearbeitungsstation”.
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Die Auflagefläche der Bearbeitungsstation ist mit Vakuumöffnungen versehen, so dass die mit der erwähnten Folie versehene Wabenstruktur daran angesaugt werden kann. Hierfür geeignete ”Vakuumtische” sind als solche aus dem Stand der Technik bekannt. Wesentlich ist, dass die Auflagefläche bzw. der betreffende Tisch ein vakuumbewirktes bzw. vakuumunterstütztes flächiges Halten der mit der Folie versehenen Wabenstruktur ermöglicht. Abhängig von der konkreten Funktionsweise der Bearbeitungsstation kann vorgesehen sein, dass die Auflagefläche bzw. der Auflagetisch während der Bearbeitung der Wabenstruktur verfahren wird (um damit z. B. den für einen Fräskopf erforderlichen Verfahrbereich zu reduzieren).
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In einer vorteilhaften Weiterbildung einer mit einem Fräskopf versehenen Mehrachs-Fräsmaschine ist vorgesehen, dass dieselbe Maschine nach Ersatz des Fräskopfes durch einen Tastkopf (oder mittels eines an der Maschine bereits vorgesehenen Tastkopfes) für die bereits erwähnte Vermessung von weiteren Bauteilkomponenten verwendet werden kann.
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Bei den weiteren Bauteilkomponenten kann es sich abgesehen von den erwähnten oberen und unteren Deckschichten auch um Teile handeln, welche z. B. als Bauteile mit einer speziellen Verstärkungs- oder sonstigen Funktion an bestimmten Stellen des Bauteils angeordnet sind. Insbesondere fallen darunter z. B. als ”Dopplerschichten”, die lediglich lokal an einer oder mehreren Stellen eine großflächigere Deckschicht doppeln. Des weiteren fallen darunter z. B. Teile, welche in Lateralrichtung eines flächig ausgedehnten Bauteils betrachtet Bauteilränder ausbilden.
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Beispielsweise ist die Erfindung besonders vorteilhaft zur Herstellung so genannter ”Endkanten” von Flugzeug-Tragflügeln einsetzbar. Ein solches Bauteil (Endkante) kann z. B. folgende Bauteilkomponenten umfassen:
- – einen sich über die im Wesentlichen gesamte Endkantenlänge erstreckenden und bevorzugt einstückig zusammenhängenden ”Holm”, welcher in der Verwendungssituation der Endkante einen längsverlaufenden Rand ausbildet, an welchem die Endkante z. B. am hinteren Ende des eigentlichen Tragflügels befestigt wird bzw. im Betrieb bezüglich dieses Tragflügels verlagerbar (insbesondere z. B. schwenkbar) angebracht wird,
- – eine oder mehrere quer zum Holm sich durch die Endkante erstreckende ”Rippen”, mit denen insbesondere die stirnseitigen Endkantenränder ausgebildet werden können, wobei solche Rippen alternativ oder zusätzlich auch als lokale Verstärkungselemente über die Längsrichtung der Endkante verteilt angeordnet sein können,
- – eine oder mehrere Wabenstrukturen im Inneren der Endkante, beispielsweise eine sich im Wesentlichen über die gesamte Endkantenlänge erstreckende Wabenstruktur,
- – obere und untere Deckschichten, z. B. aus Metallblechen von jeweils einheitlicher Blechstärke, zur Ausbildung entsprechender oberer und unterer Abschlussflächen der Endkante, wobei diese Deckschichten sich im Wesentlichen über die gesamte Endkantenbreite erstrecken können und hierbei die aus Holm(en), Rippe(n) und Wabenstrukten(en) gebildete Konstruktion sandwichartig (zwischen den Deckschichten) einschließen.
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Falls die obere Deckschicht und die untere Deckschicht nicht einstückig zusammenhängend ausgebildet sind, so kann an dem dem Holm gegenüberliegenden Längsrand beispielsweise ein weiterer Holm oder bevorzugt eine Abdichtstruktur (z. B. aus einem Faserverbundwerkstoff wie z. B. GFK, CFK etc.) zwischen den längsverlaufenden Rändern der Deckschichten zwischengefügt sein, um an dieser Stelle einen Zwischenraum zwischen der oberen Deckschicht und der unteren Deckschicht abdichtend zu überbrücken. Bei einer Endkante mit Aluminium-Wabenstruktur mit beidseitig vorgesehenen metallischen Deckschichten kann mit einer solchen Faserverbundstruktur (z. B. mehrschichtiges Laminat) vorteilhaft ein Eindringen von Wasser bzw. Feuchtigkeit beim späteren Betrieb der Endkante vermieden werden.
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Die beschriebene Endkante besitzt bei Flugzeugen eine aerodynamische Funktion. Dementsprechend werden durch die Konstruktion solcher Endkanten mehr oder weniger komplexe Formgestaltungen und insbesondere kompliziert gekrümmt sich erstreckende Oberseiten und/oder Unterseiten vorgegeben.
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Ein typisches Beispiel hierfür ist eine Tragflügel-Endkante, bei welcher die Oberseite (Außenfläche der oberen Deckschicht bzw. obersten Deckschicht) konvex gekrümmt ist und die Unterseite (Außenseite der unteren bzw. untersten Deckschicht) konkav gekrümmt ist, wobei diese Krümmungen jedoch mehr oder weniger kompliziert vorgesehen sein können.
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Insbesondere für solche Anwendungsfälle ist oftmals eine Weiterbildung des Herstellungsverfahrens vorteilhaft einsetzbar, bei welcher die bearbeitete Wabenstruktur gekrümmt wird und in einem gekrümmten Zustand mit den weiteren Bauteilkomponenten zur Schaffung des Bauteils z. B. Endkante verbunden wird. Durch ein solches ”gekrümmtes Verbauen” der Wabenstruktur lassen sich insbesondere Bauteile mit einerseits konvexen und andererseits konkaven Oberflächengestaltung herstellen, ohne dass hierfür zwingend eine Bearbeitung der Wabenstruktur an beiden Wabenstrukturoberflächen (ein Mal konvex und ein Mal konkav) erforderlich ist.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben. Es stellen dar:
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1 eine schematische perspektivische Teilansicht einer Tragflügel-Endkante,
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2 eine Schnittansicht des längs der Linie II-II in 1,
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3 eine Schnittansicht des längs der Linie III-III in 1,
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4 ein Ablaufdiagramm betreffend die Herstellung der Endkante von 1 gemäß eines nicht unter die Erfindung fallenden Verfahrens,
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5 ein Ablaufdiagramm betreffend die Herstellung der Endkante von 1 gemäß eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
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6 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung der Bearbeitung einer Wabenstruktur vor deren Verwendung als Kern eines Sandwichbauteils, beispielsweise eines Bauteils der in 1 dargestellten Art,
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7 eine entsprechende Darstellung der Wabenstruktur nach ihrer Bearbeitung an einer der Wabenstrukturoberflächen, und
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8 eine unter Verwendung der Wabenstruktur von 7 hergestellte Tragflügel-Endkante.
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1 veranschaulicht beispielhaft den prinzipiellen Aufbau einer so genannten Tragflügel-Endkante 10 als ein spezielles, im Rahmen der Erfindung jedoch bevorzugtes Beispiel für ein in Sandwichbauweise hergestelltes Verbundbauteil.
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Die Endkante 10 umfasst eine in ihrem Inneren angeordnete Aluminium-Wabenstruktur 12, welche vorteilhaft einen leichtgewichtigen Kern der Endkante 10 darstellt. Dieser Kern bildet im dargestellten Ausführungsbeispiel die Bauteilkomponente mit dem volumenmäßig größten Anteil am Gesamtvolumen des Bauteils (hier: Endkante 10).
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Die Wabenstruktur 12 ist sandwichartig zwischen einer oberen Deckschicht 14 und einer unteren Deckschicht 16 zwischengefügt. Diese Deckschichten 14, 16 sind im dargestellten Beispiel jeweils aus einem Metallblech (z. B. Aluminium) gefertigt.
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Hinsichtlich der nachfolgend im Zusammenhang mit der Endkante 10 verwendeten Begriffe einer ”Länge”, ”Breite” und ”Höhe” wird auf das in 1 eingezeichnete Koordinatensystem verwiesen, welches eine Längenrichtung L, eine Breitenrichtung B und eine Höhenrichtung H angibt.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel erstrecken sich die oberen und unteren Deckschichten 14, 16 über die gesamte Länge und Breite der Endkante 10.
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Noch weitere Bauteilkomponenten werden durch einen in Längenrichtung L verlaufenden metallischen Holm 18, eine oder mehrere in Breitenrichtung B verlaufende metallische Rippen 20, eine in Längenrichtung L verlaufende Faserverbundstruktur 22 (z. B. GFK), eine oder mehrere obere metallische Dopplerschichten 24 und eine oder mehrere untere metallische Dopplerschichten 26 gebildet. Abgesehen von der Faserverbundstruktur 22 können diese weiteren Komponenten z. B. aus Aluminium gefertigt sein.
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In einer einfachen Ausführungsform besitzt die Endkante 10 lediglich zwei Rippen 20, welche jeweils einen stirnseitigen Rand bzw. Abschluss der Endkante 10 bilden. Die in 1 ersichtliche Rippe 20 bildet einen solchen Abschluss. Alternativ können auch über die Längenrichtung L verteilt noch weitere Rippen oder andere Verstärkungs- oder Funktionselemente vorgesehen sein.
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Der Holm 18 wie auch die Faserverbundstruktur 22 (z. B. ein Laminat aus mehreren harzimprägnierten Faserlagen, z. B. GFK-Laminat) erstrecken sich im einfachsten Fall einstückig zusammenhängend in Längenrichtung L der Endkante 10.
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Der in 1 vereinfachend (quaderförmig) eingezeichnete Holm 18 kann in der Praxis z. B. von einem aus Aluminium hergestellten, nach außen hin offenen ”U-Profil” gebildet sein und stellt gewissermaßen die Schnittstelle zur Anbindung der Tragflügel-Endkante 10 an den eigentlichen Tragflügel (nicht dargestellt) dar.
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Auf der dem Holm 18 gegenüberliegenden Seite laufen die oberen und unteren Deckschichten 14, 16 aufeinander zu, wobei ein Spalt, der an einem in 1 rechten (dem Holm 18 gegenüberliegenden) Rand der Endkante 10 verbleibt, zwecks Feuchtigkeitsabdichtung mittels der Faserverbundstruktur 22 überbrückt bzw. ausgefüllt wird.
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Die 2 und 3 sind Schnittansichten der Endkante 10 entlang der Linie II-II bzw. III-III in 1, zur weiteren Verdeutlichung des Aufbaus der Endkante 10.
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Hinsichtlich der Dopplerschichten 24, 26 ist anzumerken, dass diese sich bevorzugt nicht über die gesamte Länge der Endkante 10 erstrecken, sondern lediglich lokal im Bereich der Rippen 20, um an diesen Stellen eine optimierte Einleitung bzw. Ausleitung von Kräften in bzw. aus der betreffenden Rippe 20 zu gewährleisten.
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Zusammenfassend handelt es sich bei der dargestellten Endkante 10 um ein in Sandwichbauweise aus einer Mehrzahl von Bauteilkomponenten hergestelltes Sandwichbauteil, wobei (wenigstens) eine einen Kern des Bauteils ausbildende Wabenstruktur (12) als eine dieser Bauteilkomponenten mit weiteren Bauteilkomponenten (14, 16, 18, 20, 22, 24 und 26) umfassend eine obere Deckschicht (14) und eine untere Deckschicht (16) verbunden wird.
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In den schematischen Darstellungen der 1 bis 3 ist gut die insgesamt etwa keilförmige Formgestaltung der Endkante 10 bzw. der den Kern bildenden Wabenstruktur 12 zu erkennen. Diese schematische Darstellung zeigt jedoch nicht die in der Praxis benötigte komplizierte (nicht-ebene) Oberflächengestaltung der Endkante 10 sowohl an ihrer Oberseite als auch an ihrer Unterseite. Die Ober- und Unterseiten der Endkante 10 sind aus aerodynamischen Gründen in spezieller Weise gekrümmt auszubilden, woraus das Erfordernis einer Herstellung der Wabenstruktur 12 mit dementsprechend kompliziert formgestalteten Wabenstrukturoberflächen resultiert. An diesen (oberen und unteren) Wabenstrukturoberflächen schließen sich bei der fertigen Endkante 10 die oberen und unteren Deckschichten 14, 16 (bzw. bereichsweise die oberen und unteren Dopplerschichten 24, 26) an, so dass die äußere Formgestaltung der Endkante 10 ganz maßgeblich durch die Formgestaltung des somit möglichst ”passgenau” herzustellenden Wabenkerns bestimmt wird. In einem heutzutage bereits eingesetzten Verfahren zur Herstellung einer Endkante 10 der dargestellten Art kommt eine so genannte ”Zweischuss-Technik” zum Einsatz.
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Hierbei wird in einem ersten Schritt eine in einem quaderförmigen Wabenblock gelieferte Wabenstruktur zunächst entsprechend dem benötigtem Maß in Längenrichtung L und Breitenrichtung B zugeschnitten und entsprechend der benötigten ”Keilform” (schräg ansteigender Verlauf der Endkante) mit einem Übermaß von einigen mm gesägt und/oder gefräst. Die Wabenstruktur kann hierbei in einem ”Hilfsrahmen” eingelegt sein, der auf einer Längsseite durch den später mit der Wabenstruktur zu verbindenden Holm 18 und auf zwei gegenüberliegenden Schmalseiten durch die später mit der Wabenstruktur 12 zu verbindenden Rippen 20 gebildet wird. Die in einem derartigen ”Hilfsrahmen” eingelegte Wabenstruktur 12 kann sodann mit einer manuell geführten Fräsmaschine bearbeitet werden, wobei das genannte Übermaß von einigen mm berücksichtigt wird.
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In einem zweiten Schritt wird das Konstrukt aus Wabenstruktur 12, Holm 18 und Rippen 20 mit den unteren Dopplerschichten 26 und der unteren Deckschicht mittels einer ”ersten Verklebung” (”erster Schuss”) verbunden. An den betreffenden Anbindungsflächen zwischen verschiedenen Bauteilkomponenten ist dementsprechend ein Klebefilmauftrag (z. B. Epoxidharzsystem) vorzusehen. Anschließend erfolgt eine Aushärtung des Konstruktes gemäß eines Verfahrens, bei welchem die zusammengefügten und miteinander zu verklebenden Bauteilkomponenten druckbeaufschlagt werden, beispielsweise in einem Autoklaven. Ein derartiger Verklebungsprozess ist als solcher aus dem Bereich der Faserverbundtechnologie wohlbekannt.
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In einem dritten Schritt wird die noch freiliegende (obere) Wabenstrukturoberfläche durch Fräsen bearbeitet. Überstehende Materialanteile der Wabenstruktur 12 werden hierbei entsprechend der Geometrie der angrenzenden weiteren Bauteilkomponenten (Holm 18 und Rippen 20) passgenau wieder mittels einer manuell geführten Fräsvorrichtung entfernt. Hierdurch können die toleranzbehafteten Abmaße der Einzelteile nahezu exakt auf die Wabenstruktur 12 übertragen werden, um somit unerwünschte Geometriesprünge zwischen der Wabenstruktur 12 und den angrenzenden Bauteilkomponenten zu vermeiden.
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In einem vierten Schritt wird analog zur ”ersten Klebung” der durch den weiteren Fräsvorgang bearbeitete Verbund mit den entsprechenden oberen Dopplerschichten 24 und der oberen Deckschicht 14 (nach entsprechendem Klebefilmauftrag) verbunden und in einer ”zweiten Klebung” (”zweiter Schuss”) verklebt. In diesem Schritt wird außerdem die Faserverbundstruktur 22 angebunden. Die Aushärtung erfolgt anschließend wieder im Autoklaven.
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Dieser Herstellungsprozess bzw. dieses Verfahren wird als ”Zweischuss-Technik” bezeichnet, da zwei Fräsprozesse und sich jeweils daran anschließende Klebeprozesse vorgesehen sind. Der Nachteil dieser ”Zweischuss-Technik” liegt insbesondere in dem Aufwand für die zahlreichen Fertigungsschritte. Hinsichtlich des Zeitaufwandes besonders nachteilig ist die Notwendigkeit eines zweiten Verklebungsschrittes (mit beträchtlichem Zeitaufwand für die Aushärtung). Insbesondere sind hierbei die anfallenden Arbeitskosten des notwendig manuell geführten Fräsprozesses, Energiekosten für die Aushärtung im Autoklaven sowie nachteilig lange Durchlaufzeiten bei einer Serienproduktion als sehr nachteilig anzusehen. Zudem steigt aufgrund derjenigen Prozessschritte, die mit der ”zweiten Klebung” verbunden sind, auch das Auftreten qualitativer Fehler bzw. einer Ausschlussquote.
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4 verdeutlicht nochmals die vier wesentlichen Schritte im Gesamtablauf der ”Zweischuss-Technik”: In einem ersten Schritt S1 erfolgt ein Zuschneiden und/oder Fräsen der Wabenstruktur 12 an einer der beiden Wabenstrukturoberflächen. In einem zweiten Schritt S2 erfolgt dann die erste Klebung, bei welcher die bearbeitete Wabenstruktur 12 mit weiteren Bauteilkomponenten verbunden wird. In einem dritten Schritt S3 wird die Wabenstruktur 12 an der anderen der beiden Wabenstrukturoberflächen durch einen weiteren Bearbeitungsvorgang (z. B. Fräsvorgang) auf Endmaß gebracht. Schließlich erfolgt in einem vierten Schritt S4 die ”zweite Klebung”.
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Wünschenswert wäre daher eine Möglichkeit, die als Füllkörper des herzustellenden Bauteils (hier: Endkante 10) fungierende Wabenstruktur 12 in irgendeiner Weise bereits ”passgenau” zu fertigen, so dass diese in einer ”Einschuss-Technik”, d. h. mit einem einzigen Klebeschritt mit den weiteren Bauteilkomponenten pass- und geometriegenau verbaut werden kann, wobei insbesondere auch komplexe Formgestaltungen des Bauteils bzw. der Wabenstrukturoberflächen erzielbar sein sollten.
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Nachfolgend wird am Beispiel einer Fertigung der vorstehend bereits beschriebenen Endkante 10 eine erfindungsgemäße Vorgehensweise zur Realisierung der erwähnten ”Einschuss-Technik” beschrieben.
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5 veranschaulicht die mit einer ”Einschuss-Technik” erzielbare Vereinfachung, durch welche sich die Anzahl der Verfahrensschritte bei der Herstellung der Endkante 10 verringert:
In einem ersten Schritt S11 werden Steuerdaten zur Steuerung einer Werkzeugmaschine festgelegt, woraufhin in einem zweiten Schritt 512 die Wabenstruktur 12 in automatisierter Weise mittels der Werkzeugmaschine wenigstens an einer der Wabenstrukturoberflächen bearbeitet (z. B. gefräst) wird. Wesentlich ist hierbei, dass mit diesem Schritt S12 bereits die gesamte Bearbeitung der Wabenstruktur 12 (im Hinblick auf deren Passgenauigkeit) erledigt wird. Schließlich erfolgt in einem dritten Schritt S13 eine (einzige) Verklebung der Bauteilkomponenten miteinander.
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Die für diese ”Einschuss-Technik” erforderlich ”Komplett-Bearbeitung” der Wabenstruktur 12 wird hierbei durch ein Verfahren zur Bearbeitung der Wabenstruktur 12 realisiert, welches nachfolgend mit Bezug auf die 6 und 7 näher beschrieben wird.
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Wie in 6 schematisch dargestellt, werden zunächst die Wabenmündungen an einer der beiden Wabenstrukturoberflächen durch Fixieren einer Folie 30 an dieser Wabenstrukturoberfläche verschlossen, um sodann die mit der Folie 30 versehene Wabenstruktur 12 durch Ansaugen der Folie 30 an einer mit Vakuumöffnungen 32 versehenen Auflagefläche 34 zu halten.
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In diesem Verfahrensstadium kann die Wabenstruktur 12 wie in 6 symbolisiert noch eine z. B. quaderförmige Formgestaltung besitzen. Das vollflächige Ansaugen der Wabenstruktur 12 mit Hilfe der an der Unterseite fixierten (z. B. angeklebten) Folie 30 gewährleistet bei der nachfolgenden Bearbeitung der 6 oberen Wabenstrukturoberfläche, dass damit auf die Wabenstruktur 12 einwirkende Bearbeitungskräfte über die Länge und Breite der Wabenstruktur 12 verteilt in die Auflagefläche 34 eingeleitet werden bzw. diese Auflagefläche 34 für ein ”vollflächiges Abstützen” der Wabenstruktur 12 genutzt wird.
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Die Auflagefläche 34 ist hierbei eine Aufnahmebasis einer betreffenden Bearbeitungsstation, welche darüber hinaus noch ein automatisch und mittels der erwähnten Steuerdaten geführtes Werkzeug umfasst, wie etwa den in 6 beispielhaft eingezeichneten Fräskopf 36, mittels welchem die an der Auflagefläche 34 gehaltene Wabenstruktur 12 auf ihrer Oberseite materialabtragend bearbeitet wird, indem der Fräskopf 36 in programmgesteuerter Weise unter Berücksichtigung der Steuerdaten über die der Auflagefläche 34 abgewandte Oberseite bzw. obere Wabenstrukturoberfläche geführt wird. Bevor der Fräskopf 36 zum Einsatz kommt, erfolgt bevorzugt ein Sägen der Wabenstruktur 12 auf ihrer Oberseite, um zunächst eine ”Grobbearbeitung” vorzunehmen, aus welcher im dargestellten Beispiel die gewünschte ”Keilform” (mit einem gewissen Übermaß) resultiert. Mittels des Fräsvorganges erfolgt sodann die ”Feinbearbeitung”.
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7 veranschaulicht beispielhaft die nun in eine gewünschte Keilform gebrachte Wabenstruktur 12, bei welcher eine Materialstärke (Dicke) der Wabenstruktur 12 in 7 von links nach rechts abnimmt. Beispielhaft sind in 7 drei verschiedene lokale Dicken d1, d2 und d3 eingezeichnet. Die in 7 untere Wabenstrukturoberfläche ist auch nach dem gemäß 6 durchgeführten Bearbeitungsschritt eben.
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Bevor auf die weiteren Schritte zur Fertigstellung der Endkante 10 unter Verwendung der Wabenstruktur 12 eingegangen wird, seien zunächst einige vorteilhafte Besonderheiten hinsichtlich der Gewinnung der Steuerdaten erläutert, mittels welcher die betreffende Bearbeitungsstation bzw. deren Bearbeitungswerkzeug (hier: Fräskopf 36) gesteuert wird.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel ermittelt zunächst die als 5-Achs-Fräsmaschine ausgebildete Bearbeitungsstation mittels eines Messtasters die realen Maße von ”weiteren Bauteilkomponenten”, hier z. B. die Maße des Holms 18 und der Rippen 20, und speichert entsprechende Messwerte dieser Vermessung in elektronischer Weise. Die zu vermessenden Bauteilkomponenten können hierfür z. B. auf der Auflagefläche 34 aufgelegt und mittels des Messtasters abgetastet werden. Als Alternative zu einem mechanischen Messtaster kommt z. B. auch der Einsatz eines ”Laserscanners” oder dergleichen in Betracht.
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Sodann werden die aus dem Abtastvorgang resultierenden Vermessungsergebnisse als Eingangsgrößen einer auf einem Rechner ablaufenden Software zugeführt, welche unter Berücksichtigung der gewünschten ”Idealgeometrie” aller Bauteilkomponenten (durch die Konstruktion vorgegeben) die zur Bearbeitung der Wabenstruktur 12 erforderlichen Steuerdaten berechnet.
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Durch eine individuelle Vermessung der mit einer bestimmten Wabenstruktur 12 zu verbauenden weiteren Bauteilkomponenten lassen sich die Steuerdaten zur Bearbeitung dieser Wabenstruktur 12 optimal anpassen, d. h. die eigentlich bereits aus der Konstruktion vorgegebenen (”Idealfall”-)Steuerdaten können vorteilhaft den realen Gegebenheiten (tatsächliche Maße der zu verbauenden weiteren Bauteilkomponenten) angepasst werden. Damit wird vorteilhaft etwaigen Fertigungstoleranzen dieser weiteren Bauteilkomponenten Rechnung getragen.
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Daraufhin erst wird die betreffende Wabenstruktur 12 wie in 6 dargestellt an der Auflagefläche 34 (über die zuvor daran fixierte Folie 30) aufgelegt und (bevorzugt nach Grobbearbeitung durch eine Säge) der Fräskopf 36 mittels der berechneten Steuerdaten angesteuert, um eine von der Software als geeignet berechnete Oberflächengestaltung der Wabenstruktur 12 aus dem Wabenblock herauszuarbeiten.
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Die in 7 dargestellte, bearbeitete Wabenstruktur 12 wird sodann zusammen mit den weiteren Bauteilkomponenten (Deckschichten 14, 16, Dopplerschichten 24, 26, Holm 18 und Faserverbundstruktur 22) zusammengefügt und verklebt. Die Oberflächengestaltung der Wabenstruktur 12 kann sehr ”komplex” sein. Insbesondere kann der Wabenstruktur 12 durch deren Bearbeitung (6) eine über auch die Längenrichtung L variierende Dicke verliehen werden, was in der schematischen Seitenansicht von 7 nicht zu erkennen ist.
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Die Zusammenfügung und Verklebung der einzelnen Bauteilkomponenten kann so wie oben bereits für die Verklebungen der ”Zweischuss-Technik” und insbesondere gemäß Methoden und unter Verwendung von Werkzeugen (z. B. Form- und Aushärtewerkzeuge) durchgeführt werden, wie sie als solche aus dem Bereich der Faserverbundtechnologie wohlbekannt sind.
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Mit der ”Einschuss-Technik” lässt sich somit erreichen, dass ohne auf eine ”zweite Klebung” angewiesen zu sein, die Herstellung der Endkante 10 über einen einzigen Klebeprozess erfolgen kann. Vorteilhaft kann dies wie beschrieben mittels einer elektronischen Messdatenerfassung, einer programmierbaren Anpassung und Abgleichung sowie NC-Programmierung unter Verwendung einer automatischen Fräsvorrichtung umgesetzt werden.
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8 veranschaulicht in einer der Schnittansicht von 2 entsprechenden Ansicht die Formgestaltung der somit hergestellten Endkante 10 mitsamt darin als Kern verwendeter Wabenstruktur 12, wobei die Darstellung von 8 die Bauteil-Formgestaltung insofern etwas realistischer zeigt, als die Endkante 10 in 8 ersichtlich mit einer konvexen Oberseite (Außenseite der oberen Deckschicht 14) und einer konkaven Unterseite (Außenseite der unteren Deckschicht 16) ausgebildet ist.
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Da die hierfür verwendete Wabenstruktur 12 (siehe 7) unmittelbar nach ihrer Bearbeitung (nur an ihrer Oberseite) eine ebene untere Wabenstrukturoberfläche aufweist, wurde die bearbeitete Wabenstruktur 12 bei der Anbindung und Verklebung mit den weiteren Bauteilkomponenten gekrümmt und in einem gekrümmten Zustand mit diesen Bauteilkomponenten verbunden (verklebt). Durch diesen ”Trick” wird die in 8 schematisch dargestellte Krümmung auch der Unterseite der Endkante 10 realisiert.
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Durch eine solche Krümmung der Wabenstruktur 12 insgesamt, was je nach konkreter Gestaltung dieser Wabenstruktur 12 in einem gewissen Ausmaß möglich ist, ohne die Wabenstruktur 12 zu beschädigen, ”transformieren” sich die in 7 beispielhaft eingezeichneten Materialstärken d1 bis d3 in entsprechende, in 8 am fertigen Produkt sich ergebende Materialstärken d1 bis d3, wobei die in 8 eingezeichneten Materialstärken aufgrund der insgesamten Krümmung der Wabenstruktur 12 nicht mehr in Richtungen parallel zueinander vorliegen, wie dies auch in 8 eingezeichnet ist.
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Aufgrund der im beschriebenen Ausführungsbeispiel vorgesehenen Verwendung einer Software, welche unter Berücksichtigung der gewünschten ”Endgeometrie” (vgl. 8) die Steuerdaten zur materialabtragenden Bearbeitung der Wabenstruktur 12 an der oberen der Wabenstrukturoberflächen berechnet, kann die durch die insgesamte Krümmung der Wabenstruktur 12 hervorgerufene ”Verzerrung der Geometrie” vorteilhaft bereits bei der Berechnung der Steuerdaten berücksichtigt werden.
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Mit anderen Worten wird bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel die Wabenstruktur 12 gemäß 7 nicht zur Erzielung ihrer endgültigen (im fertigen Bauteil gewünschten) Geometrie bearbeitet (gefräst), sondern vielmehr zur Erzielung einer Geometrie, welche erst nach der Krümmung im Rahmen des nachfolgenden Verklebungsprozesses die endgültige Geometrie der Wabenstruktur 12 ergibt und somit auch die Geometrie des fertigen Bauteils vorgibt.
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Zusammenfassend ermöglicht die vorliegende Erfindung eine pass- und prozessgenaue Anfertigung eines Füllkörpers (Wabenstruktur) jeweils in Beziehung zu den mit Toleranzen behafteten, im fertigen Bauteil angrenzenden weiteren Bauteilkomponenten des Verbundsystems. Die passgenaue Fertigung des Füllkörpers geschieht hierbei bevorzugt über eine Messdatenerfassung der tatsächlich vorliegenden Istmaße dieser Bauteilkomponenten, der anschließenden rechnergestützten Verarbeitung der Messdaten, und schließlich einer Berechnung von Steuerdaten für ein Bearbeitungssystem, mittels welchem der Füllkörper passgenau gefertigt wird.