DE102014116938A1

DE102014116938A1 - Herstellung von Komponenten eines Fahrzeugs unter Anwendung von Additive Layer Manufacturing

Info

Publication number: DE102014116938A1
Application number: DE102014116938.7A
Authority: DE
Inventors: Hermann Benthien; Matthias Hegenbart
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2014-11-19
Filing date: 2014-11-19
Publication date: 2016-05-19
Also published as: US10442002B2; CN105598447B; CN105598447A; US20160136891A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer schalenartigen Strukturkomponente für ein Fahrzeug unter Anwendung von Additive Layer Manufacturing. In einem Schritt (S1) des Verfahrens wird ein erstes Material auf einen Bereich der schalenartigen Strukturkomponente aufgebracht. In einem weiteren Schritt (S2) des Verfahrens wird der Bereich der schalenartigen Strukturkomponente mittels eines Laserstrahls erwärmt, so dass das erste Material zu der schalenartigen Strukturkomponente hinzugefügt wird. Die schalenartige Strukturkomponente, welche das erste Material umfasst, wird in einem weiteren Schritt (S3) gekühlt, so dass eine innere Spannung innerhalb der schalenartigen Strukturkomponente erzeugt wird, die ein Biegen der schalenartigen Strukturkomponente zur Folge hat. Die Erfindung betrifft ferner eine schalenartige Strukturkomponente, welche mittels eines Verfahrens unter Anwendung von Additive Layer Manufacturing hergestellt ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft allgemein einen Herstellungsprozess für Komponenten eines Fahrzeugs. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer schalenartigen Strukturkomponente für ein Fahrzeug unter Anwendung von Additive Layer Manufacturing, eine schalenartige Strukturkomponente für ein Luftfahrzeug, die unter Anwendung des Verfahrens hergestellt wurde, und die Verwendung einer schalenartigen Strukturkomponente in einem Luftfahrzeug.
Hintergrund der Erfindung
Heutzutage existieren viele verschiedene Herstellungsprozesse zur Herstellung von Strukturkomponenten von Fahrzeugen. Solche Herstellungsprozesse sind in den meisten Fällen subtraktiv. Subtraktive Prozesse sind zum Beispiel Fräsen, Schneiden, Spanen, Bohren usw. Diese subtraktiven Prozesse können auf dem Prinzip beruhen, dass ein gewisser Teil des Materials von der Komponente entfernt wird, um die Konturen oder die Form der Komponente zu verändern, welche in einem späteren Schritt montiert werden kann. Es ist auch möglich, Material abzutragen, zum Beispiel auf einer unebenen Fläche einer Komponente, so dass eine hohe Qualität der Fläche der Komponente erzielt werden kann. Subtraktive Prozesse können jedoch in ihrer Anwendung eingeschränkt sein, da Material von der Komponente entfernt wird. Anders ausgedrückt, das Material kann nur entfernt werden, solange ausreichend Material verbleibt, so dass die Komponente noch die Stabilitätsanforderungen erfüllen kann. Zum Beispiel können Dellen oder Kratzer auf Oberflächen repariert werden, indem eine bestimmte Menge an Material von der Oberfläche entfernt wird, so dass Dellen oder Kratzer auf der Oberfläche der Komponente verschwinden.
DE 10 2007 015 795 A1 beschreibt ein spanabhebendes Bearbeitungsverfahren für ein Halbzeug mit einer vorgegebenen Form und wenigstens einer Bearbeitungsoberfläche. Um die Oberfläche des Halbzeugs während des Bearbeitungsvorgangs zu schützen, wird eine Folie auf der Oberfläche befestigt.
DE 10 2007 026 100 B4 beschreibt ein Verfahren, bei dem ein Fräswerkzeug mit einem Frästiefenbegrenzer bereitgestellt wird, wobei die maximale Frästiefe des Fräswerkzeugs von dem Begrenzer begrenzt wird. Hierbei wird ein Oberflächenabschnitt unter Führen des Fräswerkzeugs mittels der Führungskontur begrenzt. Eine Bearbeitungsvorrichtung zur Bearbeitung eines Schichtverbundwerkstoffs an einem Oberflächenabschnitt wird ebenfalls bereitgestellt.
Zusammenfassung der Erfindung
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Herstellung von Strukturkomponenten von Fahrzeugen bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere beispielhafte Ausführungsformen sind aus den abhängigen Ansprüchen und der folgenden Beschreibung ersichtlich.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer schalenartigen Strukturkomponente für ein Fahrzeug unter Anwendung von Additive Layer Manufacturing (ALM, additiver Schichtaufbau) bereitgestellt. In einem Schritt des Verfahrens wird ein erstes Material auf einen Bereich der schalenartigen Strukturkomponente aufgebracht. In einem weiteren Schritt wird der Bereich der schalenartigen Strukturkomponente mittels eines Laserstrahls erwärmt, so dass das erste Material zu der schalenartigen Strukturkomponente hinzugefügt wird. In einem weiteren Schritt des Verfahrens wird die schalenartige Strukturkomponente, welche das erste Material umfasst, gekühlt, so dass eine innere Spannung innerhalb der schalenartigen Strukturkomponente erzeugt wird, die ein Biegen der schalenartigen Strukturkomponente zur Folge hat. Die innere Spannung kann wenigstens in dem Bereich der schalenartigen Strukturkomponente und/oder in der Nähe des ersten Materials, welches von der schalenartigen Strukturkomponente nach dem Kühlen umfasst wird, hervorgerufen werden. Das Fahrzeug kann ein Luftfahrzeug, ein Auto oder ein Schienenfahrzeug sein.
Mit diesem Verfahren ist es möglich, die Kontur oder Form der schalenartigen Strukturkomponente in einem zusammengebauten Zustand anzupassen, zum Beispiel wenn sie in dem Fahrzeug montiert wird. Anders ausgedrückt, die innere Spannung, welche innerhalb der schalenartigen Strukturkomponente nach dem Aufbringen des ersten Materials auf die schalenartige Strukturkomponente erzeugt wird, ruft eine Spannung oder Kraft hervor, welche die schalenartige Strukturkomponente derart biegt, dass eine gewisse oder vorbestimmte Form der schalenartigen Strukturkomponente, welche das erste Material umfasst, gewährleistet werden kann. Die innere Spannung kann erzeugt werden, indem für die schalenartige Strukturkomponente und das erste Material unterschiedliche Materialien verwendet werden. Zum Beispiel kann das erste Material auf eine Fläche der schalenartigen Strukturkomponente oder nur einen Teil der Fläche der schalenartigen Strukturkomponente aufgebracht werden. Falls das erste Material nur auf einen Teil der Fläche der schalenartigen Strukturkomponente aufgebracht wird, ist es möglich, innere Spannungen innerhalb der schalenartigen Strukturkomponente nur in einem Bereich um die aufgebrachte Menge an erstem Material auf der Fläche der schalenartigen Strukturkomponente herum oder in deren Nähe hervorzurufen. Auf diese Weise kann nur ein Teil der schalenartigen Strukturkomponente durch die inneren Spannungen verformt werden. Diese Verformung kann als eine Biegung oder Verwindung der schalenartigen Strukturkomponente in Erscheinung treten. Das erste Material kann jedoch auch auf verschiedene Stellen auf der Fläche der schalenartigen Strukturkomponente aufgebracht werden, um innere Spannungen in der Nähe dieser Stellen hervorzurufen, so dass die mechanische Festigkeit des Bereichs in der Nähe des aufgebrachten ersten Materials verbessert wird.
Das Material kann auch derart auf die schalenartige Strukturkomponente aufgebracht werden, dass das erste Material innerhalb oder im Inneren der schalenartigen Strukturkomponente angeordnet ist. Anders ausgedrückt, erstes Material kann nicht nur auf die Oberfläche der schalenartigen Strukturkomponente, sondern auch im Inneren der schalenartigen Strukturkomponente aufgebracht werden. Dies kann erreicht werden, indem eine Schichtstruktur vorgesehen wird, in welcher eine Schicht des ersten Materials zwischen Teilen der schalenartigen Strukturkomponente angeordnet ist. Die verschiedenen Schichten können unter Anwendung von Additive Layer Manufacturing nacheinander aufgebracht werden.
Wenn das erste Material auf den Bereich der schalenartigen Strukturkomponente aufgebracht wird, kann das erste Material ein Pulver sein, welches dem Bereich der schalenartigen Strukturkomponente von einer Pulverzuführeinheit zugeführt wird. Dieses Pulver kann ein metallisches oder nichtmetallisches Pulver sein, welches, wenn es auf den Bereich der schalenartigen Strukturkomponente aufgebracht wird, erwärmt und/oder geschmolzen wird. Durch Schmelzen des ersten Materials und eines Teils oder eines Bereichs der schalenartigen Strukturkomponente kann eine Verbindung oder Kontinuität zwischen sowohl dem ersten Material als auch der schalenartigen Strukturkomponente erreicht werden; z. B. wird das erste Material mit dem Bereich der schalenartigen Strukturkomponente vermischt und/oder stoffschlüssig verbunden. Zum Erwärmen oder Schmelzen des ersten Materials und/oder des Bereichs der schalenartigen Strukturkomponente können verschiedene Verfahren angewendet werden, wie etwa selektives Laserschmelzen (Selective Laser Melting, SLM). Die Erwärmung der schalenartigen Strukturkomponente und des ersten Materials kann durch einen Laserstrahl bewirkt werden. Die Erwärmung des Bereichs der schalenartigen Strukturkomponente durch den Laserstrahl kann während der Aufbringung des ersten Materials auf den Bereich der schalenartigen Strukturkomponente durchgeführt werden. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass Teile der schalenartigen Strukturkomponente innerhalb des Bereichs geschmolzen werden, wenn das erste Material aufgebracht wird. Durch Schmelzen des ersten Materials sowie des Bereichs der schalenartigen Strukturkomponente ist es möglich, dass dieser Teil oder Bereich der schalenartigen Strukturkomponente stoffschlüssig mit dem ersten Material verbunden wird, so dass eine Kontinuität zwischen dem ersten Material und der schalenartigen Strukturkomponente gewährleistet wird.
Durch Kühlen der schalenartigen Strukturkomponente und des ersten Materials können geschmolzene Teile des ersten Materials sowie der schalenartigen Strukturkomponente verfestigt werden. Nach der Verfestigung wird die innere Spannung innerhalb der schalenartigen Strukturkomponente erzeugt. Die innere Spannung, die nach der Verfestigung erzeugt wird, kann auf die Bereiche begrenzt sein, wo das erste Material auf die schalenartige Strukturkomponente aufgebracht worden ist. Die innere Spannung gewährleistet eine verbesserte mechanische Robustheit oder Widerstandsfähigkeit in den Bereichen innerhalb der schalenartigen Strukturkomponente, auf die das erste Material aufgebracht wurde. Die innere Spannung kann auch eine Biegekraft erzeugen, welche die schalenartige Strukturkomponente biegt, so dass sie eine vorbestimmte Form oder Gestalt annehmen kann.
Die schalenartige Strukturkomponente kann eine Platte mit einer gekrümmten Fläche sein, oder nur eine gerade Platte ohne Krümmung. Die schalenartige Strukturkomponente kann jedoch auch ein dreidimensionaler fester Körper sein, welcher verschiedene Materialien umfasst. Die schalenartige Strukturkomponente kann aus metallischen oder nichtmetallischen Materialien hergestellt sein. Die schalenartige Strukturkomponente kann ein Teil einer großen Strukturkomponente des Fahrzeugs ein. Zum Beispiel ist die schalenartige Strukturkomponente ein Seitenwandpaneel, welches eine gekrümmte oder ebene Fläche umfasst. Es ist möglich, dass die schalenartige Strukturkomponente eine Dicke von 5 Millimetern oder mehr aufweist, während ihre seitlichen Abmessungen, z. B. Länge und Breite, mehr als einen Meter betragen. Es ist anzumerken, dass die Dicke der schalenartigen Strukturkomponente größer oder gleich 5 Millimeter ist. Zum Beispiel beträgt die Dicke 100 Millimeter. Die seitlichen Abmessungen sind jedoch gewöhnlich wesentlich größer als die Dicke der schalenartigen Strukturkomponente. Die Länge und Breite können entlang der gekrümmten oder ebenen Fläche der schalenartigen Strukturkomponente gemessen werden. Allgemein ist die Schale (Hülle) oder eine schalenartige Strukturkomponente ein dreidimensionales Strukturelement mit einer, im Vergleich zu anderen Abmessungen des Strukturelements, geringen Dicke. Eine Platte ist ein dreidimensionales Strukturelement, dessen Dicke im Vergleich zu anderen Abmessungen der Strukturkomponente sehr klein ist. Die schalenartige Strukturkomponente kann jedoch hohen mechanischen Belastungen standhalten, wie etwa einem sie überquerenden Fahrzeug oder Passagier.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird das erste Material aus unterschiedlichen Richtungen auf mehrere Bereiche der schalenartigen Strukturkomponente aufgebracht.
Dies kann unter Anwendung eines multidirektionalen additiven Herstellungsprozesses erreicht werden. Es ist möglich, dass das erste Material aus verschiedenen Richtungen gleichzeitig aufgebracht wird, so dass die Zeit für die Herstellung der schalenartigen Strukturkomponente verkürzt werden kann und eine bessere Zugänglichkeit jedes Bereichs der schalenartigen Strukturkomponente erzielt wird.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist eine Biegerichtung entgegengesetzt zu einer Richtung einer Kraft, welche auf die schalenartige Strukturkomponente einwirkt, wenn sie in das Fahrzeug eingebaut ist, wobei die Kraft durch ein auf der schalenartigen Strukturkomponente stehendes Frachtstück oder durch den Kabinenluftdruck erzeugt wird.
Die Biegung, welche auf die innere Spannung innerhalb der schalenartigen Strukturkomponente zurückzuführen ist, erzeugt eine Durchbiegung wenigstens eines Teils der schalenartigen Strukturkomponente. Anders ausgedrückt, die schalenartige Strukturkomponente kann gekrümmt werden, so dass eine konvexe Form und daher eine Durchbiegung in einer Richtung, welche im Wesentlichen parallel zu der Dicke der schalenartigen Strukturkomponente ist, erzeugt wird. Die Durchbiegung der schalenartigen Strukturkomponente kann wesentlich kleiner als ihre Breite oder Länge sein. Die Durchbiegung ist von der Dicke der schalenartigen Strukturkomponente und/oder vom Abstand zwischen den Abstützungen der schalenartigen Strukturkomponente abhängig. Falls die schalenartige Strukturkomponente mittels zweier Träger abgestützt wird, was in der ausführlichen Beschreibung der Figuren beschrieben wird, ist die Durchbiegung der schalenartigen Strukturkomponente vom Abstand zwischen den Trägern und von der Dicke der schalenartigen Strukturkomponente abhängig. Außerdem kann die Kraft auf die Fläche der schalenartigen Strukturkomponente in einer Richtung wirken, welche zu der Durchbiegung der schalenartigen Strukturkomponente entgegengesetzt ist. Auf diese Weise wird die Durchbiegung der schalenartigen Strukturkomponente verringert. Insbesondere ist die Biegung der schalenartigen Strukturkomponente durch die innere Spannung entgegengerichtet zu einer Belastungsrichtung, welche während des Betriebs des Fahrzeugs auftreten kann. Solche Lasten oder Kräfte können zum Beispiel Druckkräfte sein. Anders ausgedrückt, die Kraft kann durch einen Kabinendruck oder eine Druckdifferenz zwischen dem Kabinendruck und dem Umgebungsdruck während des Fluges eines Luftfahrzeugs erzeugt werden. Die Kräfte können auch durch eine Masse eines Frachtstücks erzeugt werden, welches auf der schalenartigen Strukturkomponente angeordnet ist, oder die Belastung durch das Eigengewicht der schalenartigen Strukturkomponente. Die Kraft kann jedoch auch eine Schwerkraft sein. Die Biegerichtung ist eine Richtung, in welche wenigstens ein Teil der schalenartigen Strukturkomponente in Bezug auf Befestigungspunkte der schalenartigen Strukturkomponente durchgebogen wird. Falls zum Beispiel zwei Ränder der schalenartigen Strukturkomponente durch Befestigungsvorrichtungen oder Lager befestigt sind, gibt die Auslenkung bzw. Durchbiegung des Teils der schalenartigen Strukturkomponente, welcher sich zwischen den Befestigungsvorrichtungen oder Lagern befindet, die Richtung der Biegung der schalenartigen Strukturkomponente an. Ein ähnlicher Fall ist in der Beschreibung der Zeichnungen ausführlicher dargestellt.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird durch Aufbringen des ersten Materials auf die Fläche der schalenartigen Strukturkomponente eine Schichtstruktur der schalenartigen Strukturkomponente erzeugt. Die Schichtstruktur umfasst eine Schicht des ersten Materials und die schalenartige Strukturkomponente.
Die Dicke der Schicht des ersten Materials kann in jedem Bereich auf der Fläche der schalenartigen Strukturkomponente dieselbe sein, sie kann jedoch auch variieren, so dass in verschiedenen Bereichen auf der Fläche der schalenartigen Strukturkomponente unterschiedliche Dicken der Schicht des ersten Materials auftreten. Es können auch mehr als eine oder zwei Schichten des ersten Materials vorhanden sein. Zum Beispiel können mehrere Schichten des ersten Materials sowie mehrere Schichten der schalenartigen Strukturkomponente vorhanden sein, so dass die Schichtstruktur aus vielen verschiedenen Schichten zusammengesetzt ist. Jedoch können auch Schichten aus anderen Materialien zusätzlich zu der Schicht des ersten Materials und/oder zu der schalenartigen Strukturkomponente hinzugefügt werden.
Zum Beispiel wird die Schicht des ersten Materials auf zwei verschiedene Seiten aufgebracht, z. B. auf die Flächen der schalenartigen Strukturkomponente, so dass die schalenartige Strukturkomponente zwischen zwei Schichten des ersten Materials angeordnet ist. In diesem Falle wird das erste Material durch Erwärmen sowohl der schalenartigen Strukturkomponente als auch des ersten Materials auf die schalenartige Strukturkomponente aufgebracht. Nach Abkühlung der die schalenartige Strukturkomponente und die zwei Schichten des ersten Materials umfassenden Schichtstruktur können infolge unterschiedlicher Wärmeausdehnungseigenschaften des ersten Materials und der schalenartigen Strukturkomponente innere Spannungen auftreten. Anders ausgedrückt, das erste Material und die schalenartige Strukturkomponente können unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, so dass das erste Material schneller kontrahiert als die schalenartige Strukturkomponente, oder umgekehrt. Falls das erste Material schneller kontrahiert als die schalenartige Strukturkomponente, das heißt, falls das erste Material einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten als die schalenartige Strukturkomponente hat, tritt innerhalb des ersten Materials eine Zugspannung auf, während innerhalb der schalenartigen Strukturkomponente eine Druckspannung auftritt. Solche unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der verschiedenen Materialien, welche miteinander verbunden sind, führen zu Zugspannungen oder Druckspannungen, welche die schalenartige Strukturkomponente verformen oder biegen. Es ist daher erforderlich, dass diese Materialien fest miteinander verbunden sind.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird die innere Spannung durch Verwendung unterschiedlicher Materialien hervorgerufen.
Zum Beispiel umfasst die schalenartige Strukturkomponente ein Material, das von dem ersten Material, welches auf die schalenartige Strukturkomponente aufgebracht wird, verschieden ist. Falls das erste Material und die schalenartige Strukturkomponente unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, können in Bereichen oder in der Nähe von Bereichen, in welchen das erste Material auf die schalenartige Strukturkomponente aufgebracht worden ist, innere Spannungen erzeugt werden, wenn die Temperatur sich ändert. Innere Spannungen können jedoch auch durch Anpassen der Menge des ersten Materials, welche auf die schalenartige Strukturkomponente aufgebracht wird, erzeugt werden. Anders ausgedrückt, je mehr erstes Material auf die schalenartige Strukturkomponente aufgebracht wird, desto mehr wird die schalenartige Strukturkomponente durch die Materialeigenschaften des ersten Materials beeinflusst.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die innere Spannung durch Verwendung unterschiedlicher Temperaturen hervorgerufen, wenn der Bereich der schalenartigen Strukturkomponente erwärmt wird.
Anders ausgedrückt, die verschiedenen Materialeigenschaften der schalenartigen Strukturkomponente und der anderen Materialien, welche auf die schalenartige Strukturkomponente aufgebracht werden, können durch eine Wärmebehandlung beeinflusst werden. Die Wärmebehandlung kann so durchgeführt werden, dass nur diejenigen Teile oder Bereiche der schalenartigen Strukturkomponente erwähnt werden, auf welche das erste Material aufgebracht wird. Allgemein bietet die Wärmebehandlung unter Verwendung unterschiedlicher Temperaturen oder unterschiedlicher Materialien die Möglichkeit, dass nach Abkühlung der schalenartigen Strukturkomponente und der anderen, auf die schalenartige Strukturkomponente aufgebrachten Materialien innere Spannungen erzeugt werden, so dass das Biegen der schalenartigen Strukturkomponente selbst oder in Kombination mit dem ersten Material bewirkt wird. Die Wärmebehandlung oder die Anordnung verschiedener Materialien an der schalenartigen Strukturkomponente kann so angepasst werden, dass eine vorbestimmte Biegung der schalenartigen Strukturkomponente selbst oder in Kombination mit dem ersten Material oder anderen Materialien, die auf die schalenartige Strukturkomponente aufgebracht sind, erzielt werden kann.
Gemäß noch einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die schalenartige Strukturkomponente ein Bodenpaneel. Zum Beispiel ist das Bodenpaneel in einem Luftfahrzeug als ein Bodenpaneel des Passagierraums oder ein Bodenpaneel des Frachtraums eingebaut.
Nach Herstellung der schalenartigen Strukturkomponente, z. B. nach Abkühlung der schalenartigen Strukturkomponente, kann sie mit anderen Komponenten zusammengebaut werden, um einen Teil eines Fahrzeugs zu bilden. Das erste Material kann daher ein Teil der schalenartigen Strukturkomponente sein. Nach Herstellung der schalenartigen Strukturkomponente umfasst sie das erste Material, da es stoffschlüssig mit der schalenartigen Strukturkomponente verbunden ist. Zum Beispiel ist die schalenartige Strukturkomponente ein Bodenpaneel des Fahrzeugs. Das Bodenpaneel sollte eine ebene Oberfläche ohne Krümmung aufweisen, wie etwa eine Platte. In einem belasteten Zustand wird das Bodenpaneel gewöhnlich gebogen. Diese Biegung ist durch eine Auslenkung bzw. Durchbiegung von Teilen des Bodenpaneels von einer neutralen Linie definiert. Unter Anwendung des beschriebenen Herstellungsverfahrens ist es möglich zu bewirken, dass die schalenartige Strukturkomponente infolge innerer Spannungen eine vordefinierte Biegung aufweist, derart, dass die Durchbiegung des Bodenpaneels in eine Richtung gerichtet ist, welche zu einer Richtung einer Kraft in einem belasteten Zustand des Bodenpaneels entgegengesetzt ist. Dies bedeutet, dass das Bodenpaneel in einer zur Belastungsrichtung entgegengesetzten Richtung durchbogen wird, so dass die Durchbiegung des Bodenpaneels verringert wird oder verschwindet, wenn die Kraft in einem belasteten Zustand ausgeübt wird.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beträgt eine Dicke des Bodenpaneels zwischen 2 Millimetern und 4 Millimetern. Zum Beispiel ist das Bodenpaneel in einen Frachtraum oder eine Passagierkabine integriert.
Vorzugsweise beträgt die Dicke des Bodenpaneels 3 Millimeter. Das Bodenpaneel kann verschiedene Materialschichten umfassen, z. B. eine Schichtstruktur, es kann jedoch auch verschiedene Legierungen mit unterschiedlichen Materialeigenschaften umfassen, wie etwa mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das erste Material einen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, welcher sich von einem Wärmeausdehnungskoeffizienten wenigstens des Bereichs der schalenartigen Strukturkomponente, auf welchen das erste Material aufgebracht worden ist, unterscheidet.
Die Verwendung von Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten erzeugt nach dem stoffschlüssigen Verbinden der Materialien und einer Änderung der Temperaturen der verbundenen Materialien innere Spannungen. Anders ausgedrückt, das erste Material und die schalenartige Strukturkomponente weisen unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, so dass aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnungscharakteristiken der schalenartigen Strukturkomponente und des ersten Materials innere Spannungen erzeugt werden. Dieses Prinzip kann auch auf verschiedene andere Materialien angewendet werden, welche mit der schalenartigen Strukturkomponente und/oder dem ersten Material kombiniert werden. Das Verbinden oder stoffschlüssige Verbinden zweier verschiedener Materialien, die jeweils einen eigenen Wärmeausdehnungskoeffizienten haben, hat innere Spannungen zur Folge, die als Zugspannungen und Druckspannungen in Erscheinung treten.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die schalenartige Strukturkomponente aus der Gruppe ausgewählt, welche ein Bodenpaneel eines Frachtraums eines Luftfahrzeugs, einen Teil einer Luftfahrzeug-Außenhaut, einen Teil eines Luftfahrzeug-Tragflügels und einen Teil einer Luftfahrzeugtür umfasst.
Das Frachtraum-Bodenpaneel des Luftfahrzeugs kann eine Dicke von vorzugsweise 3 Millimetern aufweisen. Das Frachtraum-Bodenpaneel kann in einem unbelasteten Zustand aufgrund der inneren Spannungen, die innerhalb der schalenartigen Strukturkomponente erzeugt werden, durchgebogen sein, so dass, wenn das Frachtraum-Bodenpaneel belastet wird, die Durchbiegung wesentlich verringert werden oder sogar verschwinden kann. Dieser Aspekt wird in der Beschreibung der Zeichnungen ausführlicher erläutert. Der Teil der Außenhaut des Luftfahrzeugs kann mit Stringern (Längsversteifungen) oder Rippen verbunden sein, so dass in einem unbelasteten Zustand der Teil der Außenhaut in einem Bereich durchbogen wird, wo keine Verbindung zwischen dem Teil der Außenhaut und den Rippen oder Stringern vorhanden ist. Gewöhnlich ist während des Fluges der Innendruck innerhalb des Rumpfes höher als der Außendruck des Luftfahrzeugs. Diese Druckdifferenz während eines Reise- bzw. Marschfluges erzeugt eine Kraft, welche die Teile der Außenhaut, welche nicht mit Rippen oder Stringern verbunden sind, in die Richtung des niedrigen Drucks drückt, z. B. nach außen oder zum Äußeren des Luftfahrzeugs. Die Verwendung der schalenartigen Strukturkomponente des beschriebenen Herstellungsverfahrens hat eine Biegung oder Auslenkung des Teils der Außenhaut in die Richtung zur Folge, die entgegengesetzt zu der Richtung ist, in welche das Teil der Außenhaut infolge der Drucklasten gedrückt wird. Dies verringert die Durchbiegung des Teils der Außenhaut. Auf diese Weise können die aerodynamischen Eigenschaften der Außenhaut eines Luftfahrzeugs positiv beeinflusst werden, da keine Durchbiegungen oder verringerte Durchbiegungen an der Außenhaut auftreten. Dasselbe gilt für eine Luftfahrzeugtür, was bedeutet, dass die Luftfahrzeugtür aufgrund von inneren Spannungen durchbogen wird, so dass in einem belasteten Zustand, zum Beispiel während eines Fluges, die Luftfahrzeugtür eine ideale Form annimmt; z. B. kann die Luftfahrzeugtür mit der Außenhaut des Luftfahrzeugs fluchten. Ferner wird ein Luftfahrzeug-Tragflügel in einem belasteten Zustand gebogen oder ausgelenkt. Dies bedeutet, dass die Durchbiegung des Luftfahrzeug-Tragflügels während des Fluges sich von der Durchbiegung des Luftfahrzeug-Tragflügels während des Betriebs am Boden unterscheidet. Mittels einer Biegung oder Auslenkung, welche zu der Belastungsrichtung der Tragflügel während des Fluges entgegengesetzt ist, können verbesserte Flugeigenschaften erzielt werden, zum Beispiel ein verringerter Strömungswiderstand des Luftfahrzeugs. Die Durchbiegung, welche entgegengesetzt zu der Belastungsrichtung des Tragflügels ist, kann durch innere Spannungen hervorgerufen werden, die innerhalb des Teils des Luftfahrzeug-Tragflügels erzeugt werden, z. B. den Teilen des Tragflügels, an welchen die schalenartige Strukturkomponente befestigt worden ist. Dies wird ebenfalls in der Beschreibung der Zeichnungen ausführlicher erläutert. Wenn in der Beschreibung das Wort ”ideal” verwendet wird, kann sich dies auf vorteilhafte mechanische oder aerodynamische Eigenschaften beziehen, die durch die Anpassung gewisser Formen oder Konturen erzielt werden. Es kann somit bedeuten, dass gewisse mechanische oder aerodynamische Eigenschaften oder Verhaltensweisen von Komponenten des Fahrzeugs verbessert werden können.
Gemäß noch einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird das erste Material aus der Gruppe ausgewählt, welche Silicium, Eisen, Kupfer, Mangan, Chrom, Zinn, Vanadium, Titan, Wismut, Gallium, Blei, Aluminium und Zirconium umfasst.
Ferner können für das erste Material und/oder die schalenartige Strukturkomponente auch synthetische Materialien verwendet werden. Legierungen, die verschiedene metallische oder nichtmetallische Materialien umfassen, können ebenfalls eine geeignete Zusammensetzung für das erste Material und/oder die schalenartige Strukturkomponente darstellen. Es ist möglich, mehrere metallische oder Kunststoffmaterialien für den Herstellungs- oder Druckprozess zu verwenden, um eine schalenartige Strukturkomponente zu erzeugen, welche verschiedene Metall- oder Kunststofflegierungen umfasst, um die benötigten spezifischen Eigenschaften an jeder Stelle der schalenartigen Strukturkomponente zu bewirken. Die benötigte Legierung wird während des dreidimensionalen Druckprozesses hergestellt oder erzeugt. Es ist anzumerken, dass die additive Herstellung der schalenartigen Strukturkomponente auch als Druckprozess bezeichnet werden kann, da das erste Material zu der schalenartigen Strukturkomponente hinzugefügt wird, um die fertiggestellte schalenartige Strukturkomponente zu erhalten, welche das erste Material umfasst.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann das erste Material auf die Fläche der schalenartigen Strukturkomponente derart aufgebracht werden, dass ein vorstehender Teil, der auf der Fläche der schalenartigen Strukturkomponente vorsteht, z. B. ein Vorsprung auf der Fläche der schalenartigen Strukturkomponente, erzeugt wird. Diese Vorsprünge können aus einem synthetischen Material hergestellt werden.
Außerdem können die Vorsprünge selbst verschiedene Materialien umfassen, welche auf die Fläche der schalenartigen Strukturkomponente aufgebracht werden. Das Material oder die Materialien können so aufgebracht werden, dass ein faserverstärkter Körper, zum Beispiel auf der Fläche der schalenartigen Strukturkomponente, erzeugt wird. Daher können Metallfasern oder Kohlenstofffasern verwendet werden, um ein Matrixmaterial, wie zum Beispiel Kunststoff, zu verfestigen oder zu verstärken. Diese faserverstärkten Materialien, welche auf die Fläche der schalenartigen Strukturkomponente aufgebracht oder gedruckt werden, können die Rissausbreitung innerhalb der schalenartigen Strukturkomponente verringern. Anders ausgedrückt, die faserverstärkten Vorsprünge können ein weiteres Öffnen der Rissflächen wirksam verhindern. Ferner können diese Vorsprünge einen beliebig geformten Querschnitt aufweisen, wobei der Querschnitt entweder tangential oder senkrecht zu der Fläche der schalenartigen Strukturkomponente erhalten wird. Ein beliebiger Querschnitt der Vorsprünge kann unter Anwendung eines Druckprozesses, wie selektives Laserschmelzen und/oder Additive Layer Manufacturing, erhalten werden.
Weiterhin rufen die integrierten Fasern aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der verschiedenen Materialien eine thermische Spannung oder Belastung innerhalb der schalenartigen Strukturkomponente hervor, so dass eine Rissinitiierung vermieden wird. Anders ausgedrückt, die integrierten Fasern rufen eine inhärente Druckspannung hervor, welche durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungen der verschiedenen Fasermaterialien und/oder verschiedenen Matrixmaterialien verursacht wird.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird das erste Material auf die schalenartige Strukturkomponente in einem faserförmigen Zustand aufgebracht. Zum Beispiel können die Vorsprünge hochfeste Fasern umfassen. Derartige Vorsprünge, insbesondere diejenigen, welche Fasern umfassen, können eine verbesserte Ermüdungs- und Schadentoleranz bewirken.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung werden die schalenartigen Strukturkomponenten als Versteifungsmittel eingesetzt. Solche Versteifungsmittel können verwendet werden, um gewisse Teile eines Luftfahrzeugrumpfes zu verstärken, zum Beispiel Ecken eines Türrahmens. Auf diese Weise können schalenartige Strukturkomponenten an den Ecken einer Tür eines Luftfahrzeugrumpfes eingesetzt werden, so dass sogenannte Ecken-Dopplungsstücke, welche gewöhnlich an solchen Ecken eingebaut sind, ersetzt werden können. Die Versteifung der Ecken kann durch innerhalb der schalenartigen Strukturkomponenten hervorgerufene innere Spannungen vorgesehen werden, was zu einer verbesserten Ermüdungs- und Schadenstoleranz führt. Die schalenartige Strukturkomponente kann in der Nähe der Tür des Luftfahrzeugs befestigt werden, z. B. an den Ecken der Tür.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird eine Spannung innerhalb der schalenartigen Strukturkomponente durch Kugelstrahlen und Aufweiten erzeugt. Unter Kugelstrahlen ist ein Bearbeitungsvorgang zu verstehen, der angewendet wird, um eine Schicht mit Druckrestspannungen zu erzeugen und mechanische Eigenschaften in Komponenten zu verändern. Auf diese Weise können die mechanischen Eigenschaften der schalenartigen Strukturkomponente lokal beeinflusst werden, um die Haltbarkeit und Robustheit der schalenartigen Strukturkomponente zu verbessern. Die Spannungen, die durch Aufweiten erzeugt werden, können ebenfalls eine Verbesserung der Haltbarkeit und der mechanischen Robustheit der schalenartigen Strukturkomponente zur Folge haben. Aufweiten ist ein Bearbeitungsvorgang, bei dem ein Dorn verwendet wird, welcher in das Ende eines Lochs oder eines rohrförmigen Elements eingepresst wird, um durch Kaltverformung eine Aufweitung auszubilden. Solche Löcher können zum Beispiel innerhalb der schalenartigen Strukturkomponente angeordnet sein. Aufweiten erzeugt Spannungen in einem Bereich um die Löcher oder rohrförmigen Elemente der schalenartigen Strukturkomponente herum oder in ihrer Nähe, so dass die Spannungen die Haltbarkeit oder Robustheit in diesen Bereichen verbessern. Es ist anzumerken, dass Kugelstrahlen und Aufweiten auch angewendet werden können, um eine Spannung innerhalb von Komponenten, z. B. der schalenartigen Strukturkomponente, zu erzeugen, so dass diese Komponenten infolge der inneren Spannungen eine vorbestimmte Form annehmen. Das Annehmen einer vorbestimmten Form kann darin bestehen, dass sich die Komponente biegt.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung ist eine innere Spannung innerhalb der schalenartigen Strukturkomponente für ein Luftfahrzeug vorhanden, welche ein Biegen der schalenartigen Strukturkomponente zur Folge hat. Eine Biegerichtung der schalenartigen Strukturkomponente ist zu einer Richtung einer Kraft entgegengesetzt, welche auf die schalenartige Strukturkomponente einwirkt, wenn sie in das Fahrzeug eingebaut ist. Die Kraft wird durch ein auf der schalenartigen Strukturkomponente stehendes Frachtstück oder durch den Kabinenluftdruck erzeugt. Die innere Spannung, welche innerhalb der schalenartigen Strukturkomponente vorhanden ist, kann durch einen Bearbeitungsvorgang wie Additive Layer Manufacturing, selektives Laserschmelzen, Kugelstrahlen oder Aufweiten hervorgerufen werden.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird eine Verwendung einer schalenartigen Strukturkomponente bei einem Luftfahrzeug bereitgestellt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine Schnittansicht einer Schichtstruktur mit verschiedenen Materialien.
2 zeigt eine Schnittansicht einer Schichtstruktur mit unterschiedlichen Dicken der Schichten gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
3 zeigt eine Schnittansicht einer Schichtstruktur, welche infolge innerer Spannungen innerhalb der Schichtstruktur verformt ist, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
4 zeigt eine Schnittansicht einer schalenartigen Strukturkomponente in einem unbelasteten Zustand und in einem belasteten Zustand gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
5A zeigt eine Schnittansicht von Versteifungseinheiten und eines Teils einer Außenhaut eines Luftfahrzeugrumpfes in einem unbelasteten Zustand gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
5B zeigt eine Schnittansicht von Versteifungseinheiten und eines Teils einer Außenhaut eines Luftfahrzeugrumpfes in einem belasteten Zustand gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
6A zeigt eine Schnittansicht eines Luftfahrzeugrumpfes mit einer integrierten Luftfahrzeugtür in einem unbelasteten Zustand gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
6B zeigt eine Schnittansicht eines Luftfahrzeugrumpfes mit einer integrierten Luftfahrzeugtür in einem belasteten Zustand gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
7A zeigt schematisch ein Luftfahrzeug mit Luftfahrzeug-Tragflügeln in einem unbelasteten und in einem belasteten Zustand gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
7B zeigt schematisch ein anderes Luftfahrzeug mit Luftfahrzeug-Tragflügeln in einem unbelasteten und in einem belasteten Zustand gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
8A zeigt schematisch eine Seitenansicht eines Luftfahrzeugrumpfes in einem unbelasteten Zustand gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
8B zeigt schematisch eine Seitenansicht eines Luftfahrzeugrumpfes in einem belasteten Zustand gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
8C zeigt schematisch eine Seitenansicht eines Luftfahrzeugrumpfes in einem unbelasteten Zustand gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung.
9 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung einer schalenartigen Strukturkomponente für ein Fahrzeug unter Anwendung von Additive Layer Manufacturing.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Die in den Figuren dargestellten Elemente sind nicht maßstabsgetreu gezeichnet. In 1 ist eine Schnittansicht einer Schichtstruktur 10 mit verschiedenen Materialschichten dargestellt. Die Schichtstruktur 10 kann wenigstens ein Teil einer schalenartigen Strukturkomponente sein, wobei diese schalenartige Strukturkomponente in einem Fahrzeug wie etwa einem Luftfahrzeug, einem Auto oder einem Schienenfahrzeug verwendet werden kann. Die schalenartige Strukturkomponente kann somit ein Teil einer Außenhaut eines Luftfahrzeugs, ein Bodenpaneel eines Luftfahrzeugs oder ein Teil einer Tür eines Luftfahrzeugs sein. Die Schichtstruktur 10, welche in 1 dargestellt ist, umfasst drei verschiedene Materialschichten. Zum Beispiel sind eine erste Schicht 1 und eine dritte Schicht 3 aus demselben Material hergestellt, und eine zweite Schicht 2, welche zwischen der ersten Schicht 1 und der dritten Schicht 3 angeordnet ist, ist aus einem Material hergestellt, welches von dem Material der ersten Schicht 1 und der dritten Schicht 3 verschieden ist. Das Material der ersten Schicht 1 und der dritten Schicht 3 kann Aluminium sein, und das Material der zweiten Schicht 2 kann Titan sein. Wie in 1 dargestellt, sind die geometrischen Abmessungen der ersten Schicht 1 und der dritten Schicht 3 identisch, so dass ein symmetrisches Erscheinungsbild der Zusammensetzung der Schichtstruktur 10 erhalten werden kann. Die Schichtstruktur 10 kann mithilfe von Additive Layer Manufacturing und/oder selektivem Laserschmelzen hergestellt werden, so dass nach dem Verbinden der verschiedenen Schichten der Schichtstruktur 10 eine metallische Kontinuität zwischen den Schichten erreicht werden kann; z. B. können die verschiedenen Schichten stoffschlüssig verbunden werden. Wenn sich die Temperatur der Schichtstruktur 10 ändert, z. B. wenn die Schichtstruktur 10 nach dem Herstellungsprozess abgekühlt wird, werden innere Spannungen innerhalb der Schichtstruktur 10 erzeugt, da Titan und Aluminium unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Anders ausgedrückt, Titan weist eine kleinere Wärmeausdehnung oder Verlängerung als Aluminium auf, wenn die Temperatur beide Materialien um den gleichen Betrag geändert wird, was zu inneren Spannungen innerhalb jeder Schicht der Schichtstruktur 10 führt.
2 zeigt eine Schnittansicht einer Schichtstruktur 10 mit einem asymmetrischen Aufbau, bei welchem die erste Schicht 1 dicker als die dritte Schicht 3 ist. In diesem Beispiel sind die erste Schicht 1 und die dritte Schicht 3 aus Aluminium hergestellt, und die zweite Schicht 2, welche zwischen der ersten Schicht 1 und der dritten Schicht 3 angeordnet ist, ist aus Titan hergestellt. Die Schichtstruktur 10 kann ebenfalls unter Anwendung von Additive Layer Manufacturing und/oder selektivem Laserschmelzen hergestellt werden, so dass eine metallische Kontinuität zwischen der ersten Schicht 1 und der zweiten Schicht 2 sowie zwischen der zweiten Schicht 2 und der dritten Schicht 3 gewährleistet ist. Die verschiedenen Schichten können jedoch stoffschlüssig verbunden werden. Auf diese Weise ist es möglich, dass eine innere Spannung innerhalb der Schichtstruktur 10 hervorgerufen oder erzeugt wird, wenn die Temperatur der Schichtstruktur 10 verändert wird. Dies ist auf die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten oder die Ausdehnungseigenschaften verschiedener Materialien zurückzuführen. In diesem Falle hat Titan einen niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizient als Aluminium.
Infolge der hervorgerufenen inneren Spannungen kann die Schichtstruktur 10 verformt werden, wie in 3 dargestellt. Die Verformung kann als eine Biegung oder Verwindung der Schichtstruktur 10 in Erscheinung treten. Die Schnittansicht in 3 zeigt ein Biegen der Schichtstruktur 10. Das Biegen wird durch innere Spannungen erzeugt, die durch die stoffschlüssig verbundene Anordnung von Schichten der Schichtstruktur 10 in Kombination mit Änderungen der Temperatur, welcher die Schichtstruktur 10 ausgesetzt ist, hervorgerufen werden. Zum Beispiel ist die Schichtstruktur 10 nicht gebogen, wenn sie mittels Additive Layer Manufacturing bei relativ hohen Temperaturen hergestellt wird, während ein Biegen, wie in 3 dargestellt, erfolgt, wenn die Schichtstruktur 10 auf Umgebungsbedingungen abgekühlt wird. In diesem Falle ist die erste Schicht 1 dicker als die zweite Schicht 2 und die dritte Schicht 3. Die asymmetrische Anordnung der verschiedenen Schichten kann innere Spannungen innerhalb der Schichtstruktur 10 hervorrufen, und das Auftreten der inneren Spannungen wiederum hat die in 3 dargestellte Durchbiegung zur Folge. Mittels des Verfahrens zur Herstellung der schalenartigen Strukturkomponente unter Anwendung von Additive Layer Manufacturing kann ein vorbestimmtes Biegen der Schichtstruktur 10 erreicht werden, so dass eine vorbestimmte Durchbiegung infolge des Biegens der Schichtstruktur 10 gewährleistet wird. Diese Durchbiegung kann auf vorteilhafte Weise eine Verformung kompensieren, welche auf äußere Lasten zurückzuführen ist.
4 zeigt eine Schnittansicht einer schalenartigen Strukturkomponente in einem belasteten Zustand 21 und in einem unbelasteten Zustand 20, wobei die schalenartige Strukturkomponente an zwei Trägern 23a, 23b befestigt ist. Ein erstes Ende der schalenartigen Strukturkomponente ist an einem ersten Träger 23a befestigt, und ein zweites Ende der schalenartigen Strukturkomponente ist an einem zweiten Träger 23b befestigt. Es ist anzumerken, dass die in 4 dargestellten Elemente dreidimensionale Objekte sind, wie zum Beispiel ein Frachtraum-Bodenpaneel, welches von zwei Trägern 23a, 23b abgestützt wird. Die Träger, welche auch Querträger genannt werden, können stranggepresste Aluminiumprofile sein, welche durch Rührreibschweißen verbunden sind. Der Einfachheit halber wurde eine Vorderansicht dieser Anordnung gewählt. Im unbelasteten Zustand 20 ist die schalenartige Strukturkomponente auf eine solche Weise gebogen, dass wenigstens ein Teil derselben in eine erste Richtung 24 ausgelenkt wird, welche durch einen Pfeil angegeben ist. Somit gibt die erste Richtung 24 die Biegerichtung an. Diese Biegung ist auf innere Spannungen zurückzuführen, die durch das Vorsehen unterschiedlicher Materialien innerhalb eines gewissen Bereichs oder gewisser Bereiche der schalenartigen Strukturkomponente hervorgerufen werden, welche zum Beispiel eine Schichtstruktur umfasst. Falls eine äußere Last auf die schalenartige Strukturkomponente in einer zweiten Richtung 22 einwirkt, welche durch einen weiteren Pfeil angegeben ist, wird die schalenartige Strukturkomponente in die zur ersten Richtung 24 entgegengesetzte zweite Richtung 22 gedrückt. Anders ausgedrückt, die Biegerichtung 24 ist im Wesentlichen parallel und/oder entgegengesetzt zu der Belastungsrichtung 22. Im belasteten Zustand 21 kann jedoch die Auslenkung oder Biegung der schalenartigen Strukturkomponente verringert werden. Der belastete Zustand 21, der in 4 veranschaulicht ist, bedeutet, dass die Biegung oder die Auslenkung der schalenartigen Strukturkomponente sogar verschwinden kann, wenn eine bestimmte Last erreicht ist. Die inneren Spannungen können innerhalb der schalenartigen Strukturkomponente derart hervorgerufen werden, dass eine vorbestimmte Biegung oder Auslenkung auftritt, wenn eine bestimmte Kraft oder Last im belasteten Zustand 21 auf die schalenartige Strukturkomponente ausgeübt wird bzw. einwirkt. Anders ausgedrückt, die inneren Spannungen innerhalb der schalenartigen Strukturkomponente und folglich die Biegung der schalenartigen Strukturkomponente können unter Anwendung des beschriebenen Herstellungsverfahrens angepasst werden. Das Aufbringen des ersten Materials auf sorgfältig ausgewählte Bereiche der schalenartigen Strukturkomponente mittels Additive Layer Manufacturing bietet die Möglichkeit, die Verformung und damit die Biegung der schalenartigen Strukturkomponente in Abhängigkeit von Änderungen von Umgebungsbedingungen, wie etwa Druckdifferenzen oder Temperaturdifferenzen, vorherzubestimmen. Daher kann die schalenartige Strukturkomponente eine Form annehmen, welche verbesserte Betriebsbedingungen des Fahrzeugs gewährleistet, in das die schalenartige Strukturkomponente eingebaut ist.
5A zeigt eine Schnittansicht zweier Versteifungseinheiten 32 und eines Teils einer Außenhaut 30 eines Luftfahrzeugrumpfes in einem unbelasteten Zustand 20, und 5B zeigt dasselbe in einem belasteten Zustand 21. Der Einfachheit halber sind die Versteifungseinheiten 32 so gezeichnet, als ob sie von der Außenhaut 30 gelöst wären. In einem fertiggestellten Luftfahrzeugrumpf sind die Versteifungseinheiten 32 an der Außenhaut 30 befestigt. Die Versteifungseinheiten 32 können Stringer (Längsversteifungen) oder Rippen sein. Der Teil der Außenhaut 30 kann die schalenartige Strukturkomponente sein, welche mittels des beschriebenen Verfahrens hergestellt wurde. Im unbelasteten Zustand 20 wird die schalenartige Strukturkomponente gebogen oder verformt, so dass eine gewellte Form angenommen wird. Diese gewellte Form ist das Ergebnis der inneren Spannungen, die durch den Herstellungsprozess der schalenartigen Strukturkomponente hervorgerufen werden. Eine ideale Kontur 31 ist in 5A ebenfalls dargestellt. Die ideale Kontur 31 beschreibt einen Zustand des Teils der Außenhaut 30, welcher durch einen verringerten Strömungswiderstand während des Fluges des Luftfahrzeugs gekennzeichnet ist. Diese ideale Kontur 31 wird von dem Teil der Außenhaut 30 im belasteten Zustand 21 angenommen, welcher in 5B beschrieben ist. Die Druckdifferenz zwischen dem Inneren des Luftfahrzeugrumpfes und dem Äußeren des Luftfahrzeugrumpfes während eines Reise- bzw. Marschfluges bewirkt, dass eine Last derart auf den Teil der Außenhaut 30 einwirkt, dass eine geradlinige Form des Teils der Außenhaut 30 angenommen wird. Der Teil der Außenhaut 30 kann im Wesentlichen mit der idealen Kontur 31 übereinstimmen, so dass in einem belasteten Zustand 21 ein verringerter Strömungswiderstand erreicht werden kann. Im Allgemeinen kann die Verformung des Teils der Außenhaut 30, welches die schalenartige Strukturkomponente sein kann, durch innere Spannungen innerhalb des Teils der Außenhaut 30 erzeugt werden, die mittels des beschriebenen Verfahrens hervorgerufen werden, so dass der Teil der Außenhaut 30 eine aerodynamisch verbesserte Form annimmt, falls eine bestimmte Druckdifferenz oder Temperaturänderung erreicht wird; z. B. folgt der Teil der Außenhaut 30 der idealen Kontur 31.
6A zeigt eine Schnittansicht eines Luftfahrzeugrumpfes mit einer integrierten Luftfahrzeugtür 40 in einem unbelasteten Zustand 20. Außerdem sind ein Boden 43 innerhalb des Luftfahrzeugrumpfes sowie eine Außenhaut 41 des Luftfahrzeugrumpfes dargestellt. Die Luftfahrzeugtür 40 kann die schalenartige Strukturkomponente sein, welche mittels des beschriebenen Verfahrens hergestellt wurde. Die Tür 40 kann im unbelasteten Zustand 20 leicht gebogen sein, wie in 6A dargestellt. Es ist anzumerken, dass die Darstellung der Form der Tür stark übertrieben ist. Die Tür 40 kann mittels des Verfahrens gemäß der Erfindung hergestellt sein, so dass, falls in einem belasteten Zustand 21 eine vorbestimmte Last auf die Tür 40 einwirkt, diese verformt oder gebogen wird und daher im Wesentlichen mit der Kontur der Außenhaut 41 des Luftfahrzeugrumpfes übereinstimmende Form annimmt. Der belastete Zustand 21 ist in der Schnittansicht von 6B dargestellt. Im belasteten Zustand 21 wird die Tür 40 in Bezug auf den Luftfahrzeugrumpf vom Inneren her zum Äußeren hin gedrückt. Dies kann die aerodynamischen Eigenschaften des Luftfahrzeugs in einem Bereich in der Nähe der Tür 40 positiv beeinflussen. Das Prinzip kann allgemein auch auf andere Strukturkomponenten eines Luftfahrzeugs angewendet werden, wie etwa ein Druckschott. Es ist klar, dass das Innere eines Luftfahrzeugrumpfes den Teil eines Luftfahrzeugs bezeichnet, welcher von der umgebenden Außenhaut 41 umschlossen ist, während das Äußere die Umgebung bezeichnet, welche die Außenhaut 41 des Luftfahrzeugrumpfes umgibt.
7A zeigt schematisch ein erstes Luftfahrzeug 50 mit Luftfahrzeug-Tragflügeln in einem unbelasteten Zustand 20 und in einem belasteten Zustand 21. Das erste Luftfahrzeug 50 kann ein herkömmliches Passagierflugzeug sein. Im unbelasteten Zustand 20, z. B. während des Betriebs am Boden, können die Tragflügel des ersten Luftfahrzeugs 50 die Form annehmen, die durch die gestrichelten Linien in 7A angegeben ist. Diese Form stellt eine ideale Kontur dar, welche durch Herstellung oder Zusammenbau der Luftfahrzeug-Tragflügel auf herkömmliche Weise erzeugt wird. Im belasteten Zustand 21, z. B. während eines Reisefluges, werden die Tragflügel des ersten Luftfahrzeugs 50 in eine vertikale Richtung des ersten Luftfahrzeugs 50 gebogen oder ausgelenkt, so dass eine Abweichung von der idealen Kontur verursacht wird.
Im Gegensatz dazu zeigt 7B schematisch ein zweites Luftfahrzeug 51 mit Luftfahrzeug-Tragflügeln in einem unbelasteten Zustand 20 und in einem belasteten Zustand 21, wobei die Tragflügel mittels des Verfahrens gemäß der Erfindung hergestellt wurden. Daher können schalenartige Strukturkomponenten in die Tragflügel integriert sein, derart, dass im unbelasteten Zustand 20, z. B. während des Betriebs am Boden, infolge innerer Spannungen, die durch das Herstellungsverfahren erzeugt werden, eine Biegung oder Auslenkung der Tragflügel hervorgerufen wird. Die Form oder Kontur der Tragflügel im unbelasteten Zustand 20 ist in 7B durch gestrichelte Linien angegeben. Im belasteten Zustand 21 der Tragflügel des zweiten Luftfahrzeugs 51, z. B. während eines Reisefluges, können sich die Tragflügel an eine Form anpassen, welche im Wesentlichen gleich der idealen Kontur ist. Die Anpassung kann durch eine Biegung oder Auslenkung unterstützt werden, welche durch Temperaturunterschiede zwischen Betrieb am Boden und Reiseflug verursacht wird. Die Biegung kann durch Temperaturunterschiede wesentlich beeinflusst werden, da die schalenartigen Strukturkomponenten verschiedene Materialien umfassen können, die jeweils einen anderen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Anders ausgedrückt, die Tragflügel können im Wesentlichen an die ideale Kontur mit minimalem Strömungswiderstand angepasst sein, falls eine bestimmte Last in Kombination mit einer bestimmten Temperatur während des Reisefluges erreicht wird. Das Annehmen der idealen Kontur der Tragflügel im belasteten Zustand 21 hat eine Verringerung des Luftwiderstandskoeffizienten während eines Reisefluges des zweiten Luftfahrzeugs 51 zur Folge. Dieses Prinzip kann auch für andere Anwendungen genutzt werden, bei welchen eine Verformung und Biegung schalenartiger Strukturkomponenten, die in ein Fahrzeug integriert sind, zu verbesserten aerodynamischen Eigenschaften führt.
Zum Beispiel zeigt 8A schematisch eine Seitenansicht eines Luftfahrzeugrumpfes in einem unbelasteten Zustand 20. Der unbelastete Zustand 20, z. B. während des Betriebs am Boden, ist durch eine ideale Kontur oder Form des Rumpfes gekennzeichnet, welche ein gutes aerodynamisches Verhalten des Rumpfes gewährleisten würde. Diese ideale Kontur oder Form ist während des Fluges gewöhnlich nicht mehr vorhanden, da der Luftfahrzeugrumpf infolge äußerer Lasten verformt wird, wie in 8B dargestellt. Die äußeren Lasten können zum Beispiel Hubkräfte sein, die vorwiegend auf die Tragflügel wirken. Die äußeren Lasten verändern die Form des gesamten Rumpfes. Diese Verformung des Rumpfes kann einen verminderten aerodynamischen Wirkungsgrad zur Folge haben. Die Erfindung stellt jedoch ein Verfahren zur Herstellung schalenartiger Strukturkomponenten bereit, welche in den Luftfahrzeugrumpf integriert werden können, zum Beispiel als Teile der Außenhaut 30, so dass eine Verformung und Biegung des Rumpfes in einem unbelasteten Zustand 20 erzeugt wird. Dieser Aspekt wird in 8C veranschaulicht, welche den Luftfahrzeugrumpf in einem unbelasteten Zustand 20 zeigt, zum Beispiel nach dem Zusammenbau des Rumpfes am Boden. Die im unbelasteten Zustand 20 erzeugte Biegung kann im belasteten Zustand 21 zu einer Anpassung der Rumpfform an die ideale Kontur oder Form führen, wie in 8A dargestellt. Der aerodynamische Wirkungsgrad im belasteten Zustand 21, z. B. während des Fluges, kann durch die Anpassung des Rumpfes an die ideale Form verbessert werden. Anpassung an die ideale Kontur oder Form bedeutet, dass die hervorgerufene Biegung des Rumpfes nach dem Zusammenbau am Boden während des Flugbetriebs verringert wird.
9 zeigt ein Verfahren zur Herstellung einer schalenartigen Strukturkomponente für ein Fahrzeug unter Anwendung von Additive Layer Manufacturing und/oder von selektivem Laserschmelzen. Das Verfahren umfasst verschiedene Schritte. In einem Schritt S1 des Verfahrens wird ein erstes Material auf einen Bereich der schalenartigen Strukturkomponente aufgebracht. In einem weiteren Schritt S2 wird der Bereich der schalenartigen Strukturkomponente mittels eines Laserstrahls erwärmt, so dass das erste Material zu der schalenartigen Strukturkomponente hinzugefügt wird. Zum Beispiel wird ein Pulverbett auf der schalenartigen Strukturkomponente erwärmt, bevor das erste Material auf die schalenartige Strukturkomponente aufgebracht oder gedruckt wird. Die schalenartige Strukturkomponente, welche das erste Material umfasst, wird in einem weiteren Schritt S3 gekühlt, so dass eine innere Spannung innerhalb der schalenartigen Strukturkomponente erzeugt wird, welche eine Biegung der schalenartigen Strukturkomponente zur Folge hat. Das Verfahren kann ferner Schritte umfassen, wie zum Beispiel das Ändern einer Temperatur und/oder einer Druckdifferenz, so dass die schalenartige Strukturkomponente eine vorbestimmte geometrische Form annimmt.
Das Aufbringen des ersten Materials auf den Bereich der schalenartigen Strukturkomponente kann in einem multidirektionalen additiven Herstellungsprozesses durchgeführt werden, in welchem das erste Material gleichzeitig aus verschiedenen Richtungen und/oder auf verschiedene Bereiche der schalenartigen Strukturkomponente aufgebracht wird. Dies gewährleistet eine beschleunigte Herstellung der schalenartigen Strukturkomponente.
Es versteht sich, dass das erste Material ebenso auf die Oberfläche der schalenartigen Strukturkomponente aufgebracht wie in der schalenartigen Strukturkomponente angeordnet werden kann. Somit ist es auch möglich, dass das erste Material von der schalenartigen Strukturkomponente umschlossen wird, zum Beispiel in einer Schichtstruktur. Anders ausgedrückt, das erste Material wird von der schalenartigen Strukturkomponente umfasst.
Das Verfahren stellt auch einen additiven Reparaturprozess zum Füllen von Beulen oder Kratzern auf der Oberfläche der schalenartigen Strukturkomponente bereit. Die Beulen oder Kratzer können mit Scalmalloy gefüllt werden, was eine Legierung ist, die Aluminium, Magnesium und Scandium umfasst. Es ist somit möglicherweise nicht erforderlich, das Material auf der Oberfläche der schalenartigen Strukturkomponente mittels subtraktiver Prozesse abzutragen oder abzuschaben, bis die Beulen oder Kratzer verschwinden.
Obwohl die Erfindung in den Zeichnungen und der vorstehenden Beschreibung ausführlich dargestellt und beschrieben wurde, sind diese Darstellung und Beschreibung als der Veranschaulichung dienend und beispielhaft und nicht als einschränkend zu betrachten; die Erfindung ist nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt. Andere Varianten der offenbarten Ausführungsformen sind für Fachleute, welche die beanspruchte Erfindung praktisch ausführen, anhand eines Studiums der Zeichnungen, der Offenbarung und der beigefügten Ansprüche ersichtlich und realisierbar. In den Ansprüchen schließt der Begriff ”umfassen” andere Elemente nicht aus, und der unbestimmte Artikel ”ein” oder ”eine” schließt die Mehrzahl nicht aus. Die Tatsache allein, dass bestimmte Maßnahmen in voneinander verschiedenen abhängigen Ansprüchen genannt werden, besagt nicht, dass eine Kombination dieser Maßnahmen nicht vorteilhaft angewendet werden kann. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als den Schutzbereich einschränkend auszulegen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007015795 A1 [0003]
DE 102007026100 B4 [0004]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer schalenartigen Strukturkomponente für ein Fahrzeug unter Anwendung von Additive Layer Manufacturing, welches die folgenden Schritte umfasst: Aufbringen eines ersten Materials auf einen Bereich der schalenartigen Strukturkomponente (S1); Erwärmen des Bereichs der schalenartigen Strukturkomponente mittels eines Laserstrahls, so dass das erste Material zu der schalenartigen Strukturkomponente hinzugefügt wird (S2); Kühlen der schalenartigen Strukturkomponente, welche das erste Material umfasst, so dass eine innere Spannung innerhalb der schalenartigen Strukturkomponente erzeugt wird, die ein Biegen der schalenartigen Strukturkomponente zur Folge hat (S3).
Verfahren nach Anspruch 1, welches ferner den folgenden Schritt umfasst: Aufbringen des ersten Materials auf mehrere Bereiche der schalenartigen Strukturkomponente aus unterschiedlichen Richtungen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Biegerichtung entgegengesetzt zu einer Richtung einer Kraft ist, welche auf die schalenartige Strukturkomponente einwirkt, wenn sie in das Fahrzeug eingebaut ist, wobei die Kraft durch ein auf der schalenartigen Strukturkomponente stehendes Frachtstück oder durch den Kabinenluftdruck erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches ferner den folgenden Schritt umfasst: Erzeugen eine Schichtstruktur (10) der schalenartigen Strukturkomponente durch Aufbringen des ersten Materials auf die Fläche der schalenartigen Strukturkomponente, wobei die Schichtstruktur (10) eine Schicht des ersten Materials umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die innere Spannung durch Verwendung unterschiedlicher Materialien hervorgerufen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die innere Spannung durch Verwendung unterschiedlicher Temperaturen hervorgerufen wird, wenn der Bereich der schalenartigen Strukturkomponente erwärmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die schalenartige Strukturkomponente ein Bodenpaneel ist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei eine Dicke des Bodenpaneels zwischen 2 Millimetern und 100 Millimetern beträgt, vorzugsweise zwischen 2 Millimetern und 4 Millimetern.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Material einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, welcher sich von einem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Bereichs der schalenartigen Strukturkomponente, auf welchen das erste Material aufgebracht worden ist, unterscheidet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die schalenartige Strukturkomponente aus der Gruppe ausgewählt ist, welche ein Bodenpaneel eines Frachtraums eines Luftfahrzeugs, einen Teil einer Luftfahrzeug-Außenhaut (30, 41), einen Teil eines Luftfahrzeug-Tragflügels und einen Teil einer Luftfahrzeugtür (40) umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Material aus der Gruppe ausgewählt ist, welche Silicium, Eisen, Kupfer, Mangan, Chrom, Zinn, Vanadium, Titan, Wismut, Gallium, Blei, Aluminium und Zirconium umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine zusätzliche innere Spannung innerhalb der schalenartigen Strukturkomponente durch Kugelstrahlen und Aufweiten erzeugt wird.
Schalenartige Strukturkomponente für ein Luftfahrzeug, in welcher eine innere Spannung vorhanden ist, welche ein Biegen der schalenartigen Strukturkomponente zur Folge hat; wobei eine Biegerichtung zu einer Richtung einer Kraft entgegengesetzt ist, welche auf die schalenartige Strukturkomponente einwirkt, wenn sie in das Fahrzeug eingebaut ist; wobei die Kraft durch ein auf der schalenartigen Strukturkomponente stehendes Frachtstück oder durch den Kabinenluftdruck erzeugt wird.
Verwendung einer schalenartigen Strukturkomponente nach Anspruch 13 als Strukturkomponente in einem Luftfahrzeug.