DE102012210043A1

DE102012210043A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung einer Leichtbaustruktur sowie Leichtbaustruktur

Info

Publication number: DE102012210043A1
Application number: DE102012210043A
Authority: DE
Inventors: Markus Müller; Paul Jörn; Tobias Ströhlein; Steffen Niemann; Christian Hühne; Markus Kleineberg
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV; Airbus Operations GmbH
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV; Airbus Operations GmbH
Priority date: 2012-06-14
Filing date: 2012-06-14
Publication date: 2013-12-19
Also published as: US20130337207A1; EP2674290B1; EP2674290A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer integral verstärkten Leichtbaustruktur 10 mit einem Faserverbundkunststoff, insbesondere einer Rumpftonne oder eines Schalenbauteils eines Flugzeugs, mittels eines Werkzeugs 32, wobei die Leichtbaustruktur 10 eine Vielzahl von sich in Knotenpunkten 22, 24, 70, 78, 90–96 kreuzende Versteifungsrippen 14–18 aufweist, wobei eine Haut 28 an die Versteifungsrippen 14–18 angebunden ist und das Werkzeug 32 eine Vielzahl von rinnenartigen Vertiefungen 36 zur Schaffung der Versteifungsrippen 14–18 aufweist, umfassend die folgenden Schritte: a) zumindest bereichsweises Ablegen mindestens einer Zwischenlage 54, 98, 100 und mindestens einer Verstärkungslage 50 in die Vertiefungen 36, b) Wiederholen des Schrittes a) bis die Vertiefungen 36 mit Zwischenlagen 54, 98, 100 und Verstärkungslagen 50 zur Ausbildung der Versteifungsrippen 14–18 mit integralen Anbindungsfüßen 60, 62, 106–112 zumindest teilweise ausgefüllt sind, c) Belegen des Werkzeugs 32, insbesondere mit Zwischenlagen 54, 98, 100 und/oder Verstärkungslagen 50, zur Herstellung der Haut 28, und d) Aushärten und/oder Verfestigen der Zwischenlagen 54, 98, 100 und Verstärkungslagen 50. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Leichtbaustruktur 10 sowie eine Vorrichtung 200 zur Herstellung derselben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer integral verstärkten Leichtbaustruktur mit einem Faserverbundkunststoff, insbesondere einer Rumpftonne oder eines Schalenbauteils eines Flugzeugs, mittels eines Werkzeugs, wobei die Leichtbaustruktur eine Vielzahl von sich in Knotenpunkten kreuzende Versteifungsrippen aufweist, wobei eine Haut an die Versteifungsrippen angebunden ist und das Werkzeug eine Vielzahl von rinnenartigen Vertiefungen zur Schaffung der Versteifungsrippen aufweist.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Herstellung einer integral verstärkten Leichtbaustruktur mit einem Faserverbundkunststoff, insbesondere einer Rumpftonne oder eines Schalenbauteils eines Flugzeugs, mittels eines Werkzeugs, wobei die Leichtbaustruktur eine Vielzahl von sich in Knotenpunkten kreuzende Versteifungsrippen aufweist, wobei eine Haut an die Versteifungsrippen angebunden ist und das Werkzeug eine Vielzahl von rinnenartigen Vertiefungen zur Schaffung der Versteifungsrippen aufweist.
Ferner betrifft die Erfindung eine Leichtbaustruktur, insbesondere eine Rumpftonne oder ein Schalenbauteil für ein Flugzeug, die mit einem Faserverbundkunststoff mittels eines Werkzeugs gebildet ist, wobei die integral verstärkte Leichtbaustruktur eine Vielzahl von sich in Knotenpunkten kreuzende Versteifungsrippen aufweist.
In der hergebrachten Aluminiumbauweise werden Flugzeugrumpfzellen beispielsweise in der s.g. "Vierschalenbauweise" hergestellt. Hierbei werden eine Unterschale, zwei Seitenschalen sowie eine Oberschale zu einer näherungsweise hohlzylindrischen Rumpfsektion bzw. einer s.g. "Rumpftonne" kombiniert. Aus mehreren hintereinander positionierten, ausgerichteten und verbundenen Rumpfsektionen wird die Flugzeugrumpfzelle zusammengesetzt. Die Aussteifung der Rumpfsektionen bzw. der hieraus gebildeten Flugzeugrumpfzelle erfolgt durch in Längsrichtung verlaufende Stringer und in Umfangsrichtung angeordnete Spante, die mit Anbindungsfüßen untereinander und mit einer die Außenhülle bildenden Haut verbunden sind. Die Verbindung der Stringer und der mit Spantsegmenten gebildeten Spante erfolgt durch Stringer- und Spantkupplungen. Diese Bauweise bedingt aufgrund der großen Anzahl von Teilen und der hierfür notwendigen Verbindungselemente einen hohen Fertigungsaufwand.
Zur weiteren Reduzierung des Gewichts können Strukturkomponenten, wie zum Beispiel Flugzeugrumpfzellen oder Tragflächen, mit immer größeren Anteilen aus Faserverbundkunststoffen (FVK) gefertigt werden.
Im Wickelverfahren aus vorimprägnierten, bahnförmigen Faserverbundkunststoffen hergestellte Rumpftonnen, die innenseitig mit einem regelmäßigen Gitternetz aus Versteifungselementen (s.g. "Isogrid") verstärkt sind, erlauben eine effektive Ausnutzung des Belastungspotenzials der FVK.
Aus der US 5,814,386 ist unter anderem eine im Wickelverfahren hergestellte Rumpfsektion bekannt, die innenseitig mit integral ausgebildeten Versteifungselementen verstärkt ist, die in einer im Wesentlichen regelmäßigen Gitterstruktur angeordnet sind. Zur Fertigung dieser Rumpftonne dient ein in etwa zylindrischer Wickeldorn, der mit einer Ummantelung aus einem elastischen Material, wie zum Beispiel Gummi oder Polyurethan, versehen ist. In die Ummantelung ist eine Vielzahl von rechteckförmigen Nuten eingelassen, die spiralförmig in Bezug zu einer Symmetrieachse des Wickeldorns verlaufen. In den Nuten werden zunächst endlose, unidirektionale Verstärkungsfasern (Filamente) zur Herstellung der Versteifungsrippen abgelegt, nach dem diese zuvor ein Harzbad durchlaufen haben, wobei zusätzlich schwingungsreduzierende Dämpfungslagen mit eingelegt werden. Mit Hilfe der Dämpfungslagen kann darüber hinaus überschüssiges Harz in den Kreuzungspunkten herausgedrückt und die einzelnen Lagen können mit einem definierten Anpressdruck abgelegt werden. Danach wird der gesamte Aufbau zur Fertigstellung der Haut mit einem Verstärkungsmaterial bewickelt, erforderlichenfalls noch mit einem polymeren Bindemittel imprägniert und abschließend ausgehärtet bzw. im Fall von thermoplastischen Bindemitteln wieder verfestigt. Die Dämpfungslagen werden in den Aufbau mit einvulkanisiert und verbleiben in diesem. Zum Schluss wird das Wickelteil durch das Entfernen des Wickelkerns und der Gummiummantelung fertiggestellt.
Aus der WO 2009/109564 A2 ist ferner eine plattenförmige Leichtbaustruktur sowie ein Verfahren zu deren Herstellung bekannt. Eine erste Platte ist mit einer Vielzahl von gitterartigen Nuten versehen. In dieses regelmäßige oder unregelmäßige Nutengitter kann ein passend ausgebildetes, vorgeformtes Gitter aus trockenen Verstärkungsfasern eingelegt werden. Der Aufbau wird anschließend mit einer zweiten, glatten Platte zur Schaffung einer ebenen Außenseite bedeckt. Das zwischen den Platten befindliche Verstärkungsfasergitter wird in einem abschließenden Verfahrensschritt, einschließlich aller vorhandenen Kavitäten, unter gleichzeitiger Ausfüllung von etwaigen Lufteinschlüssen mit einem aushärtbaren Kunststoffmaterial infiltriert und ausgehärtet.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Herstellung einer mit einem Faserverbundkunststoff gebildeten Leichtbaustruktur mit integralen, umfangsseitigen und diagonalen Versteifungselementen mit einer insbesondere optimierten Anbindung an eine Haut anzugeben, das zudem eine weitgehend automatisierbare und zugleich prozesssichere Fertigung gestattet.
Darüber hinaus ist es eine Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung zur Fertigung einer derartigen Leichtbaustruktur und eine solche Leichtbaustruktur mit integralen, umfangsseitigen und diagonalen Versteifungsrippen anzugeben.
Diese Aufgabe wird zunächst durch ein Verfahren nach Maßgabe des Patentanspruchs 1 mit den folgenden Schritten gelöst:

a) zumindest bereichsweises Ablegen mindestens einer Zwischenlage und mindestens einer Verstärkungslage in die Vertiefungen,
b) Wiederholen des Schrittes a) bis die Vertiefungen mit Zwischenlagen und Verstärkungslagen zur Ausbildung der Versteifungsrippen mit integralen Anbindungsfüßen zumindest teilweise ausgefüllt sind,
c) Belegen des Werkzeugs, insbesondere mit Zwischenlagen und/oder Verstärkungslagen, zur Herstellung der Haut, und
d) Aushärten und/oder Verfestigen der Zwischenlagen und Verstärkungslagen.

Eine Oberfläche des Werkzeugs kann eine ebene, eine ein- oder zweifach (sphärisch) gekrümmte Oberflächengeometrie oder eine beliebige Kombination der genannten Geometrien aufweisen. Das Ablegen der Verstärkungslagen und der Zwischenlagen auf dem Werkzeug erfolgt zum Beispiel mit Hilfe von automatischen Legeköpfen. Hierbei kann das Werkzeug in Bezug zu den Legeköpfen verfahren bzw. verdreht werden und/oder die Legeköpfe werden in Relation zum Werkzeug positioniert.
Verfahrensgemäß können integral zu einer Haut ausgebildete Versteifungsrippen hergestellt werden, die im Fall eines beispielsweise hohlzylindrischen Werkzeugs im Wesentlichen in dessen Umfangsrichtung sowie diagonal verlaufen können und die mit Anbindungsfüßen bzw. s.g. "T-Füßen" innenseitig an die Haut angebunden sind. Im Fall eines ein- oder zweifach gekrümmten, jedoch nicht hohlzylindrischen Werkzeugs können die Versteifungsrippen ebenfalls diagonal und/oder rechtwinklig zu einer Werkzeuglängsachse verlaufen. Aufgrund der bevorzugt in einer unregelmäßigen, im Wesentlichen nicht orthogonalen Gitterstruktur angeordneten Versteifungsrippen (s.g. "Anisogrid") ergibt sich eine lastflussgerechte Verstärkung der Leichtbaustruktur, die das Belastungspotenzial moderner FVK auszuschöpfen vermag. Infolge der integral mitausgebildeten Anbindungsfüße der Versteifungsrippen (s.g "Advanced Anisogrid") erhöht sich die Lasttragfähigkeit der Leichtbaustruktur weiter. Die Anbindungsfüße können hierbei zumindest abschnittsweise einseitig oder beidseitig an im Wesentlichen senkrechten Stegen der Versteifungsrippen integral ausgebildet werden, so dass Versteifungsrippen näherungsweise eine T-förmige, eine L-förmige oder eine rechteckförmige Querschnittsgeometrie aufweisen. Bevorzugt werden die Verstärkungslagen von den Zwischenlagen umhüllt, wodurch sich eine hohe Resistenz der Leichtbaustruktur gegenüber Einschlägen von Fremdkörper (s.g. "Impactverhalten") ergibt. Die Anbindungsfüße weisen bevorzugt einen harmonischen Lagenauslauf auf, wodurch sich ein verbessertes "Damage-Toleranz"-Verhalten ergibt. Unterschiedlich tief ausgestaltete Vertiefungen im Werkzeug ermöglichen unterschiedliche Höhen der Versteifungsrippen, insbesondere in Bereichen der Gitterstruktur, in denen das Flächenträgheitsmoment variiert werden muss, wie zum Beispiel in Rumpfumfangsrichtung, in Bereichen von Lasteinleitungen, größeren Verbolzungsarealen und dergleichen.
Darüber hinaus kann das Verfahren in vorteilhafter Weise hochgradig automatisiert und zugleich prozesssicher ausgeführt werden.
Im Verfahrensschritt a) werden zunächst bahnförmige, multidirektionale Zwischenlagen in die Vertiefungen des Werkzeugs abgelegt, um die Anbindungsfüße der Versteifungsrippen auszubilden. Parallel werden abwechselnd schmale, strangförmige bzw. streifenförmige Verstärkungslagen in die Vertiefungen eingebracht, die bevorzugt mit Verstärkungsfasern ausgerüstet sind, die eine Faserverlaufsrichtung von 0° (unidirektionales Material) aufweisen. Entsprechend des Verfahrensschrittes b) wird dieser Vorgang so lange wiederholt, bis die Vertiefungen mit Zwischenlagen und Verstärkungslagen vollständig ausgefüllt sind, wobei bevorzugt zuletzt eine Zwischenlage abgelegt wird, um insbesondere die Widerstandsfähigkeit gegenüber mit hoher Geschwindigkeit eindringenden Fremdkörpern zu erhöhen. Bevorzugt wird jeweils abwechselnd mindestens eine Verstärkungslage auf mindestens eine Zwischenlage abgelegt, wobei die Zwischenlagen bevorzugt die Außenflächen des Laminataufbaus bilden. Eine hiervon abweichende Legeweise ist gleichfalls möglich. Die Leichtbaustruktur mit den diagonal sich kreuzenden Versteifungsrippen kann beispielsweise auf einem ebenen, einem einfach, einem zweifach gekrümmten Werkzeug oder einem Werkzeug, das eine Kombination von zwei der genannten Oberflächengeometrien aufweist, mit Hilfe der Legeköpfe abgelegt werden. Ferner kann die Leichtbaustruktur im Wickelverfahren mit einem rotierendem Werkzeug und/oder mindestens einem um das Werkzeug herumgeführten Legekopf hergestellt werden, wobei an der Leichtbaustruktur eine Vielzahl von im Wesentlichen in Umfangsrichtung des Rotationswerkzeugs sowie zu einer Werkzeuglängsachse diagonal verlaufende Versteifungsrippen ausgebildet werden. Im Verfahrensschritt c) erfolgt das abschließende Ablegen eines mit einem geeigneten FVK gebildeten Materials auf dem Werkzeug zur Ausbildung der Haut. Bevorzugt kommen hierfür die Halbzeuge, die bereits für die Verstärkungslagen sowie die Zwischenlagen verwendet wurden, zum Einsatz. Im abschließenden Verfahrensschritt d) erfolgen das Aushärten und/oder das Verfestigen der Zwischenlagen und der Verstärkungslagen zur Ausbildung der integral ausgesteiften Leichtbaustruktur. Der Terminus des "Aushärtens" bezieht sich im Kontext der vorliegenden Beschreibung auf das Aushärten von duroplastischen FVK, während der Begriff des "Verfestigens" das Erhärten bzw. ein Wiederverfestigen von thermoplastischen FVK durch Abkühlen nach deren vorhergehender Plastifizierung durch Erhitzung meint. Zur Vervollständigung der Fertigstellung können weitere Verfahrensschritte, zum Beispiel das Entfernen des Werkzeugs sowie eine mechanische Nachbehandlung der Leichtbaustruktur, erforderlich sein. Die Versteifungsrippen verlaufen unter einem Winkel von φ, der zwischen ±90° und 0° in Relation zu einer Werkzeuglängsachse bzw. einer Längsachse der Leichtbaustruktur liegen kann. Hierbei sind die Intervallgrenzen von 0° und 90° jeweils eingeschlossen.
Nach Maßgabe einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die mindestens eine Vertiefung mit einer Nut mit zwei Seitenwänden gebildet ist und sich an mindestens einer Seitenwand zumindest abschnittsweise eine Nutrandzone anschließt, wobei die Verstärkungslagen in der Nut und die Zwischenlagen in der Nut und in der mindestens einen angrenzenden Nutrandzone abgelegt werden.
Mithilfe der bevorzugt jeweils an die Seitenwände der Nuten anschließenden Nutrandzonen lassen sich Anbindungsfüße integral zu den Versteifungsrippen ausbilden, die dann eine näherungsweise Tförmige Querschnittsgeometrie aufweisen. Alternativ kann nur eine Nutrandzone an einer Seitenwand der Nut vorgesehen sein, um Versteifungsrippen mit einer L-förmigen Querschnittsgeometrie herzustellen. Sind zumindest abschnittsweise keine Nutrandzonen an den Nuten ausgebildet, lassen sich Versteifungsrippen mit einer näherungsweise rechteckförmigen Querschnittsgeometrie ausbilden. Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens werden die Verstärkungslagen unter mechanischer Spannung in den Nuten abgelegt und/oder die Zwischenlagen werden im Bereich der Nutrandzonen fixiert.
Hierdurch wird während des Wickelprozesses ein radial nach innen gerichteter Anpressdruck zur Lagefixierung des bahnförmigen Halbzeugs und zur Kompaktierung des Laminataufbaus aufgebaut, um insbesondere Ondulationen, Kavitäten sowie Lufteinschlüsse zu vermeiden. Infolge der Lagefixierung können die Zwischenlagen nicht verrutschen und von den Verstärkungslagen in die Nuten gezogen werden. Die Lagefixierung kann beispielsweise mit einem Sprühkleber oder mittels eines innerhalb der Halbzeuge bereits vorhandenen, z.B. thermoplastischen Bindemittels, erfolgen. Ferner kann eine mechanische Klemmvorrichtung vorgesehen sein.
Eine weitere vorteilhafte Fortbildung des Verfahrens sieht vor, dass die mindestens eine Verstärkungslage vor mindestens einem Knotenpunkt durchtrennt und hinter dem Knotenpunkt im Bereich der Nut wieder angesetzt wird oder die mindestens eine Verstärkungslage den mindestens einen Knotenpunkt ungetrennt durchläuft.
Hierdurch kann eine Lagendopplung bzw. Aufdickung in den Knotenpunkten bzw. den Kreuzungspunkten vermieden werden, woraus sich ein nahezu konstanter Faservolumengehalt in den Versteifungsrippen einschließlich der Knotenpunkte ergibt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die mindestens eine Zwischenlage vor mindestens einem Knotenpunkt durchtrennt und hinter dem Knotenpunkt im Bereich der Nut wieder angesetzt wird oder das in die mindestens eine Zwischenlage im Bereich des mindestens einen Knotenpunktes zumindest bereichsweise mindestens eine Ausnehmung eingebracht wird.
Hierdurch wird eine im Einzelfall von Lagendopplungen freie Querung der Zwischenlagen ermöglicht. Im Fall einer exemplarisch rechtwinkligen Kreuzung zwischen zwei sich kreuzenden Zwischenlagen kann mindestens eine Zwischenlage im Knotenpunkt beispielsweise auf "Gehrung" geschnitten und hierdurch vollständig durchtrennt werden. Alternativ kann in mindestens einem Knotenpunkt zumindest bereichsweise mindestens eine Ausnehmung in mindestens eine Zwischenlage eingeschnitten werden, wodurch eine zumindest bereichsweise von Lagendopplungen freie Querung der Zwischenlagen erreichbar ist.
Durch lokales Beenden bzw. Durchtrennen und Wiederaufnehmen bzw. Wiederansetzen der Verstärkungslagen und/oder der Zwischenlagen ergibt sich ein nicht endloser Verlauf der Verstärkungsfasern bzw. der Filamente in den Verstärkungs- und/oder Zwischenlagen innerhalb des Werkzeugs bzw. der Leichtbaustruktur. Im Ergebnis werden verfahrensgemäß lediglich kürzere oder längere Abschnitte von den Verstärkungslagen und/oder den Zwischenlagen in den Nuten sowie den Nutrandzonen abgelegt.
Nach Maßgabe einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Verstärkungslagen mit einem strangförmigen Halbzeug gebildet sind, das mit einem faserverstärkten Kunststoffmaterial und/oder mit einem metallischen Material gebildet ist.
Das strangförmige Halbzeug kann zum Beispiel mit schmalen, streifenförmigen Geweben, Gelegen oder mit Strängen aus Kohlefasern (s.g. "Rovings" bzw. Unidirektionalmaterial (UD)), Glasfasern, Kevlar^®-Fasern, Aramid^®-Fasern und/oder anderen Kunststofffasern hergestellt sein. Die Verstärkungsfasern können zum Ablegezeitpunkt bereits mit einem Kunststoffmaterial vorimprägniert (s.g. "Prepreg-Material") oder unbehandelt, d.h. im Ablagezeitpunkt noch trocken sein. Weiterhin können die Verstärkungsfasern mit einem Bindemittel zusammengehalten sein, das zusätzlich zur Lagefixierung der Verstärkungslagen in den Vertiefungen des Werkzeugs dienen kann. Als Bindemittel bzw. Klebemittel können Polymere, wie zum Beispiel Thermoplaste oder Klebstoffe dienen.
Bevorzugt kommen Duroplaste, wie zum Beispiel Epoxidharze, oder thermoplastische Hochleistungskunststoffe zur Infiltration bzw. als Matrixmaterial für die Verstärkungsfasern zum Einsatz. Die Faserverlaufswinkel im strangförmigen Halbzeug betragen – in Bezug zu dessen Längsachse – vorzugsweise 0°, können aber hiervon abweichende Werte von bis zu ±90° aufweisen, um insbesondere die Drapierfähigkeit zu verbessern und eine faltenfreie Ablage zu ermöglichen. Weiterhin können die strangförmigen Halbzeuge bzw. die daraus gebildeten Verstärkungslagen metallische Materialien, insbesondere dünnschichtige Folien, Netze, Gewebe oder Drähte aus leichtgewichtigen Metallen, wie zum Beispiel Aluminiumlegierungen oder Titanlegierungen, beinhalten.
Bei einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Zwischenlagen mit einem bahnförmigen Halbzeug gebildet sind, das mit einem faserverstärkten Kunststoffmaterial und/oder mit einem metallischen Material gebildet ist und das eine Breite aufweist, die eine zumindest bereichsweise Auskleidung der Nuten und der Nutrandzonen erlaubt.
Die Faserverlaufswinkel im bahnförmigen, multidirektionalen Halbzeug ("Multidirektionalmaterial" (MD) bzw. "Nicht-Unidirektionalmaterial") betragen zum Beispiel zwischen –90° und +90° einschließlich der Intervallgrenzen in Bezug zu einer Längsachse des Halbzeugs. Alternativ oder zusätzlich können zumindest bereichsweise Metallfolien und/oder Drähte aus Aluminium- oder Titanlegierungen in das bahnförmige Halbzeug integriert sein. Anstelle eines bahnförmigen Halbzeugs können die Zwischenlagen auch mit vorgeformten, trockenen oder vorimprägnierten mechanisch eigenstabilen Faservorformlingen mit einer beispielsweise leicht trapezförmigen Querschnittsgeometrie mit ein oder beidseitig zumindest abschnittweise angeformten Flanschen zur Ausbildung der Anbindungsfüße gebildet sein. Die Kombination von Verstärkungslagen aus Unidirektional-Halbzeugen und Zwischenlagen mit Multidirektional-Halbzeugen verhindert zudem die Gefahr der Rissbildung und Verlangsamt den Rissfortschritt innerhalb der Leichtbaustruktur.
Darüber hinaus wird die erfindungsgemäße Aufgabe durch eine Vorrichtung nach Maßgabe des Patentanspruchs 8 dadurch gelöst, dass die mindestens eine Vertiefung eine Nut mit zwei sich beidseitig an eine Grundfläche anschließenden Seitenwänden ist, wobei sich an mindestens eine Seitenwand zumindest abschnittsweise eine Nutrandzone zur Ausbildung von integralen Anbindungsfüßen für die Haut anschließt.
Hierdurch können beispielsweise integral ausgebildete Versteifungsrippen mit Anbindungsfüßen bzw. T-Füßen hergestellt werden und die Lasttragfähigkeit der gesamten Leichtbaustruktur erhöht werden. Weiterhin ist eine nur einseitige Ausbildung von Anbindungsfüßen an den Versteifungsrippen möglich, die eine L-förmigen Querschnittsgeometrie ergeben. Fehlen die Nutrandzonen an einer Nut abschnittsweise ganz, so lassen sich Versteifungsrippen mit einer näherungsweise rechteckförmigen Querschnittsgeometrie fertigen. Die Nuten weisen eine näherungsweise trapezförmige Querschnittsgeometrie auf, während die spiegelverkehrt beidseitig an den Nuten ausgebildeten Nutrandzonen eine in etwa dreieckförmige bzw. keilförmige Querschnittsgeometrie aufweisen. Durch eine geeignete Variation der Querschnittsgeometrien der Nuten und der Nutrandzonen kann eine Vielzahl unterschiedlich ausgestalteter Versteifungsrippen mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung gefertigt werden. Die Nutrandzonen können bündig bzw. stufenlos in eine Oberfläche des Werkzeugs übergehen.
Um den Entformungsprozess zu vereinfachen, kann die Oberseite des Werkzeugs einschließlich der Vertiefungen zumindest bereichsweise mit einer antiadhäsiven und gegebenenfalls elastischen Beschichtung versehen sein. Diese Beschichtung kann beispielsweise mit Teflon^®, mit Gummimischungen oder mit Polyurethan oder einem anderen gummielastischen Material gebildet sein.
Eine Weiterbildung der Vorrichtung sieht vor, dass die Seitenwände der mindestens einen Nut und eine Oberfläche des Werkzeugs jeweils einen Winkel α zwischen 90° und 60° einschließen und entgegengesetzt geneigt ausgebildet sind.
Dies ermöglicht unter anderem die Fertigung von integralen Versteifungsrippen, deren Querschnittsgeometrie von der Trapezform bis zur Rechteckform bei einem Winkel α von 90° variieren kann. Darüber hinaus erleichtern die zumindest leicht trapezförmigen Nuten das Entformen nach der Fertigstellung der Leichtbaustruktur und reduzieren Kerbspannungen.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Vorrichtung sieht vor, dass die Nutrandzonen mit der Oberfläche des Werkzeugs jeweils einen Winkel β von mehr als 0° und weniger als 60° einschließen. Hierdurch lassen sich Versteifungsrippen mit integral ausgebildeten Anbindungsfüßen bzw. Haltefüßen (s.g. "Lastankopplungs- bzw. T-Füße") in fertigungstechnisch einfacher Weise herstellen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung ist ein erster Legekopf zum Ablegen von Verstärkungslagen und ein zweiter Legekopf zum Ablegen von Zwischenlagen vorgesehen, wobei die Legeköpfe und/oder das Werkzeug verfahrbar ausgebildet sind.
Beispielsweise können die Legeköpfe in Bezug zur Werkzeuglängsachse um einen Winkel γ zwischen 0° und 180° verschwenkbar und/oder zumindest parallel zur Werkzeuglängsachse verfahrbar ausgebildet sein. Ferner kann das Werkzeug in Relation zu den Legeköpfen rotierend ausgebildet sein und/oder die Legeköpfe können ihrerseits das Werkzeug rotierend umfahren. Die weitgehend frei im Raum positionierbaren Legeköpfe und/oder das in Relation zu den Legeköpfen weitgehend frei positionierbare Werkzeug ermöglichen unter anderem eine räumlich exakt definierte Ablage der Halbzeuge auf dem Werkzeug. Die Kontrolle der jeweiligen Verfahrbewegungen der Legeköpfe und/oder die Lagekontrolle des Werkzeugs im Raum sowie die gesamte Ablaufsteuerung des Fertigungsprozesses erfolgt bevorzugt vollautomatisiert mittels einer Rechnereinheit, um eine hohe Prozesssicherheit bei geringen Fertigungskosten zu erreichen.
Bei einer günstigen Fortentwicklung der Vorrichtung ist vorgesehen, dass der erste Legekopf mindestens einen Lagenspeicher und der zweite Legekopf mindestens einen weiteren Lagenspeicher mit einer nachgeschalteten Vorschubeinheit, einer Schneideinheit und einer Zuführeinheit aufweist.
Hierdurch können die Verstärkungs- und die Zwischenlagen zunächst in so großen Mengen vorgehalten werden, dass ein möglichst unterbrechungsfreier und vollautomatischer Fertigungsbetrieb ohne manuelle Eingriffe von außen erreichbar ist. Die Vorschubeinheit des zweiten Legekopfes erlaubt eine von den Lagenspeichern unabhängige Zufuhr der Halbzeuge unter einer definierten Zugspannung, wohingegen die Schneideinheit dem Zuschnitt der Zwischenlagen, insbesondere in den Knotenpunkten, dient. Die Zuführeinheit gewährleistet insbesondere die faltenfreie Ablage des Halbzeugs nach dem Durchlaufen der Schneideinheit. Vorzugsweise weist auch der erste Legekopf für die Verstärkungsfasern eine Vorschubeinheit mit einer nachgeschalteten Schneideinheit und einer Zuführeinheit auf. Weiterhin können optionale Andruckeinheiten, insbesondere Andruckrollen oder dergleichen, im Bereich der Zuführeinheiten vorgesehen sein, um eine exakt definierte, radial nach innen gerichtete Anpresskraft im Ablagebereich der Verstärkungslagen und der Zwischenlagen zu erreichen. Die Andruckeinheiten können Bestandteil der Zuführeinheit sein.
Darüber hinaus wird die erfindungsgemäße Aufgabe durch eine Leichtbaustruktur nach Maßgabe der kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 13 gelöst, wonach die Versteifungsrippen integral ausgebildete Anbindungsfüße zur Anbindung an eine Haut aufweisen. Durch die zusätzlich mittels der Anbindungsfüße an die Haut angekoppelten Versteifungsrippen erhöht sich die Lasttragfähigkeit der Leichtbaustruktur beträchtlich.
Nach Maßgabe einer Ausgestaltung der Leichtbaustruktur ist vorgesehen, dass die Versteifungsrippen mit einer Vielzahl von übereinander abgelegten Verstärkungslagen und Zwischenlagen gebildet sind.
Hierdurch lässt sich die Leichtbaustruktur verfahrensgemäß hochautomatisiert, kostengünstig sowie prozesssicher zum Beispiel auf der erfindungsgemäßen Vorrichtung fertigen. Ferner erreichen die Versteifungsrippen aufgrund der abwechselnden Abfolge von unidirektionalen Verstärkungslagen und multidirektionalen Zwischenlagen unter anderem eine hohe mechanische Festigkeit, eine hohe "Damage-Tolerance" und ein vorteilhaftes "Impact"-Verhalten.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Leichtbaustruktur ist vorgesehen, dass die Verstärkungslagen mit einem strangförmigen Halbzeug gebildet sind, das mit einem faserverstärkten Kunststoffmaterial mit einem Faserverlaufswinkel von etwa 0° und/oder mit einem metallischen Material gebildet ist, und die Zwischenlagen mit einem bahnförmigen Halbzeug gebildet sind, das mit einem faserverstärkten Kunststoffmaterial mit Faserverlaufswinkeln zwischen –90° und +90° und/oder mit einem metallischen Material gebildet ist.
Hierdurch ergibt sich ein weitgehend lastflussgerechter Verlauf der Verstärkungsfasern in den Versteifungsrippen, die im Zusammenwirken mit der strukturmechanisch als "Scheibe" wirkenden Haut eine mechanisch hochbelastbare, integral verstärkte Leichtbaustruktur ergeben. Die Faserverlaufsrichtungen der Verstärkungsfasern in den Zwischenlagen, die sich zwischen –90° und +90° einschließlich der Intervallgrenzen bewegen, ermöglichen unter anderem eine im Idealfall faltenfreie Ablage (s.g. "Drapierfähigkeit").
Die unidirektionalen Verstärkungslagen nehmen vor allem hohe, auf die Leichtbaustruktur einwirkende Umfangslasten (Zuglasten) auf, während die Zwischenlagen unter anderem Scher-, Biege und Schubspannungen aus der Haut aufnehmen und in diese einleiten. Durch das zumindest bereichsweise Einbetten metallischer Materialien, insbesondere von leichtgewichtigen Metalllegierungen in Draht-, Gewebe-, oder Folienform, kann die Lasttragfähigkeit der Leichtbaustruktur weiter optimiert werden. Die multidirektionalen Zwischenlagen verbessern darüber hinaus insbesondere das "Impact-Verhalten", die "Damage-Tolerance" und unterdrücken die Neigung zur Rissbildung und Rissausbreitung.
In der Zeichnung zeigt:
1 eine perspektivische Ansicht einer exemplarisch hohlzylindrischen Leichtbaustruktur mit teilweise dargestellter Haut,
2 eine schematische Querschnittsdarstellung durch eine Versteifungsrippe mit Haut und Werkzeug,
3 eine perspektivische Ansicht eines Knotenpunktes zwischen zwei diagonalen Versteifungsrippen und einer umfangsseitigen Versteifungsrippe,
4 einen Knotenpunkt zwischen zwei sich rechtwinklig kreuzenden Versteifungsrippen mit Verstärkungs- und Zwischenlagen in einer Draufsicht,
5–7 verschiedene Ausführungsformen von Knotenpunkten mit sich kreuzenden Verstärkungslagen,
8 einen Knotenpunkt zwischen zwei sich kreuzenden Zwischenlagen,
9 eine prinzipielle Darstellung einer Seitenansicht einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, und
10 eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf die Vorrichtung nach der 9.
In der Zeichnung weisen dieselben konstruktiven Elemente jeweils dieselbe Bezugsziffer auf.
Die 1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer hohlzylindrischen Rumpftonne als eine mögliche Ausführungsform einer Leichtbaustruktur.
Die Leichtbaustruktur 10 ist hier exemplarisch als eine näherungsweise hohlzylindrische Rumpftonne 12 bzw. eine Rumpfsektion für ein Flugzeug ausgebildet. Abweichend hiervon kann die Leichtbaustruktur 10 – zum Beispiel eine Oberschale für eine Tragfläche oder Rumpfzelle eines Flugzeugs – eine ebene und/oder eine einfach und/oder zweifach gekrümmte Geometrie aufweisen.
Die Leichtbaustruktur 10 ist mit einer Vielzahl von in Umfangsrichtung verlaufenden Versteifungsrippen 14 und mit einer Vielzahl von diagonal bzw. schräg verlaufenden Versteifungsrippen 16, 18 gebildet, die unter einem Winkel φ zwischen 0° und ±90° in Bezug zu einer Längsachse 20 (Symmetrieachse) der Leichtbaustruktur 12 verlaufen können. Der Winkel φ kann hierbei Werte von einschließlich ±90° bis einschließlich 0° aufweisen. Jeweils mindestens zwei Versteifungsrippen schneiden sich in einem Knotenpunkt. Von der Vielzahl der Knotenpunkte sind lediglich zwei Knotenpunkte 22, 24 mit einer Bezugsziffer versehen. Die Versteifungsrippen 14, 16, 18 bilden in ihrer Gesamtheit eine Gitterstruktur 26 bzw. eine Rippenstruktur, die außenseitig mit einer integral zu den Versteifungsrippen 14, 16 ausgebildeten monolithischen Haut 28 belegt ist. Die Versteifungsrippen stellen zusammen mit der Haut 28 die integral ausgebildete Leichtbaustruktur 10 dar.
Die Versteifungsrippen 14, 16, 18 sind abweichend von dem hier lediglich exemplarisch dargestellten, gleichmäßigen Verstärkungsgitter (s.g. "Isogrid") bevorzugt so angeordnet, dass sich eine unregelmäßige Gitterstruktur ("Anisogrid") ergibt, wobei sich die Versteifungsrippen 14, 16, 18 in den Knotenpunkten jeweils vorzugsweise unter von 90° verschiedenen Winkeln kreuzen. Hierbei können sich gleichfalls zwei, drei oder mehr Versteifungsrippen in den Knotenpunkten kreuzen. Eine Querschnittsgeometrie der Versteifungsrippen 14 bis 18 ist näherungsweise T-förmig.
Die Leichtbaustruktur 10 ist mit einem Faserverbundkunststoff (FVK) und/oder mit metallischen Materialien gebildet, wobei die Versteifungsrippen bevorzugt kraftflussgerecht angeordnet sind. Dies bedeutet, dass die Verstärkungsfasern im FVK der Versteifungsrippen im Idealfall im Wesentlichen in Richtung der lokalen Hauptbelastungsrichtung verlaufen. Demzufolge kann die erfindungsgemäße Leichtbaustruktur 10 das hohe Lastpotenzial moderner FVK in hohem Maße ausschöpfen, wodurch sich eine Gewichtsersparnis im Vergleich zur klassischen Aluminiumbauweise mit Stringern, Spanten, Winkelprofilen und Außenhaut ergibt. Die Aufgabe der herkömmlichen Ringspante in der konventionellen Aluminiumbauweise übernehmen hier vorrangig die in Umfangsrichtung orientierten Versteifungsrippen, während die diagonal verlaufenden Versteifungsrippen in ihrer Gesamtheit die Funktion der hergebrachten Stringer übernehmen. Die strukturmechanisch als "Scheibe" wirkende Haut 28 übernimmt im Wesentlichen unverändert die Funktion der Haut in der hergebrachten Aluminiumbauweise.
Die Leichtbaustruktur 10 kann eine von der lediglich exemplarisch angeführten hohlzylindrischen Gestalt abweichende Geometrie aufweisen und beispielsweise kegelstumpfförmig ausgebildet sein oder eine elliptische, eine ovale Querschnittsgeometrie oder eine Kombination von mindestens zwei der genannten Formen und Querschnittsgeometrien aufweisen.
Die 2 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung durch die Leichtbaustruktur 10 im Bereich der umfangsseitigen Versteifungsrippe 14 zusammen mit einem zur Herstellung benutzten Werkzeug.
In eine Oberfläche 30 eines hier lediglich exemplarisch als ein hohlzylindrisches Rotationswerkzeug ausgebildeten Werkzeugs 32 ist eine Vielzahl von umfangsseitigen und in Bezug zu einer Werkzeuglängsachse 34 diagonal verlaufenden Vertiefungen 36 zur Schaffung der zur Verstärkung dienenden Gitterstruktur 26 eingebracht. Die Werkzeuglängsachse 34 verläuft parallel zur Längsachse der Leichtbaustruktur 10 (vgl. insb. 1). Die räumliche Anordnung der Vertiefungen 36 innerhalb der Oberfläche 30 des Werkzeugs 32 korrespondiert mit der abzubildenden Gitterstruktur 26. Die 2 zeigt eine als Nut 38 ausgeführte Vertiefung 36 mit beidseitig an zwei Seitenwände 40, 42 angrenzenden Nutrandzonen 44, 46 mit einer jeweils in etwa dreieckförmigen bzw. keilförmigen Querschnittsgeometrie. Die an eine Grundfläche 48 anschließenden Seitenwände 40, 42 der näherungsweise trapezförmigen Nut 38, sind in Bezug zur Oberfläche 30 jeweils unter einem Winkel α entgegengesetzt geneigt ausgebildet. Der Winkel α kann beliebige Werte zwischen 0° und 90° einnehmen, wobei die Intervallgrenzen ausgeschlossen sind. Die Nutrandzonen 44, 46 schließen mit der Oberfläche 30 des Werkzeugs 32 jeweils einen Winkel β ein. Der Winkel β kann beliebige Werte zwischen 0° und 90° einnehmen, wobei die Intervallgrenzen gleichfalls ausgenommen sind. Im gezeigten Ausführungsbeispiel der 2 gehen die Nutrandzonen 44, 46 bündig in die Oberfläche 30 des Werkzeugs 32 über. Abweichend hiervon kann auch mindestens eine Stufe als Übergang zur Haut 28 vorgesehen sein.
In der Nut 38 ist eine Vielzahl von Verstärkungslagen 50 – von denen lediglich die vier untersten mit einer Bezugsziffer versehen sind – angeordnet, die ihrerseits mit einer Vielzahl von hier strangförmigen bzw. streifenförmigen unidirektionalen Halbzeugen 52 gebildet sind. Zwischen jeweils vier Verstärkungslagen 50 ist hier exemplarisch jeweils eine Zwischenlage 54, die mit einem bahnförmigen multidirektionalen Halbzeug 56 gebildet ist, eingelegt. Die Zwischenlagen 54 weisen im Vergleich zu den Verstärkungslagen 50 eine deutlich größere Breite auf. Die bahnförmigen Zwischenlagen 54 weisen vorzugsweise eine Breite auf, die einem Vielfachen einer Breite der strangförmigen Verstärkungslagen 50 entspricht, um unter anderem die mechanische Anbindung an die Haut 28 zu optimieren.
Vorzugsweise erhöhen die multidirektionalen Zwischenlagen 54 die Unempfindlichkeit der Leichtbaustruktur 10 gegenüber Fremdkörpereinschlägen (s.g. "Impact Resistance"), wirken der Rissentstehung und Rissausbreitung entgegen, vergrößern die Schadenstoleranz (s.g. "Damage Tolerance") und vereinfachen Reparaturen der Leichtbaustruktur im Allgemeinen.
Die Vertiefung 36 ist mit einer ersten Zwischenlage 54 vollflächig ausgekleidet, wohingegen die oberste Verstärkungslage 50 nicht mit einer Zwischenlage 54 bedeckt ist und direkt an die Haut 28 angebunden ist. Die Verstärkungslagen 50 sowie die Zwischenlagen 54 füllen die Vertiefung 36 zumindest teilweise aus. Eine nicht bezeichnete Breite der Zwischenlagen 54 ist so bemessen, dass zumindest die werkzeugnächste Zwischenlage 54 die Vertiefung 36 vollständig bedeckt. Da sich die Nut 38 bei fortschreitendem Ablegebzw. Wickelprozess zunehmend mit Verstärkungslagen 50 und Zwischenlagen 54 anfüllt, ergibt sich bei einer konstanten Breite der Zwischenlagen 54 im Bereich der Nutrandzonen 44,46 ein fein gestufter, keilförmiger Übergang an die Haut 28.
Eine vom gezeigten exemplarischen Laminataufbau abweichende Abfolge von Verstärkungslagen 50 und Zwischenlagen 54 ist gleichfalls möglich. Die im Bereich der Nut 38 abwechselnd gruppenweise übereinander abgelegten Verstärkungslagen 50 und Zwischenlagen 54 bilden einen senkrechten im Wesentlichen senkrechten Steg 58 der Versteifungsrippe 14 zur Haut 28 mit einer leicht trapezförmigen Querschnittsgeometrie, die mit der Querschnittsgeometrie der Nut 38 innerhalb des Werkzeugs 32 korrespondiert. An den Steg 58 schließen sich die im Bereich der Nutrandzonen 44, 46 mit den darauf abgelegten Zwischenlagen 54 erfindungsgemäß ausgebildeten Anbindungsfüße 60, 62 (s.g. "T-Füße") an. Somit ergibt sich für die Versteifungsrippe 14 im gezeigten Ausführungsbeispiel der 2 eine näherungsweise T-förmige Querschnittsgeometrie. Durch die beidseitig integral zum Steg 58 sowie zur Haut 28 ausgebildeten Anbindungsfüße 60, 62 mit einer näherungsweise dreieckförmigen bzw. keilförmigen Querschnittsgeometrie wird insbesondere die mechanische Anbindung der Versteifungsrippe 14 an die Haut 28 optimiert.
Während des Ablege- bzw. Wickelprozesses werden die Verstärkungslagen 50 bevorzugt mit einer definierten Zugspannung auf der Oberfläche 30 des Werkzeugs 32 abgelegt, um insbesondere eine radial nach innen gerichtete Andruckkraft zu generieren. Um hierbei ein Hineinrutschen bzw. ein Abgleiten der Zwischenlagen 54 in die Nut 38 zu verhindern, kann es im Bereich der Nutrandzonen 44, 46 erforderlich sein, die Zwischenlagen 54 mit Hilfe eines geeigneten Klebemittels, zum Beispiel eines bei geringer Temperatur aufschmelzbaren thermoplastischen Kunststoffes und/oder eines Sprühklebers, in ihrer Lage während und nach dem Wickelprozess zu fixieren. Darüber hinaus kann eine mechanische Fixierung z.B. durch das Festklemmen der Zwischenlagen 54 erfolgen. Ferner können die Zwischenlagen 54 selbst mit einem vorfixierten, d.h. mit einem mechanisch bereits hinreichend eigenstabilen Vorformling gebildet sein. Eine Tiefe 64 der Nut 38 ist so bemessen, dass sich eine hinreichende, nicht bezeichnete Höhe des Steges 58 der Versteifungsrippe 14 für eine aufzunehmende mechanische Last bzw. Spannung ergibt. Die Tiefe 64 der Nut 38 kann abschnittsweise variieren, um Versteifungsrippen mit unterschiedlichen Höhen zu fertigen. Entsprechend kann auch eine Breite der Nut 38 und/oder der Nutrandzonen 44, 46 abschnittsweise geändert werden. Infolge der leicht trapezförmigen Querschnittsgeometrie der Nut 38 kann das Werkzeug 32 – nachdem alle Verstärkungs- und Zwischenlagen 50, 54 abgelegt, die Haut 28 hergestellt und der gesamte Laminataufbau gegebenenfalls noch mit einem Matrixmaterial infiltriert und ausgehärtet wurde – leichter entformt werden.
Bei den Halbzeugen 52, 56 kann es sich grundsätzlich um Prepreg-Material oder um, bis auf optionale Hilfs-, Binde- oder Klebemittel, trockene Verstärkungsfaseranordnungen und/oder um metallische Materialien, insbesondere Metallfolien, Netze und/oder Drähte, handeln. Die Haut 28 wird durch das Aufwickeln oder das Ablegen von Verstärkungslagen 50 und/oder Zwischenlagen 54 und/oder anderer Verstärkungsfaseranordnungen auf das Werkzeug 32 gebildet. Alternativ oder zusätzlich können sowohl die Verstärkungslagen 50 als auch die Zwischenlagen 54 und die Haut 28 metallische Materialien aufweisen.
In einer möglichen Ausführungsform sind die Verstärkungslagen 50 mit einem strangförmigen bzw. streifenförmigen Halbzeug 52 gebildet, dessen Faserverlaufsrichtung im Wesentlichen bei etwa 0° liegt, während die Zwischenlagen 54 mit einem bahnförmigen Halbzeug 56 gebildet sein können, welches eine Vielzahl von unterschiedlichen Faserverlaufsrichtungen zwischen +90° und –90° aufweist. Die Halbzeuge 52, 56 können mit beliebigen FVK und/oder mit metallischen Materialien gebildet sein.
Zum Beispiel kann das strangförmige Halbzeug 52 mit unidirektionalen Faser- bzw. Filamentbündeln (s.g. "Rovings") oder mit schmalen im Wesentlichen unidirektionalen Gewebe- oder Gelegebändern aus einem Prepregmaterial aufgebaut sein, während das bahnförmige multidirektionale Halbzeug 56 zur Abdeckung der Vertiefung 36 mit einem deutlich breiteren, bahnförmigen Gewebe, Gelege oder einer anderen vorimprägnierten Verstärkungsfaseranordnung aufgebaut sein kann. Als Verstärkungsfasern kommen insbesondere Kohlefasern, Glasfasern, Kevlar^®-Fasern oder Aramid^®-Fasern in Betracht, die mit einem duroplastischen oder thermoplastischen Kunststoffmaterial als Matrixmaterial imprägniert sind. Als Matrixbildner kommen aufgrund der hohen mechanischen Anforderungen an die Leichtbaustruktur 10 duroplastische Kunststoffe, insbesondere Epoxidharze, oder Hochleistungsthermoplaste in Betracht. Als metallische Werkstoffe können vor allem leichtgewichtige Metalllegierungen, insbesondere Aluminiumlegierungen und/oder Titanlegierungen, verwendet werden.
Da die Versteifungsrippen 14 jeweils bevorzugt der lokalen Lastflussrichtung innerhalb der Leichtbaustruktur 10 folgen, bewirken die unidirektionalen Verstärkungslagen 50 in umfangsseitigen Versteifungsrippen der späteren Rumpfzellenstruktur vor allem einen beträchtlichen Festigkeitszuwachs gegenüber in radialer Richtung wirkenden Zugspannungen bzw. Zuglasten. Die Zwischenlagen 54, die mit dem bahnförmigen, multidirektionalen Halbzeug 56 und bevorzugt mit einer Vielzahl von 0° verschiedenen Faserverlaufsrichtungen aufgebaut sind, übernehmen hingegen insbesondere Schub-, Biegeund Scherspannungen innerhalb der Leichtbaustruktur 10. Darüber hinaus erleichtert diese Faserverlaufsrichtung die Drapierfähigkeit, wodurch die Gefahr einer Faltenbildung beim Ablegen der Zwischenlagen 54 in die Vertiefungen 36 des Werkzeugs 32 verringert wird.
Die 3 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Knotenpunktes mit drei sich kreuzenden Versteifungsrippen. Die Haut der Leichtbaustruktur ist der besseren zeichnerischen Übersicht halber nicht dargestellt.
Zwischen den beiden diagonalen Versteifungsrippen 16, 18 und der umfangsseitigen Versteifungsrippe 14 besteht ein Knotenpunkt 70, wobei sich die Versteifungsrippen 14 bis 18 unter einem von 90° verschiedenen Winkel kreuzen. Weiterhin ist ersichtlich, dass die Versteifungsrippen 14 bis 18 jeweils eine näherungsweise T-förmige Querschnittsgeometrie mit einem senkrechten Steg und beidseitig daran anschließenden Anbindungsfüßen bzw. Anbindungsflanschen für die Haut der Leichtbaustruktur aufweisen. Die umfangsseitige Versteifungsrippe 14 kann die Spantfunktion in der klassischen Rumpfzellenbauweise übernehmen und hohe Umfangslasten in der späteren Rumpfzelle aufnehmen, während die diagonalen Versteifungsrippen 16, 18 primär die Aufgabe haben, Schub-, Biege- und Scherspannungen aufzunehmen und/oder in die Haut der Leichtbaustruktur einzuleiten. Eine Höhe 72 der umfangsseitigen Versteifungsrippe 14, einschließlich einer Materialstärke der Anbindungsfüße 60, 62, ist hierbei vorzugsweise größer dimensioniert, als die Höhen 74, 76 der diagonalen Versteifungsrippen 16, 18, wobei die Materialstärken der zugehörigen der Anbindungsfüße einbezogen sind.
Die 4 illustriert eine schematische Draufsicht auf eine mögliche Ausführungsform eines Knotenpunktes zwischen zwei sich orthogonal kreuzenden Versteifungsrippen.
Zwischen den zwei jeweils mit Verstärkungs- und Zwischenlagen 50, 54 aufgebauten und sich hier exemplarisch rechtwinklig querenden Versteifungsrippen 16, 18 besteht ein Knotenpunkt 78. Die Verstärkungslagen 50 verlaufen hier oberhalb der Zwischenlagen 54. Die jeweils durchlaufenden, ungeschnittenen unidirektionalen Verstärkungslagen 50 liegen im Knotenpunkt 78 in einem quadratischen Überlappungsbereich 80, unter Schaffung einer Lagendopplung, übereinander. Die Zwischenlagen 54 sind jeweils vollständig durchtrennt, so dass im Überlappungsbereich 80 keine weitere Lagendopplung entsteht. Zu diesem Zweck ist in nicht bezeichnete vier Endabschnitte der Zwischenlagen 54 im Bereich des Knotenpunktes 78 jeweils ein trapezförmiger, im Wesentlichen quer zu deren Längsachse 82 verlaufender Schnitt 84 eingebracht, d.h. die Zwischenlagen 54 stoßen im Ergebnis auf "Gehrung" allseitig an den quadratischen Überlappungsbereich 80 an.
Alternativ ist es auch möglich, die Zwischenlagen 54 im Bereich des quadratischen Überlappungsbereichs 80 undurchtrennt zu belassen. In diesem Fall weisen die beiden, dann durchlaufenden Zwischenlagen 54 im Bereich des Knotenpunktes 78 jeweils zwei, beidseitig gegenüberliegend angeordnete und im Wesentlichen jeweils parallel zu den Längsachsen 82 verlaufende, nicht bezeichnete trapezförmige Einschnitte auf. Bei dieser Ausführungsform kommt es im Überlappungsbereich 80 jedoch zu einer Lagendoppelung der Zwischenlagen 54.
An dieser Stelle sei ferner darauf hingewiesen, dass sich im Knotenpunkt 78 auch mehr als zwei Versteifungsrippen 16, 18 unter einem von 90° abweichenden Winkel in entsprechender Weise kreuzen können.
Die 5 bis 7 zeigen weitere mögliche Ausführungsformen von Knotenpunkten zwischen Verstärkungslagen. Der besseren zeichnerischen Übersicht wegen sind in den 5 bis 7 lediglich die sich überkreuzenden Verstärkungslagen dargestellt.
Ein Knotenpunkt 90 ist nach Maßgabe von 5 mit einer Vielzahl von sich hier exemplarisch rechtwinklig kreuzenden, strang- bzw. streifenförmigen Verstärkungslagen 50 gebildet. Die oberste, aus der Richtung IV in den Knotenpunkt 90 einlaufende Verstärkungslage 50 ist vor dem Knotenpunkt 90 abgeschnitten und hinter dem Knotenpunkt 90 wieder angesetzt, während die aus der Richtung III in den Kreuzungspunkt 90 einlaufende oberste Verstärkungslage 50 durchgehend ausgebildet ist. In der unmittelbar darunter befindlichen Lagenebene ist hingegen die aus der Richtung IV einlaufende Verstärkungslage 50 durchgehend ausgebildet, während die aus der Richtung III hinzu stoßende Verstärkungslage 50 im Bereich des Knotenpunktes 90 durchtrennt ist und danach wieder angesetzt ist. Eine Länge der jeweils herausgetrennten Abschnitte entspricht hierbei ungefähr jeweils einer nicht bezeichneten Breite der Verstärkungslagen 50. In den darunter befindlichen Lagenebenen wird jeweils entsprechend verfahren. Hierdurch wird eine Dopplung der Verstärkungslagen 50 im Fall von jeweils zwei sich kreuzenden Verstärkungslagen 50 im Bereich des Knotenpunktes 90 und eine hiermit einhergehende gegebenenfalls unerwünschte Aufdickung des Laminataufbaus im Knotenpunkt 90 verhindert. Aufgrund der sich hier jeweils lagenweise bzw. ebenenweise abwechselnden Abfolge von durchtrennten und durchlaufenden Verstärkungslagen 50 ergibt sich eine sehr intensive Verkämmung und damit ein inniger Verbund der Verstärkungslagen 50 untereinander.
Im Unterschied zum Knotenpunkt 90 nach Maßgabe der 5 sind bei einem Knotenpunkt 92 in der 6 die drei obersten aus der Richtung IV in den Knoten 92 einlaufenden Verstärkungslagen 50 vor dem Knotenpunkt 92 jeweils durchtrennt und nach dem Durchlaufen desselben wieder angesetzt, während die drei obersten aus der Richtung III in den Knotenpunkt 92 einlaufenden Verstärkungslagen 50 diesen ungeschnitten passieren. Genau umgekehrt wird bei den drei unteren, aus der Richtung IV in den Knotenpunkt 92 einlaufenden Verstärkungslagen 50 und den drei unteren, aus der Richtung III in den Knotenpunkt 92 einlaufenden Verstärkungslagen 50 verfahren. In jeder Richtung III oder IV liegen immer abwechselnd jeweils drei durchgehende und drei durchlaufende Verstärkungslagen 50 übereinander. Hierbei werden die Verstärkungslagen 50 solange übereinander gekreuzt, bis im Knotenpunkt 92 eine gewünschte Materialstärke erreicht ist. Im Unterschied zur Ausführungsform gemäß der Fig. 5 erfolgt hier ein gruppenweiser Wechsel der Abfolge von durchgehenden und durchtrennten Zwischenlagen aus den Richtungen III und IV, wobei die Gruppe zwei, drei oder eine höhere Anzahl von Verstärkungslagen 50 umfassen kann.
Bei einem Knotenpunkt 94 nach 7 ist eine aus der Richtung IV kommende, oberste Verstärkungslage 50 vor dem Knotenpunkt 94 durchtrennt und danach wieder angesetzt. Die aus der Richtung III auf den Knotenpunkt 94 zulaufende Verstärkungslage 50 befindet sich in derselben Lagenebene, durchläuft den Knotenpunkt 94 jedoch ungeschnitten. Zwei unterhalb der obersten, aus der Richtung IV kommende Verstärkungslagen 50 durchlaufen den Knotenpunkt 94 wiederum ungeschnitten, während zwei unterhalb der obersten, aus der Richtung III zu laufende Verstärkungslagen 50 vor dem Knotenpunkt 94 durchtrennt und danach wieder angesetzt sind. In umgekehrter Reihenfolge gestaltet sich die Abfolge von durchtrennten und durchgehenden Verstärkungslagen 50 im Fall der drei weiteren, unteren Verstärkungslagen 50.
Bei allen drei Ausführungsformen von Knotenpunkten 90 bis 94 wird eine Aufdickung aufgrund einer Lagedopplung infolge sich kreuzender Verstärkungslagen 50 vermieden. Neben den in 5 bis 7 lediglich exemplarisch gezeigten drei Kreuzungsmöglichkeiten von Verstärkungslagen 50 unter Schaffung der drei Knotenpunkte 90 bis 94 können weitere, nicht dargestellte beliebige Abfolgen von durchtrennten und durchlaufenden Verstärkungslagen 50 zur Bildung von Knotenpunkten vorgesehen sein. Darüber hinaus kann sich eine beliebige Anzahl von Verstärkungslagen 50 unter beliebigen, insbesondere von 90° verschiedenen Winkeln, in derartigen Knotenpunkten kreuzen.
Die 8 illustriert in einer stark vereinfachten perspektivischen Darstellung eine alternative Ausführungsform eines Knotenpunktes zwischen zwei sich hier lediglich exemplarisch orthogonal kreuzenden Zwischenlagen mit einer jeweils trapezförmigen Querschnittsgeometrie. Der besseren zeichnerischen Übersicht halber sind hier die, sich gleichfalls überkreuzenden, Verstärkungslagen nicht eingezeichnet.
In einem Knotenpunkt 96 kreuzen sich zwei bahnförmige, multidirektionale Zwischenlagen 98, 100. Jede Zwischenlage 98, 100 verfügt über einen Steg 102, 104 mit einer ungefähr trapezförmigen Querschnittsgeometrie, an dessen nicht bezeichneten Flanken sich jeweils beidseitig waagerecht verlaufende Anbindungsfüße 106 bis 112 anschließen. Jeweils zwei nicht bezeichnete Flanken eines Stegs 102, 104 sind geringfügig entgegengesetzt geneigt ausgebildet. Die horizontal verlaufenden Anbindungsfüße 106 bis 112 bzw. die Flansche sind jeweils beidseitig der Stege 102, 104 voneinander wegweisend ausgebildet. Die Zwischenlage 98 durchquert den Knotenpunkt 96 ungeschnitten, während in die Flanken und die Anbindungsfüße 110, 112 der Zwischenlage 100 jeweils zwei Ausnehmungen 114,116 zur Durchleitung der Zwischenlage 98 eingeschnitten sind. Im ebenen, nicht aufgefalteten Zustand der Zwischenlage 100 haben die Ausnehmungen 114, 116 in etwa die Form eines Trapezes an dessen Breitseite sich ein gleichbreites Rechteck anschließt. In quadratischen Überlappungsbereichen 118 kommt es jeweils zu einer Lagendopplung zwischen den Anbindungsfüßen 106 bis 112 und Oberseiten 120, 122 der Stege 102, 104 der Zwischenlagen 98, 100. Um eine Lagendopplung im Bereich der Anbindungsfüße 106 bis 112 zu vermeiden, können die betreffenden Anbindungsfüße 106, 108 oder 110, 112 jeweils einer der beiden Zwischenlagen 98, 100 im Bereich der quadratischen Überlappungsbereiche 118 nicht dargestellte Ausnehmungen aufweisen, deren Form mit denen der Überlappungsbereiche 118 korrespondiert. Eine nicht bezeichnete Breite der ebenen, nicht aufgefalteten Zwischenlagen 98, 100, ist so bemessen, dass die Vertiefungen im Werkzeug bevorzugt vollständig bedeckt sind, um die Anbindungsfüße auszubilden.
Die 9 und 10, auf die im weiteren Fortgang der Beschreibung zugleich Bezug genommen wird, zeigen eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Fertigung der Leichtbaustruktur (vgl. insb. 1) in jeweils einer vereinfachten Seitenansicht und Draufsicht.
Eine Vorrichtung 200 zur Fertigung der erfindungsgemäßen Leichtbaustruktur verfügt über ein hier lediglich exemplarisch hohlzylindrisch ausgestaltetes Werkzeug 32, das sich um eine Werkzeuglängsachse 34 dreht. Abweichend hiervon kann das Werkzeug 32 auch eine ebene Oberfläche 30 und/oder eine einfach und/oder eine zweifach gekrümmte Oberfläche 30 aufweisen, um zum Beispiel eine Fertigung von sphärisch gekrümmten Schalenteilen zu erlauben.
In die Oberfläche 30 des Werkzeugs 32 ist eine Vielzahl von diagonalen und umfangsseitigen Vertiefungen 36 eingebracht, in die die Verstärkungslagen 50 und die Zwischenlagen 54, 98, 100 abgelegt werden. Die Vertiefungen 36 zur integralen Ausbildung der Versteifungsrippen der Leichtbaustruktur sind bevorzugt unter Winkeln φ zwischen 0° und ±90° in Relation zur Werkzeuglängsachse 34 verlaufend eingebracht, wobei die Intervallgrenzen eingeschlossen sind. In hier nicht bezeichneten Knotenpunkten kreuzen sich jeweils mindestens zwei Vertiefungen unter einem Winkel φ von 90° oder einem kleineren Winkel und bilden bevorzugt eine unregelmäßige Gitterstruktur. In die mittels der Vertiefungen 36 gebildete Gitterstruktur werden die Verstärkungs- und Zwischenlagen 50, 54, 98, 100 sukzessive zur Schaffung der Versteifungsrippen der Leichtbaustruktur lagenweise übereinander abgelegt. Die Vertiefungen 36 sind bevorzugt als Nuten mit Nutrandzonen ausgebildet (vgl. insb. 2).
Die Vorrichtung 200 verfügt beispielsweise über zwei Legeköpfe 202, 204, die hier jeweils einen Lagenspeicher 206, 208, eine Vorschubeinheit 210, 212, eine Schneideinheit 214, 216 und eine Zuführeinheit 218, 220 aufweisen. Der erste Legekopf 202 dient zur Ablage der Verstärkungslagen 50, wohingegen der zweite Legekopf 204 erfindungsgemäß zur gleichzeitigen Ablage der Zwischenlagen 54, 98, 100 bestimmt ist. Die trommelförmigen Lagenspeicher 206, 208 dienen zur Bevorratung einer ausreichenden Menge an Verstärkungsund Zwischenlagen, um vor allem einen vollautomatischen, unterbrechungsfreien und zuverlässig reproduzierbaren Produktionsprozess der Leichtbaustruktur zu gewährleisten. Hinsichtlich der mit strangförmigen und bahnförmigen Halbzeugen aus FVK und/oder metallischen Materialien gebildeten Verstärkungs- und Zwischenlagen 50, 54, 98, 100, sei an dieser Stelle auf die weiter oben gemachten Ausführungen verwiesen.
Die Vorschubeinheiten 210, 212 gewährleisten unter anderem eine kontinuierliche Abgabe der Verstärkungs- und Zwischenlagen 50, 54, 98, 100 mit einer definierten Zugspannung. Insbesondere die Verstärkungslagen 50 werden mit einer erhöhten Zugspannung in den als Nuten 38 ausgebildeten Vertiefungen 36 des Werkzeugs 32 abgelegt, um den Lagenaufbau mit einer radial nach innen gerichteten Kraft möglichst faltenfrei und hohlraumfrei kompaktieren zu können. Mit Hilfe der Schneideinheiten 214, 216 können die Verstärkungs- und Zwischenlagen 50, 54, 98, 100 abgetrennt werden. Hierbei lassen sich im Bereich der bevorzugt quer zur Längsachse der Zwischenlagen 54, 98, 100 verlaufenden Schnittstellen beliebige Schnittkonturen realisieren. Ferner kann optional eine Breite der Zwischenlagen 54, 98, 100 zumindest abschnittsweise durch beliebig konturierte ein- oder beidseitig eingebrachte Längsschnitte variiert werden. Darüber hinaus können Ausnehmungen mit einer beispielsweise trapezförmigen oder einer anderen Kontur einseitig oder beidseitig in die Zwischenlagen 54, 98, 100 eingebracht werden, wobei keine vollständige Durchtrennung der Zwischenlagen 54, 98, 100 erfolgt.
Mittels der Zuführeinheiten 218, 220 erfolgt die eigentliche Ablage der Verstärkungs- und der Zwischenlagen 50, 54, 98, 100 in die rinnenförmigen Vertiefungen 36, wobei zugleich ein automatisiertes Wiederansetzen von abgetrennten Lagen auf bereits aufgewickelten Lagen mittels der Zuführeinheiten 218, 220 möglich ist. Die beiden Schneideinheiten 214, 216 ermöglichen damit im Zusammenwirken mit den Zuführeinheiten 218, 220 eine vollautomatische Herstellung von Kreuzungspunkten (vgl. insb. 3 bis 8) zwischen den Verstärkungslagen 50 und den Zwischenlagen 54, 98, 100.
In einer nicht explizit in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsform der Vorrichtung 200, kann der erste Legekopf 202 – insbesondere zur Vereinfachung des konstruktiven Aufbaus – auch nur mit dem Lagenspeicher 206 unter Weglassung der Vorschubeinheit 210, der Schneideinheit 214 sowie der Zuführeinheit 218 ausgestattet sein. In der 10 ist der besseren zeichnerischen Übersicht halber lediglich der zweite, unter dem ersten Legekopf 202 angeordnete, Legekopf 204 für die Zwischenlagen 54, 98, 100, eingezeichnet.
Beispielsweise lassen sich beide Legeköpfe 202,204 in Bezug zur Werkzeuglängsachse 34 um einen Winkel γ zwischen 0° und 180° verschwenken, so dass die Legeköpfe 202, 204 in Verbindung mit der Rotationsbewegung des Werkzeugs 32 jeden Punkt auf der Oberfläche 30 des Werkzeugs 32 anfahren und dort die Verstärkungs- und Zwischenlagen 50, 54, 98, 100 in die Vertiefungen 36 ablegen können. Umgekehrt kann das Werkzeug 32 feststehend ausgebildet sein, wohingegen die Legeköpfe 202, 204 frei positionierbar im Raum ausgeführt sind.
Gegebenenfalls können die Legeköpfe 202, 204 zumindest parallel zur Längsachse 34 und gegebenenfalls auch umfangsseitig verfahrbar ausgebildet sein, um die Freiheitsgrade der Legeköpfe 202, 204 und die Ablageoptionen zu erhöhen. Im Fall eines ebenen und/oder eines nur in einem geringen Umfang einfach und/oder zweifach gekrümmten Werkzeugs 32 können die Legeköpfe 202, 204 an einem Portal angeordnet sein, das das Werkzeug 32 parallel zur Werkzeuglängsachse 34 und rechtwinklig hierzu überfahren kann, um jeden Punkt auf der Oberfläche 30 des Werkzeugs 32 anfahren zu können.
Die Bewegungsabläufe des Werkzeugs 32 und der Legeköpfe 202, 204 einschließlich der Steuerung der darin enthaltenen Funktionsuntergruppen, werden von einer nicht dargestellten, rechnergestützten Steuer- und/oder Regeleinheit kontrolliert, um einen vollautomatischen, kontinuierlichen Herstellungsprozess der Leichtbaustruktur mittels der Vorrichtung 200 zu gewährleisten. Alternativ kann die Vorrichtung 200 lediglich einen Legekopf aufweisen, wobei dieser Legekopf dann sowohl zum Ablegen von Verstärkungslagen 50 als auch zum Ablegen von Zwischenlagen 54, 98, 100 ausgebildet ist.
Wenn im Zuge des Ablegeprozesses eine ausreichende Menge von Verstärkungs- und Zwischenlagen 50, 54, 98, 100 mittels der Legeköpfe 202, 204 in den Vertiefungen 36 abgelegt ist und die Vertiefungen 36 zumindest teilweise mit Verstärkungs- und Zwischenlagen 50, 54, 98, 100 befüllt sind, wird die Haut der Leichtbaustruktur hergestellt. Bei diesen zur Hautbildung verwendeten Lagen kann es sich beispielsweise um die Verstärkungs- und Zwischenlagen 50, 54, 98, 100 handeln. Alternativ können beliebige Faserverbundkunststoffe und oder metallische Materialien eingesetzt werden.
In Abhängigkeit vom eingesetzten FVK wird der gesamte Aufbau sodann zum Beispiel in einem Autoklaven unter Anwendung von Druck und/oder Temperatur ausgehärtet oder der gesamte Aufbau wird in einem vorgeschalteten Verfahrensschritt mit einem aushärtbaren duroplastischen Kunststoffmaterial infiltriert bzw. imprägniert und anschließend ausgehärtet. Für den Fall, dass zumindest bereichsweise Hochleistungsthermoplaste als Matrixbildner zum Einsatz kommen, verfügt die Vorrichtung 200 über eine nicht dargestellte Heizeinrichtung zum Plastifizieren der Thermoplaste. Das Verfestigen von Bereichen der Leichtbaustrukturen, die mit thermoplastischen FVK gebildet sind, erfolgt durch Abkühlen auf Raumtemperatur.
Abschließend soll der Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Schaffung der Leichtbaustruktur erläutert werden.
Im Verfahrensschritt a) werden zumindest bereichsweise Zwischenlagen 54, 98, 100 und Verstärkungslagen 50 in den Vertiefungen 36 des Werkzeugs 32 abgelegt, um die bevorzugt unregelmäßige Gitterstruktur aus Versteifungsrippen herzustellen. Nach Maßgabe des Verfahrensschrittes b) wird der Verfahrensschritt a) solange wiederholt, bis die Vertiefungen 36 soweit mit Verstärkungs- und Zwischenlagen 50, 54, 98, 100 angefüllt sind, dass eine vorgegebene Höhe aller Versteifungsrippen erreicht ist. Hierbei werden abwechselnd jeweils mindestens eine Zwischenlage und mindestens eine Verstärkungslage abgelegt. Im Verfahrensschritt c) werden auf dem Werkzeug 32 Lagen aus einem FVK und/oder metallische Materialien abgelegt oder aufgewickelt, um die integrale Haut der Leichtbaustruktur auszubilden. Hierbei können der Einfachheit halber beispielsweise die Verstärkungslagen 50 und/oder die Zwischenlagen 54, 98, 100 zum Einsatz kommen, die in den Legeköpfen 202, 204 der Vorrichtung 200 vorgehalten werden. Im abschließenden Verfahrensschritt d) erfolgt das Aushärten und/oder das Wiederverfestigen der Zwischenlagen 50 und der Verstärkungslagen 54, 98, 100.
Werden die unidirektionalen Verstärkungs- und die multidirektionalen Zwischenlagen 50, 54, 98, 100 mit einem Halbzeug aus einem duroplastischen FVK und/oder mit metallischen Materialien gebildet, kann die Aushärtung des auf das Werkzeug 32 aufgewickelten Lagenaufbaus in bekannter Weise zum Beispiel in einem Autoklaven erfolgen. Wenn die Verstärkungs- und die Zwischenlagen 50, 54, 98, 100 hingegen zumindest teilweise mit einem thermoplastischen FVK gebildet sind, ist im Allgemeinen eine Abkühlung der zwischenzeitlich plastifizierten Verstärkungs- und Zwischenlagen 50, 54, 98, 100 zur Fertigstellung der Leichtbaustruktur ausreichend.
Sind die Verstärkungs- und Zwischenlagen 50, 54, 98, 100 hingegen mit einem Halbzeug aus einem trockenen, noch nicht mit einem Kunststoffmaterial vorimprägnierten FVK, d.h. nicht mit einem s.g. "Prepreg-Material" und/oder mit metallischen Materialien gebildet, so muss vor dem Aushärten bzw. einem Wiederverfestigen durch Abkühlen eine Infiltration bzw. Imprägnierung des Lagenaufbaus mit einem geeigneten Kunststoffmaterial, insbesondere mit einem duroplastischen und/oder mit einem thermoplastischen Kunststoff, erfolgen. Darüber hinaus ist es möglich, trockene Verstärkungsfasern bzw. trockene Verstärkungsfaseranordnungen vor dem Ablegeprozess mit einem Kunststoffmaterial (Polymer) zu imprägnieren. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die Verstärkungsfasern bzw. die Verstärkungsfaseranordnungen durch ein Harzbad oder dergleichen geführt werden.
Alternativ oder ergänzend können als Matrixbildner für die Halbzeuge der Verstärkungs- und der Zwischenlagen 50, 54, 98, 100 auch Elastomere, wie zum Beispiel Gummi, Gummimischungen oder Polyurethane, eingesetzt werden.
Bezugszeichenliste

10: Leichtbaustruktur
12: Rumpftonne
14: Versteifungsrippe (Umfang)
16: Versteifungsrippe (diagonal)
18: Versteifungsrippe (diagonal)
20: Längsachse
22: Knotenpunkt
24: Knotenpunkt
26: Gitterstruktur
28: Haut
30: Oberfläche (Werkzeug)
32: Werkzeug
34: Werkzeuglängsachse
36: Vertiefung
38: Nut
40: Seitenwand (Nut)
42: Seitenwand (Nut)
44: Nutrandzone
46: Nutrandzone
48: Grundfläche (Nut)
50: Verstärkungslage
52: strangförmiges Halbzeug
54: Zwischenlage
56: bahnförmiges Halbzeug
58: Steg (Versteifungsrippe)
60: Anbindungsfuß
62: Anbindungsfuß
64: Tiefe (Nut)
70: Knotenpunkt
72: Höhe (Versteifungsrippe)
74: Höhe (Versteifungsrippe)
76: Höhe (Versteifungsrippe)
78: Knotenpunkt
80: Überlappungsbereich
82: Längsachse (Zwischenlage)
84: Schnitt (trapezförmig)
90: Knotenpunkt
92: Knotenpunkt
94: Knotenpunkt
96: Knotenpunkt
98: Zwischenlage
100: Zwischenlage
102: Steg (Zwischenlage)
104: Steg (Zwischenlage)
106: Anbindungsfuß
108: Anbindungsfuß
110: Anbindungsfuß
112: Anbindungsfuß
114: Ausnehmung
116: Ausnehmung
118: Überlappungsbereich
120: Oberseite
122: Oberseite
200: Vorrichtung
202: Legekopf
204: Legekopf
206: Lagenspeicher
208: Lagenspeicher
210: Vorschubeinheit
212: Vorschubeinheit
214: Schneideinheit
216: Schneideinheit
218: Zuführeinheit
220: Zuführeinheit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 5814386 [0007]
WO 2009/109564 A2 [0008]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer integral verstärkten Leichtbaustruktur (10) mit einem Faserverbundkunststoff, insbesondere einer Rumpftonne oder eines Schalenbauteils eines Flugzeugs, mittels eines Werkzeugs (32), wobei die Leichtbaustruktur (10) eine Vielzahl von sich in Knotenpunkten (22, 24, 70, 78, 90–96) kreuzende Versteifungsrippen (14–18) aufweist, wobei eine Haut (28) an die Versteifungsrippen (14–18) angebunden ist und das Werkzeug (32) eine Vielzahl von rinnenartigen Vertiefungen (36) zur Schaffung der Versteifungsrippen (14–18) aufweist, umfassend die folgenden Schritte: a) zumindest bereichsweises Ablegen mindestens einer Zwischenlage (54, 98, 100) und mindestens einer Verstärkungslage (50) in die Vertiefungen (36), b) Wiederholen des Schrittes a) bis die Vertiefungen (36) mit Zwischenlagen (54, 98, 100) und Verstärkungslagen (50) zur Ausbildung der Versteifungsrippen (14–18) mit integralen Anbindungsfüßen (60, 62, 106–112) zumindest teilweise ausgefüllt sind, c) Belegen des Werkzeugs (32), insbesondere mit Zwischenlagen (54, 98, 100) und/oder Verstärkungslagen (50), zur Herstellung der Haut (28), und d) Aushärten und/oder Verfestigen der Zwischenlagen (54, 98, 100) und Verstärkungslagen (50).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Vertiefung (36) mit einer Nut (38) mit zwei Seitenwänden (40, 42) gebildet ist und sich an mindestens einer Seitenwand (40, 42) zumindest abschnittsweise eine Nutrandzone (44, 46) anschließt, wobei die Verstärkungslagen (50) in der Nut (38) und die Zwischenlagen (54, 98, 100) in der Nut (38) und in der mindestens einen angrenzenden Nutrandzone (44, 46) abgelegt werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungslagen (50) unter mechanischer Spannung in den Nuten (38) abgelegt werden und/oder die Zwischenlagen (54, 98, 100) im Bereich der Nutrandzonen (44, 46) fixiert werden.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Verstärkungslage (50) vor mindestens einem Knotenpunkt (22, 24, 70, 78, 90–96) durchtrennt und hinter dem Knotenpunkt (22, 24, 70, 78, 90–96) im Bereich der Nut (38) wieder angesetzt wird oder die mindestens eine Verstärkungslage (50) den mindestens einen Knotenpunkt (22, 24, 70, 78, 90–96) ungetrennt durchläuft.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Zwischenlage (54, 98, 100) vor mindestens einem Knotenpunkt (22, 24, 70, 78, 90–96) durchtrennt und hinter dem Knotenpunkt (22, 24, 70, 78, 90–96) im Bereich der Nut (38) wieder angesetzt wird oder das in die mindestens eine Zwischenlage (54, 98, 100) im Bereich des mindestens einen Knotenpunktes (22, 24, 70, 78, 90–96) zumindest bereichsweise mindestens eine Ausnehmung (114, 116) eingebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungslagen (50) mit einem strangförmigen Halbzeug gebildet sind, das mit einem faserverstärkten Kunststoffmaterial und/oder mit einem metallischen Material gebildet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenlagen (54, 98, 100) mit einem bahnförmigen Halbzeug gebildet sind, das mit einem faserverstärkten Kunststoffmaterial und/oder mit einem metallischen Material gebildet ist und das eine Breite aufweist, die eine zumindest bereichsweise Auskleidung der Nuten (38) und der Nutrandzonen (44, 46) erlaubt.
Vorrichtung (200) zur Herstellung einer integral verstärkten Leichtbaustruktur (10) mit einem Faserverbundkunststoff, insbesondere einer Rumpftonne oder eines Schalenbauteils eines Flugzeugs, mittels eines Werkzeugs (32), wobei die Leichtbaustruktur (10) eine Vielzahl von sich in Knotenpunkten (22, 24, 70, 78, 90–96) kreuzende Versteifungsrippen (14–18) aufweist, wobei eine Haut (28) an die Versteifungsrippen (14–18) angebunden ist und das Werkzeug (32) eine Vielzahl von rinnenartigen Vertiefungen (36) zur Schaffung der Versteifungsrippen (14–18) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Vertiefung (36) eine Nut (38) mit zwei sich beidseitig an eine Grundfläche (48) anschließenden Seitenwänden (42, 44) ist, wobei sich an mindestens eine Seitenwand (42, 44) zumindest abschnittsweise eine Nutrandzone (44, 46) zur Ausbildung von integralen Anbindungsfüßen (60, 62, 106–112) für die Haut (28) anschließt.
Vorrichtung (200) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenwände (42, 44) der mindestens einen Nut (38) und eine Oberfläche (30) des Werkzeugs (32) jeweils einen Winkel α zwischen 90° und 60° einschließen und entgegengesetzt geneigt ausgebildet sind.
Vorrichtung (200) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Nutrandzonen (44, 46) mit der Oberfläche (30) des Werkzeugs (32) jeweils einen Winkel β von mehr als 0° und weniger als 60° einschließen.
Vorrichtung (200) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Legekopf (202) zum Ablegen von Verstärkungslagen (50) und ein zweiter Legekopf (204) zum Ablegen von Zwischenlagen (54, 98, 100) vorgesehen ist, wobei die Legeköpfe (202, 204) und/oder das Werkzeug (32) verfahrbar ausgebildet sind.
Vorrichtung (200) nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Legekopf (202) mindestens einen Lagenspeicher (206) und der zweite Legekopf (204) mindestens einen weiteren Lagenspeicher (208) mit einer nachgeschalteten Vorschubeinheit (212), einer Schneideinheit (216) und einer Zuführeinheit (220) aufweist.
Leichtbaustruktur (10), insbesondere eine Rumpftonne oder ein Schalenbauteil für ein Flugzeug, die mit einem Faserverbundkunststoff mittels eines Werkzeugs (32) gebildet ist, wobei die integral verstärkte Leichtbaustruktur (10) eine Vielzahl von sich in Knotenpunkten (22, 24, 70, 78, 90–96) kreuzende Versteifungsrippen (14–18) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Versteifungsrippen (14–18) integral ausgebildete Anbindungsfüße (60, 62, 106–112) zur Anbindung an eine Haut (28) aufweisen.
Leichtbaustruktur (10) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Versteifungsrippen (14–18) mit einer Vielzahl von übereinander abgelegten Verstärkungslagen (50) und Zwischenlagen (54, 98, 100) gebildet sind.
Leichtbaustruktur (10) nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungslagen (50) mit einem strangförmigen Halbzeug (52) gebildet sind, das mit einem faserverstärkten Kunststoffmaterial mit einem Faserverlaufswinkel von etwa 0° und/oder mit einem metallischen Material gebildet ist, und die Zwischenlagen (54, 98, 100) mit einem bahnförmigen Halbzeug (56) gebildet sind, das mit einem faserverstärkten Kunststoffmaterial mit Faserverlaufswinkeln zwischen –90° und +90° und/oder mit einem metallischen Material gebildet ist.