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TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Ausbilden einer Schäftung in einer Wand aus einem Faserbundwerkstoff mit dem Schritt des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1.
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Unter "Schäften" oder dem Ausbilden einer "Schäftung" in einer Wand aus einem Faserverbundwerkstoff versteht man das Abtragen von Faserverbundwerkstoff, um eine trichterförmige Ausnehmung in einer Oberfläche der Wand auszubilden. Dabei nimmt eine Wandstärke der durch die Ausnehmung geschwächten Wand von einem Rand zu einem Zentrum der Ausdehnung hin ab. In ihrem Zentrum kann die Ausdehnung ein Loch umfassen, dass durch die Wand hindurch geht.
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Eine Schäftung in einer Wand aus einem Faserverbundwerkstoff wird ausgebildet, um eine Fehlstelle in der Wand zu reparieren. Diese Fehlstelle wird beim Schäften oder bereits vorher aus der Wand entfernt. Die Schäftung mit ihrer vom Zentrum ihrer Ausdehnung ansteigenden Wandstärke dient dazu, Faserverbundwerkstoff, mit dem ihre Ausnehmung anschließend ausgefüllt wird, großflächig an die Wand anzubinden, ohne diese wesentlich aufzudicken.
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STAND DER TECHNIK
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Beim bekannten manuellen Schäften von Wänden aus Faserverbundwerkstoff in der Luftfahrt wird zunächst die zu reparierende Fehlstelle kreisförmig aus der Wand herausgetrennt. Dann wird die Schäftung von außen nach innen mit einem Winkelschleifer ausgebildet. Dabei besteht die Gefahr, dass sich die am Rand des Lochs allein liegende unterste Lage des Faserverbunds von den anderen Lagen ablöst und/oder auffasert und so neue zu reparierende Defekte entstehen.
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Auch beim automatisierten Schäften mittels CNC-Fräsen treten Probleme am Auslauf der Schäftung zu ihrem Zentrum hin auf. Dabei sind insbesondere Schwingungen der Wand ursächlich, die wegen der mit der Wandstärke zum Zentrum der Ausdehnung hin abnehmenden Streifigkeit auftreten und durch ein punktuell arbeitendes Fräswerkzeug stärker angeregt werden als durch einen flächig arbeitenden Winkelschleifer beim manuellen Schäften. Hinzu kommen punktuelle Deformationen der Wand zum Auslauf der Schäftung hin, ebenfalls wegen der in dieser Richtung abnehmenden Steifigkeit, die die Gleichmäßigkeit der Schäftung in Umfangsrichtung um ihr Zentrum beeinträchtigen.
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Es wurde beobachtet, dass keine wesentlichen Unterschiede bei der Qualität einer durch automatisiertes Schäften ausgebildeten Schäftung abhängig davon auftreten, ob mit dem Fräser in Kreisbahnen um das Zentrum der Ausnehmung von dessen Rand zum Zentrum hin oder vom Zentrum weg gearbeitet wird.
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AUFGABE DER ERFINDUNG
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Ausbilden einer Schäftung in einer Wand aus einem Faserverbundwerkstoff aufzuzeigen, das auch bei automatisierter Durchführung zur definierten Schäftungen mit unbeschädigtem Auslauf zu ihrem Zentrum hin führt.
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LÖSUNG
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Ausgehend von einem Verfahren zum Ausbilden einer Schäftung in einer Wand aus einem Faserverbundwerkstoff mit dem Schritt: Abtragen von Faserverbundwerkstoff, um eine trichterförmige Ausnehmung in einer Oberfläche der Wand auszubilden, bei der eine Wandstärke der durch die Ausdehnung geschwächten Wand von einem Rand zu einem Zentrum der Ausnehmung hin abnimmt, wird erfindungsgemäß beim Abtragen des Faserverbundwerkstoffs zunächst eine Stabilisierungsstruktur für die geschwächte Wand aus dem Faserverbundwerkstoff in der Ausdehnung stehen gelassen, bevor auch diese Stabilisierungsstruktur entfernt wird.
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Mit der zunächst stehen gelassenen Stabilisierungsstruktur wird die bereits durch die ersten Schritte der Ausbildung der Ausdehnung geschwächte Wand gegen unerwünschte Schwingungen ausgestreift. Die Form der Stabilisierungsstruktur ist so zu wählen, dass sie diese Ausstreifungsfunktion erfüllt, wofür im Folgenden Beispiele angegeben werden. Darüber hinaus ist die Stabilisierungsstruktur so auszugestalten, dass sie am Ende der Ausbildung der Schäftung einfach entfernt werden kann, ohne dass es dabei zu unerwünschten Schwingungen und daraus resultierenden negativen Auswirkungen auf den Auslauf der Schäftung kommt. Auch hierfür werden im Folgenden Kriterien angegeben.
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Die erfindungsgemäße Stabilisierungsstruktur für die bereits geschwächte Wand kann einen Stabilisierungsring umfassen. Insbesondere verläuft ein solcher Stabilisierungsring um das Zentrum der Ausnehmung herum in dem Bereich, in dem die fertige Schäftung ausläuft. Das heißt, der Auslauf der Schäftung wird erst dann freigelegt, wenn die Stabilisierungsstruktur entfernt wird. Bis dahin ist er unmittelbar durch den Stabilisierungsring geschützt.
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Der Stabilisierungsring kann kreisförmig sein. Allgemeiner kann er ellipsenförmig sein oder auch sonstwie unrund. Vorzugsweise ist er geschlossen, das heißt er verläuft insbesondere geschlossen um ein Loch in der Wand, das Teil der Ausnehmung ist. Ein solches Loch in der Wand kann durch Entfernen einer Fehlstelle der Wand noch vor Ausbildung der eigentlichen Schäftung entstanden sein.
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Der Stabilisierungsring kann auf dem Auslauf der Schäftung angeordnet werden. Dann entspricht sein Innendurchmesser dem Innendurchmesser des Lochs bei der fertigen Schäftung. Der Stabilisierungsring kann auch innerhalb des Lochs der fertigen Schäftung angeordnet sein und zum Entfernen von dem Auslauf der Schäftung abgestochen werden.
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Alternativ oder zusätzlich zu einem Stabilisierungsring kann die erfindungsgemäße Stabilisierungsstruktur einen oder mehrere Stabilisierungsstege umfassen, die jeweils mindestens eine Strecke in Richtung vom Rand zum Zentrum der Ausdehnung überspannen. Vorzugsweise sind mindestens vier Stege vorgesehen. Weiter ist es bevorzugt, dass die Stabilisierungsstege gleichmäßig in Umfangsrichtung um das Zentrum verteilt sind. Beispielsweise kann ihre Verteilung rotationssymmetrisch sein.
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Jeder der Stabilisierungsstege kann längs der geschwächten Wand einen geraden oder einen gekrümmten Verlauf aufweisen. Bevorzugt sind sich geradlinig in Richtung des Abstands des Rands vom Zentrum oder vom Loch der Ausdehnung erstreckende, d. h. radial verlaufende Stabilisierungsstege. Wenn ein solches Loch Teil der Ausnehmung der Schäftung ist, enden die Stabilisierungsstege vorzugsweise an diesem Loch.
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Das Entfernen der Stabilisierungsstruktur zum Ende des Ausbildens der Schäftung hin erfolgt vorzugsweise vom Zentrum der jeweiligen Ausnehmung her. Dabei wird der Faserverbundwerkstoff bei einer bevorzugten automatisierten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens in allen Schritten der Ausbildung der Schäftung mit einem rotierenden Fräswerkzeug abgetragen. Das heißt, auch die Stabilisierungsstruktur wird mit dem rotierenden Fräswerkzeug entfernt, wobei es sich um dasselbe Fräswerkzeug handeln kann, das schon zuvor zum Abtragen des Faserverbundwerkstoffs eingesetzt wurde.
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Vorzugsweise weist die Stabilisierungsstruktur überall eine lokale Breite auf, die nicht über eine Arbeitsbreite des Fräswerkzeugs hinausgeht, mit dem sie entfernt wird. So kann die Stabilisierungsstruktur überall durch einmaliges überfahren mit dem Fräswerkzeug entfernt werden. Zumindest kann sie über ihre gesamte Breite durch einmaliges Überfahren mit dem Fräswerkzeug entfernt werden. Bei höherer Ausbildung der Stabilisierungsstruktur in Richtung der Wandstärke der Wand kann ein vorheriges Reduzieren ihrer Höhe durch ein zusätzliches Überfahren mit dem Fräswerkzeug günstig sein.
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Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren automatisiert mit einer CNC-Fräsvorrichtung ausgebildeten Schäftungen weisen eine hohe Qualität, das heißt einen definierten Verlauf der Wandstärke vom Rand zum Zentrum der Ausnehmung und einen unbeschädigten Auslauf der geschwächten Wand auf.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Ohne dass hierdurch der Gegenstand der beigefügten Patentansprüche verändert wird, gilt hinsichtlich des Offenbarungsgehalts der ursprünglichen Anmeldungsunterlagen und des Patents Folgendes: weitere Merkmale sind den Zeichnungen – insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung – zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.
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Die in den Patentansprüchen und der Beschreibung genannten Merkmale sind bezüglich ihrer Anzahl so zu verstehen, dass genau diese Anzahl oder eine größere Anzahl als die genannte Anzahl vorhanden ist, ohne dass es einer expliziten Verwendung des Adverbs "mindestens" bedarf. Wenn also beispielsweise von einem Element die Rede ist, ist dies so zu verstehen, dass genau ein Element, zwei Elemente oder mehr Elemente vorhanden sind. Diese Merkmale können durch andere Merkmale ergänzt werden oder die einzigen Merkmale sein, aus denen das jeweilige Erzeugnis besteht.
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Die in den Patentansprüchen enthaltenen Bezugszeichen stellen keine Beschränkung des Umfangs der durch die Patentansprüche geschützten Gegenstände dar. Sie dienen lediglich dem Zweck, die Patentansprüche leichter verständlich zu machen.
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KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.
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1 ist eine Querschnittsansicht einer Wandung, in der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Schäftung ausgebildet wird, wobei die in den einzelnen Schritten des Verfahrens abgetragenen Anteile des Faserverbundwerkstoffs durch unterschiedliche Schraffuren markiert sind.
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2 ist eine Draufsicht auf die Wand gemäß 1, wobei die beim Ausbilden der Schäftung abgetragenen Bereiche des Faserverbundwerkstoffs mit denselben Schraffuren wie in 1 versehen sind.
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3 ist ein Schnitt durch eine andere Wand, in der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Schäftung ausgebildet wird, wobei auch hier die in den einzelnen Schritten des Verfahrens abgetragenen Anteile des Faserverbundwerkstoffs durch unterschiedliche Schraffuren markiert sind.
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4 ist eine Draufsicht auf eine weitere Wand, in der eine Schäftung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ausgebildet wird, wobei erneut die in den einzelnen Schritten des Verfahrens abgetragenen Anteile des Faserverbundwerkstoffs durch unterschiedliche Schraffuren markiert sind.
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5 ist eine 4 entsprechende Draufsicht auf noch eine weitere Wand, in der eine Schäftung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ausgebildet wird, wobei zunächst eine andere Stabilisierungsstruktur stehen gelassen wird.
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6 ist ein Schnitt durch noch eine weitere Wand, in der eine Schäftung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ausgebildet wird, hier ohne ein durchgehendes Loch auszubilden.
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7 ist eine Draufsicht auf die Wand gemäß 6, wobei sowohl in 6 als auch in 7 die in den verschiedenen Schritten des erfindungsgemäßen Verfahrens zu entfernenden Anteile des Faserverbundwerkstoff durch gleiche Schraffuren markiert sind.
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FIGURENBESCHREIBUNG
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In 1 ist eine Wand in 1 aus einem Faserverbundwerkstoff 2 in einem Schnitt dargestellt. In der Wand ist ein Loch 3 vorhanden. Durch Bruchlinien 4 ist angedeutet, dass das Loch 3 auch einen größeren Durchmesser haben kann. Grundsätzlich zeigt 1 nur einen Ausschnitt aus der Wand 1, und eine Wandstärke 5 der Wand 1 ist verglichen mit dem in Richtung der Haupterstreckungsebene der Wand 1 gewählten Maßstab vergrößert wiedergegeben. Angrenzend an das Loch 3 ist in einer Oberfläche 20 der Wand 1 eine Schäftung 6 auszubilden. Dazu sind Bereiche 7 und 8 des Faserverbundwerkstoffs 2 abzutragen, sodass nur ein Bereich 9 stehen bleibt, der mit kontinuierlich abnehmender Wandstärke 5 zu dem Loch 3 hin ausläuft. Dabei wird in einem ersten Schritt nur der Bereich 7 des Faserverbundwerkstoffs abgetragen. Der Bereich 8 verbleibt hingegen zunächst als um das Loch 3 verlaufender Stabilisierungsring 10 für einen Auslauf 11 des Bereichs 9. Dieser Stabilisierungsring 10 wird erst am Ende der Ausbildung der Schäftung 6 entfernt. Die von der Schäftung 6 in der Oberfläche 20 der Wand 1 geschaffene Ausnehmung 12 ist trichterförmig und endet an einem äußeren Rand 13. Hier umfasst sie das Loch 3 in ihrem Zentrum 14. Das Loch 3 ist jedoch kein zwingender Bestandteil einer erfindungsgemäß ausgebildeten Schäftung 6.
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Die Draufsicht auf die Wand 1 gemäß 1, die 2 zeigt, lässt erkennen, dass das Loch 3 und auch der Stabilisierungsring 10 hier ellipsenförmig sind. Der zuerst zu entfernende Bereich 7 kann von dem Rand 13 her in zu dem Zentrum 14 der Ausnehmung 6 hin enger werdenden Kreisen mit einem rotierenden Fräswerkzeug entfernt werden. Es ist aber auch möglich, an dem Stabilisierungsring 10 angrenzend zu beginnen und den Faserverbundwerkstoff in zu dem Rand 13 größer werdenden Kreisen mit dem Fräswerkzeug in den Bereich 7 abzutragen. Die von dem Stabilisierungsring 10 in dem Bereich 8 gebildete Stabilisierungsstruktur 15 wird vorzugsweise von dem Zentrum 14, das heißt von innen her abgetragen, und zwar speziell während eines einzigen Überfahrens des Bereichs 8 mit dem Fräswerkzeug, d. h. während eines einzigen Umlaufs des Fräswerkzeugs um das Zentrum 14. Entsprechend darf der Bereich 8 nirgendwo breiter sein als die Arbeitsbreite des Fräswerkzeugs.
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Bei der in 3 dargestellten Wand ist am Anfang noch kein Loch 3 vorgesehen, es wird aber im Rahmen der Ausbildung der Schäftung 6 ausgebildet. Anfänglich ist das Loch 3 durch (z. B beschädigten) Faserverbundwerkstoff 2 verschlossen, und zunächst, wenn der Faserverbundwerkstoff 2 in dem Bereich 7 abgetragen wird, bleibt es auch durch die Stabilisierungsstruktur 15, hier in Form einer Stabilisierungsplatte 16, verschlossen. Die Stabilisierungsplatte 16 erstreckt sich bis über den Auslauf 11 der Schäftung 6. Durch Entfernen eines Teilbereichs 17 der Stabilisierungsplatte 16 wird sie im letzen Schritt der Ausbildung der Schäftung 6 von dem Auslauf 11 abgestochen. Damit entsteht das Loch 3 als Teil der Ausnehmung 12 in der Oberfläche 20 der Wand 1.
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Die in 4 in einer Draufsicht gezeigte Wand 1 weist eine durch den Bereich 8 des Faserverbundwerkstoff 2 ausgebildete Stabilisierungsstruktur 15 in Form von Stabilisierungsstegen 18 auf. Konkret sind hier 4 Stabilisierungsstege 18 in rotationssymmetrischer Anordnung radial zu dem Zentrum 14 ausgerichtet, wobei das Zentrum 14 in der Mitte eines kreisförmigen Lochs 3 liegt. Die Stabilisierungsstege 18 stabilisieren den Auslauf 11 beim Entfernen des Faserverbundwerkstoff 2 aus dem Bereich 7. Dabei ist der Bereich 7 durch die Stabilisierungsstege 18 unterteilt. Dennoch kann der Faserverbundwerkstoff 2 aus dem Bereich 7 grundsätzlich auch mit einem rotierenden Fräswerkzeug entfernt werden, das auf Kreisbahnen um das Zentrum 14 herumgeführt wird. Allerdings sind diese Kreisbahnen im Bereich der Stabilisierungsstege 18 durch Anheben des Fräswerkzeugs zu unterbrechen. Erst wenn der gesamte Faserverbundwerkstoff 2 aus dem Bereich 7 entfernt ist, werden im letzen Schritt der Ausbildung der Schäftung 6 vom Zentrum 14 her die Stabilisierungsstege 18 entfernt, und zwar durch jeweils einfaches Überfahren mit dem Fräswerkzeug, das eine Arbeitsbreite hat, die mindestens so breit ist wie die Stabilisierungsstege 18.
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5 zeigt in einer Draufsicht auf die Wand 1 die bei einer weiteren Ausgangsform des erfindungsgemäßen Verfahrens nacheinander abzutragenden Bereiche 7 und 8 des Faserverbundwerkstoffs. Bei dieser Ausgangsform besteht die Stabilisierungsstruktur 15 sowohl aus dem Stabilisierungsring 10 gemäß den 1 und 2 als auch den Stabilisierungsstegen 18 gemäß 4. Konkret verlaufen die Stabilisierungsstege 18 von dem Stabilisierungsring 10 in radialer Richtung von dem Zentrum 14 weg bis zu dem Rand 13 der Ausnehmung 12. Die Stabilisierungsstruktur 15 gemäß 5 weist auch hier nirgendwo eine größere lokale Breite auf als ein Fräswerkzeug, mit dem die Stabilisierungsstruktur 15 durch Abtragen des Faserverbundwerkstoffs 2 auch aus dem Bereich 8 entfernt wird, nachdem zuvor der Faserverbundwerkstoff der Bereiche 7 abgetragen wurde. Ein einmaliges Überfahren der Stabilisierungsstruktur 15 mit dem Fräswerkzeug ist daher ausreichend, um die Stabilisierungsstruktur 15 vollständig zu entfernen. Hierbei besteht keine große Gefahr, dass der in 5 nicht sichtbare gewünschte Auslauf 11 der Schäftung 6 in Mitleidenschaft gezogen wird.
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6 illustriert in einem Schnitt durch die Wand 1, dass die Schäftung 9 nicht zwingend ein Loch 3 im Zentrum der Ausnehmung 12 aufweisen muss. Vielmehr kann im Zentrum der Ausnehmung 12 ein dünner Boden 19 aus dem Faserverbundwerkstoff 2 stehen bleiben. Um eine Beschädigung dieses Bodens 19 beim Ausbilden der Schäftung 16 zu vermeiden, sind hier Stabilisierungsstege 18 vorgesehen, deren Anordnung leichter aus der Draufsicht gemäß 7 zu erkennen ist. 7 zeigt dieselbe Aufzeigung der Bereiche 7, 8 und 9 aus dem Faserverbundwerkstoff 2, von denen die Bereiche 7 und 8 nacheinander abgetragen werden, wie sie 6 zugrunde liegt. Dabei ist ein Kreuz aus sich radial zum Zentrum 14 erstreckenden Stabilisierungsstegen 18 vorgesehen, das die Stabilisierungsstruktur 15 ausbildet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wand
- 2
- Faserverbundwerkstoff
- 3
- Loch
- 4
- Bruchlinie
- 5
- Wandstärke
- 6
- Schäftung
- 7
- Bereich
- 8
- Bereich
- 9
- Bereich
- 10
- Stabilisierungsring
- 11
- Auslauf
- 12
- Ausnehmung
- 13
- Rand
- 14
- Zentrum
- 15
- Stabilisierungsstruktur
- 16
- Stabilisierungsplatte
- 17
- Teilbereich
- 18
- Stabilisierungssteg
- 19
- Boden
- 20
- Oberfläche
