-
Die Erfindung betrifft einen formstabilen Flügel für Windenergieanlagen, Rotoren von Helikoptern oder Tragflächen von Kleinflugzeugen bestehend aus einem Stützgerüst und einer Umhüllung sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
-
Aus dem Flugzeugbau ist es bekannt, dass die Tragflächen aus einem Stützgerüst gefertigt werden, das mit Metallplatten beplankt wird. Diese Arbeit ist zeitaufwändig und materialintensiv. Entsprechend weisen solche Tragflächen ein relativ hohes Gewicht auf und lassen sich nur in großen Stückzahlen rentabel fertigen.
-
In der
DE 93 15 747 U1 wird ein Rotorblatt aus faserverstärkten Kunststoffen mit einem biegesteifen Holm und glatter Flügeloberfläche für Windkraftanlagen vorgeschlagen bei dem ein Formkern aus einem druckfesten Schaumstoff ein mittleres Holmteil sowie ein vorderes und ein hinteres an das Holmteil angesetztes Profilteil aufweist. Das Holmteil sowie die beiden Profilteile bilden einen Formkern, die mit einer unidirektionalen Faserwicklung sowie einer darüber angeordneten Kreuzwicklung bewickelt werden.
-
Ein weiteres Beispiel zur Herstellung eines Rotorblatts ist in der
DE 10 2013 109 383 A1 offenbart. Bei diesem Verfahren werden zwei Außenschalen aus Glasfaser mit Harz infundiert. Sobald die zwei Schalen ausgehärtet sind, werden vorgefertigte, gehärtete Verbundwerkstoffholmstege mit einem Last aufnehmenden Gurt einer ersten Schale von den zwei Schalen verbunden. Die Verbindung findet typischerweise unter Verwendung eines Klebers, wie z.B. eines Epoxids oder eines anderen geeigneten Klebers, statt. Sobald der die erste Schale mit dem Holmsteg verbindende Kleber ausgehärtet ist, wird die zweite Schale an dem Holmsteg angebracht und damit verbunden. Anschließend wird die gesamte Anordnung gehärtet, um ein fertiges Windkraftanlagenblatt zu erzeugen. Diese Klebeverbindungsstellen können jedoch Gewicht und Komplexität zu dem Windkraftanlagenblatt beitragen und die für den Herstellungsprozess erforderliche Zeit verlängern. Zusätzlich kann die große Anzahl von Klebeverbindungsstellen auch die Fähigkeit zu engen Toleranzen und Übergangsstellen, insbesondere an Übergangsstellen zwischen der Schale und dem Holmsteg des Windkraftanlagenblattes ausschließen.
-
Bei diesen bekannten Rotorblättern ist die ordnungsgemäße Durchführung der Verklebung schwer zu kontrollieren da sich die Klebeflächen im Inneren des Rotorblattes befinden. Da bei einer Durchbiegung des Flügels in den Klebeflächen große Spannungen auftreten stellen die Klebefugen an der Blattvorder- und - hinterkante und die Klebefugen zwischen den Holmteilen und den Blattschalen erhebliche Schwachstellen im Rotorblatt dar.
-
Die
DE 10 2012 108 125 A1 offenbart ein Rotorblatt für eine Windkraftanlage, das aus einem Körper besteht, der zumindest teilweise aus einem Kernmaterial (z. B. ein Schaumstoff) geformt ist. Das Rotorblatt weist innerhalb des Kernmaterials eine Mehrzahl von Scherelementen und eine Mehrzahl von Versteifungselementen auf. Das Rotorblatt kann zusätzlich eine Haut aufweisen, die sich um einen Außenumfang des Körpers erstreckt und eine Schutzbeschichtung für das Kernmaterial darstellt.
-
Weiterhin wird ein Verfahren zum Herstellen eines Rotorblatts offenbart, indem ein Blattformling maschinell bearbeitet oder auf andere Weise in die aerodynamische Form oder das Profil des Rotorblatts geformt wird. Eine äußere Haut kann dann auf einen Außenumfang des geformten Blattformlings aufgebracht werden, um die Außenfläche des Rotorblatts zu bilden und um eine Schutzbeschichtung für das Füllmaterial vorzusehen. Die Offenbarung sieht nicht vor, dass wesentliche Bauteile innerhalb des Rotorblatts zusammengebaut werden, um dem Blatt Steifigkeit und/oder Festigkeit zu verleihen. Die offenbarte Lösung dient der effizienten Herstellung von Prototyprotorblättern zum Testen neuer Strömungsprofildesigns und dergleichen.
-
In der
DE 10 2011 056 342 A1 wird ein Rotorblatt für eine Windkraftanlage vorgestellt, das ein Stützelement aufweist, das sich zumindest teilweise zwischen einer Wurzel und einer Spitze des Rotorblatts erstreckt. Das Rotorblatt weist auch eine Haut auf, die eine Außenfläche des Rotorblatts definiert. Zusätzlich kann sich ein Füllmaterial zwischen dem Stützelement und der Haut erstrecken und kann ein Profil des Rotorblatts definieren. Weiterhin wird ein Verfahren zum Herstellen eines Rotorblatts offenbart. Das Verfahren umfasst allgemein das Bereitstellen eines Blattformlings, der zumindest teilweise aus einem Füllmaterial geformt ist, das Gestalten des Blattformlings zum Formen eines Profils des Rotorblatts und das Anordnen einer Haut um einen Umfang des gestalteten Blattformlings.
-
In der
DE 10 2010 011 802 A1 wird ein modular aufgebautes Rotorblatt für eine vertikale Windkraftanlage mit einer Einrichtung zur Befestigung an einem horizontal rotierbaren Tragarm der Windkraftanlage beschrieben. Dabei weist das Rotorblatt eine als Blattmodul ausgebildete Blattschale auf, an der form- oder stoffschlüssig jeweils eine als Blattmodul ausgebildete Profilvorderkante und eine form- oder stoffschlüssig aufgebrachte und als Blattmodul ausgebildete Profilhinterkante angebracht sind.
-
Bei den beiden vorgenannten Lösungen ist der Flügel entweder aus einem festen Material geformt oder ist zumindest mit einem Füllmaterial ausgefüllt, was immer mit einem relativ hohen Gewicht verbunden ist. Außerdem sind hier aufwendige Fügeprozesse erforderlich.
-
In der
DE 198 07 451 A1 wird eine besondere Gestaltung eines Windrades beschrieben, bei dem das Windrad über einen Außenring verfügt, wobei die einzelnen Flügel mittels Zuganker zwischen der Nabe und dem Außenring verspannt sind. Durch den zusätzlichen Außenring soll die Stabilität und der Wirkungsgrad erhöht werden, da der Außenring den durch Luftwirbel verursachten Widerstand verringert.
-
In der
DE 10 2012 104 570 A1 wird ein Verfahren zur Montage eines Rotorflügels einer Windkraftanlage beschrieben, der aus einzelnen Rotorflügelabschnitten zusammengesetzt wird. Jeder Rotorflügelabschnitt weist mehrere Rippen auf, die sich sämtlich im Wesentlichen in Sehnenrichtung erstrecken. Jede der mehreren Rippen hat eine Außenfläche. Die Außenfläche weist ein im Wesentlichen aerodynamisches Profil auf. Der Rotorflügelabschnitt weist außerdem mindestens eine Querstrebe, die sich zwischen benachbarten Rippen der mehreren Rippen erstreckt, und einen äußeren Grundkörper auf, der an den mehreren Rippen befestigt ist. Der äußere Grundkörper weist ein aerodynamisches Profil auf, das im Wesentlichen dem aerodynamischen Profil der mehreren Rippen entspricht.
-
In der
WO 2008/115 265 A1 wird ein Flügel für eine Windturbine mit einem geringen Gewicht vorgestellt. Der vorgestellte Flügel soll eine große Länge aufweisen, um eine große Leistung erzeugen zu können. Der Flügel weist eine innere Fachwerkträgerstruktur auf, die über eine Vielzahl von seitlich beabstandeten Rippen verfügt, die jeweils durch Längsholme miteinander verbunden sind. Zur Erhöhung der Festigkeit sind die Rippen gegeneinander durch kreuzweise angeordnete Querträger abgestützt. Diese Fachwerkträgerstruktur wird außen mit Platten aus gehärteter Verbundstruktur beplankt.
-
Die
US 2010/0 028 159 A1 offenbart einen Flügel für Windkraftanlagen, insbesondere für kleine Anlagen. Zur Optimierung der Effizienz der Anlage weist der Flügel eine vordere Stange und eine hintere Stange auf, über die eine Hülle aus Stoff gezogen wird. Beide Stangen sind mit der Nabe verbunden und in dieser drehbar angeordnet. Durch das Verdrehen der beiden Stangen ist es möglich den Anstellwinkel des Flügels zu verändern.
-
In der
DE 103 37 708 A1 wird eine Flügelausführung vorgeschlagen, bei der ein Stützgerüst, welches mit der Rotorwelle verbunden ist, mit einer Hülle aus einem hochfesten, luftdichten, flexiblen Material überzogen ist und der von der Hülle umschlossene Raum ein Auftriebsprofil begrenzt.
Der Innenraum der Hülle kann entweder mit einem eingeschlossenen, erhöhten Luftdruck oder mit einem tragfähigen Kunststoffschaum gefüllt sein. Der Innenraum kann aber auch über Öffnungen im Nasenholm des Flügels vom Staudruck des Windes beaufschlagt sein.
Das Stützgerüst ist bevorzugt aus gewölbten Formblechen, Metallstäben, Metallrohren, Kunststoff oder Holz gebildet. Das Stützgerüst hat lediglich die Aufgabe der Flügelformung, der Stützung des flexiblen Überzugs und der Drehmomentaufnahme und Übertragung auf die Drehwelle. Die vom Wind am Flügelprofil erzeugten Druck- und Sogkräfte, welche das Drehmoment erzeugen, werden vom Überzug, einer strumpfförmigen Hülle, aufgenommen, wobei auf der Druckseite der Überzug am Stützgerüst aufliegt und an der Sogseite abgehoben wird. Durch die Druck- und Sogkräfte wird die Hülle, welche eine feine Oberflächenstruktur aufweist, gestrafft und bildet dadurch, was besonders an der Sogseite wichtig ist, die erforderlich glatte Oberfläche, auch an den gekrümmten Flächen der Flügelkontur.
-
Diese Ausführung hat den Nachteil, dass die Hülle aus einem flexiblen Tuchmaterial besteht und das verwendete Stützgerüst keine formgebende Funktion hat, so dass der Flügel keine definierte aerodynamische Form aufweist. Um ein Auftriebsprofil zu erzeugen, wird in der Hülle, durch ein vorheriges Aufpumpen der Hülle, ein erhöhter Luftdruck im Innenraum des Flügels erzeugt. Alternativ sind im unteren Bereich des Buges am Nasenholm Öffnungen angebracht, über welche dann durch das Einströmen von Stauluft in den Flügelinnenraum die Hülle aufgeblasen wird. Insbesondere bei dieser Ausführung werden die Strömungsverhältnisse am Flügel ungünstig beeinflusst und Verluste erzeugt. Die nächste dort vorgeschlagene Alternative, dass der Innenraum des Flügels mit einem Hartschaum ausgefüllt ist hat den Nachteil, dass der Hartschaum beim Aushärten keine definierte Oberfläche bildet und keine homogene Gewichtsverteilung in der Hülle erreicht wird.
-
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Flügel für Rotoren von Windenergieanlagen, Helikoptern und Tragflächen von Kleinflugzeugen anzugeben, der bei einem geringen Gewicht eine hohe Stabilität aufweist und eine feste und glatte Oberfläche hat. Er soll eine einstückige Außenhaut aufweisen und einfach herzustellen sein. Weiterhin soll ein Verfahren angegeben werden mit dem dieser Flügel mit einfachen Verfahrensschritten herstellbar ist.
-
Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Flügel, der die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1 aufweist. Der Flügel weist ein Stützgerüst, das für Formstabilität und eine verwindungssteife Verbindung mit dem Motor/Generator der Windenergieanlage/Helikopter bzw. dem Flugzeug sorgt, und eine aus einem Stück bestehende leichte luftundurchlässige Außenhaut auf. Dabei bestehen eine definierte Anzahl von formschlüssigen Verbindungen zwischen dem Stützgerüst und der Außenhaut.
-
Das Stützgerüst verfügt über eine Anzahl von parallel zueinander angeordneten Querspanten, die über die gesamte Länge des Flügels verteilt sind. Die einzelnen Querspanten sind mit einem Tragarm und/oder Längsstreben fest miteinander verbunden. Das Stützgerüst bildet die Grundform für die aerodynamische Außenkontur des Flügels. Der Tragarm ist fest mit dem Stützgerüst verbunden, er ragt aus dem Flügel heraus und dient der festen Verbindung des Flügels mit der Nabe eines Generators oder Motors bzw. mit dem Rumpf eines Flugkörpers. Vorzugsweise kann sich der Tragarm über die gesamte Länge des Flügels erstrecken und mit allen Querspanten des Stützgerüstes fest verbunden sein, er bildet somit quasi das „Rückgrat“ des Flügels. Die Querspanten haben eine Außenkontur, die einem reduzierten Querschnitt des Flügels an der jeweiligen Position entspricht. Sie weisen jeweils an der Vorderkante eine Rundung auf und laufen nach hinten spitz zu, wobei die Wölbung an der Oberseite stärker ausgeprägt ist als die Wölbung an der Unterseite. Der Querschnitt der Querspanten ist gegenüber der Außenkontur des Flügels in etwa um die Dicke der Außenhaut reduziert.
-
Das Stützgerüst weist Mittel auf, über die eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Stützgerüst und der Außenhaut hergestellt wird. Die Außenhaut besteht aus einem fließfähigen aushärtbaren Material, sie umschließt das Stützgerüst und weist nach dem Aushärten an der Außenseite eine geschlossene glatte Oberfläche sowie das erforderliche aerodynamische Profil auf. Sofern die Hinterkante des Flügels sehr spitz zuläuft, so dass nicht gewährleistet ist, dass das fließfähige Material ausreichend in die Hinterkante einfließen kann, kann es von Vorteil sein, eine vorgefertigte feste Hinterkante am Stützgerüst zu befestigen.
-
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Flügels können den abhängigen Sachansprüchen entnommen werden.
-
Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Flügels angegeben. Das erfindungsgemäße Verfahren weist die Merkmale des unabhängigen Verfahrensanspruchs 12 auf. Das fertiggestellte Stützgerüst wird in eine vorzugsweise aus zwei Schalen bestehende Form eingelegt, die die endgültige aerodynamische Form des Flügels aufweist. Dazu wird das Stützgerüst in die eine Schale gelegt, wobei ein geringer Abstand zwischen dem Stützgerüst und der Schale besteht. Dann wird die zweite Schale formschlüssig mit der ersten Schale verbunden, wobei auch hier ein geringer Abstand zwischen dem Stützgerüst und der Schale besteht. In die so entstandene geschlossene Form wird ein fließfähiges und aushärtbares Material eingefüllt. Dann wird die Form mit dem darin befindlichen Stützgerüst und dem fließfähigen Material zumindest um eine Achse, vorzugsweise die x-Achse (Länge des Flügels) gedreht und zumindest um eine weitere Achse, vorzugsweise die y-Achse geschwenkt, so dass das fließfähige Material alle Stellen der Form von innen benetzt. Um eine optimale Verteilung des fließfähigen Materials in der Form zu gewährleisten ist es zweckmäßig, wenn die Form während des Aushärtevorganges um alle drei Achsen gedreht wird. Während der Dreh- und/oder Schwenkbewegung härtet das in fließfähigem Zustand in die Form eingefüllte Material in einem zeitlich gesteuerten Prozess zu einer festen und geschlossenen Außenhaut aus. Durch die Menge des Materials wird die Dicke der Außenhaut definiert. Durch die Dreh- und/oder Schwenkbewegung der Form wird gewährleistet, dass die Dicke der Außenhaut an allen Stellen des Flügels gleich stark ist. Durch die gezielte Steuerung des Aushärteprozesse und der Dreh-/Schwenkbewegung ist es möglich die Außenhaut an bestimmten Stellen gezielt stärker zu gestalten. Die am Stützgerüst befindlichen Mittel zur Herstellung einer formschlüssigen Verbindung werden von dem fließfähigen Material während des Härteprozesses umschlossen, so dass nach dem Aushärten an diesen Stellen formschlüssige Verbindungen zwischen dem Stützgerüst und der Außenhaut entstanden sind. Als fließfähiges und aushärtbares Material wird bevorzugt ein thermoplastischer Werkstoff verwendet. Der thermoplastische Werkstoff hat den Vorteil, dass durch die Temperatur die Fließfähigkeit gezielt eingestellt werden kann, so dass das Material gut alle Stellen der Form erreicht und das Stützgerüst gut umflossen wird. Der Aushärteprozess des thermoplastischen Werkstoffs kann gut über den gewählten Temperaturgradienten und den Temperaturverlauf an definierten Stellen der Form gesteuert werden.
-
Die Querspanten sind vorzugsweise Flächengebilde mit großflächigen Aussparungen. Ihre Außenkontur entspricht einem reduzierten Flügelquerschnitt an der jeweiligen Position im Stützgerüst. Sie weisen an ihrer Außenkontur Mittel auf, die mit der Außenhaut eine formschlüssige Verbindung aufweisen. Im Inneren weisen die Querspanten neben einer definierten Ausnehmung zur Aufnahme des Tragarms, der hier fest mit dem jeweiligen Querspant verbunden ist, weitere großflächige Aussparungen/Durchbrüche auf. Die Mittel über die formschlüssige Verbindungen zwischen dem Stützgerüst und der Außenhaut hergestellt werden, bestehen aus Ausnehmungen bzw. Ausstülpungen an den Außenkonturen der Längsstreben und/oder den Querspanten.
-
Die Erfindung wird nachstehend an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Der erfindungsgemäße Flügel ist im gewählten Beispiel ein Rotorblatt einer Windenergieanlage. Die zugehörigen Figuren zeigen:
- 1: Perspektivische Ansicht des Flügels
- 2: Perspektivische Ansicht des Stützgerüstes
- 3: Seitenansicht eines Querspantes
- 4 Seitenansicht eines Querspantes mit Mitteln zur formschlüssigen Verbindung in Form von Löchern
- 5 Seitenansicht eines Querspantes mit Mitteln zur formschlüssigen Verbindung in Form von schwalbenschwanzförmigen Einkerbungen
- 6 Querschnitt durch die Form mit eingelegtem Stützgerüst
-
In der 1 ist eine perspektivische Ansicht des Flügels 1 dargestellt. Der Flügel 1 erstreckt sich in x-Richtung von der Wurzel 1.1 bis zur Spitze 1.2. In der y-Richtung erstreckt sich der Flügel 1 von der Vorderkante 1.3 bis zur Hinterkante 1.4. Die sichtbare Fläche ist die Druckseite 1.6, während die Sogseite 1.5 hier unter dem Flügel liegt. Die Oberfläche des Flügels 1 ist von der Außenhaut 3 bedeckt.
-
In der 2 wird eine perspektivische Ansicht des Stützgerüstes 2 des Flügels 1 gezeigt. Das Stützgerüst 2 besteht aus einer Anzahl n von parallel zueinander angeordneten Querspanten 2.1, die senkrecht zur Längsachse x, in der y-z Ebene des Flügels 1 ausgerichtet sind. Die Querspanten 2.1 weisen zueinander einen Abstand a auf. Der Abstand a kann jeweils gleich sein, aber auch in Abhängigkeit von der geforderten Festigkeit/Steifigkeit des Flügels 1 variieren. Die Gesamtzahl n der Querspanten 2.1 wird ebenfalls von der Länge L und der gewünschten Festigkeit/Steifigkeit des Flügels 1 bestimmt. Im gewählten Beispiel beträgt die Länge L des Flügels 5 m. Die Breite des Flügels 1, von der Vorderkante 1.3 bis zur Hinterkante 1.4 beträgt an seiner breitesten Stelle 500 mm. Die Anzahl n der Querspanten 2.1 beträgt 12, die hier mit einem gleichmäßigen Abstand a zueinander über die gesamte Länge des Flügels 1 verteilt sind. In der 2 ist das Stützgerüst 2 geschnitten dargestellt, da hier nicht alle 12 Querspanten 2.1 dargestellt sind. Die Querspanten 2.1 sind untereinander durch Längsstreben 2.2 und/oder einen Tragarm 2.3 verbunden. Die Längsstreben 2.2 und der Tragarm 2.3 verlaufen in der Längsachse x der Flügels 1. Der Tragarm 2.3 ragt an seiner Wurzel 1.1 aus dem Flügel 1 heraus und stellt das Verbindungselement des Flügels 1 mit der Nabe eines Generators von Windenergieanlagen oder Motors von Helikoptern bzw. dem Rumpf eines Kleinflugzeuges dar. Der Tragarm 2.3 kann sich innerhalb des Stützgerüstes 2 über die gesamte Länge L des Flügels 1erstrecken und mit allen n Querspanten 2.1 des Stützgerüstes 2 fest verbunden sein. In Abhängigkeit von der Länge L des Flügels 1 und der geforderten Festigkeit/Steifigkeit des Flügels 1 kann sich der Tragarm aber auch nur über einen Teil der Länge L des Flügels 1 erstrecken und nur mit einer geringen Anzahl von Querspanten 2.1, zumindest aber mit dem ersten Querspanten 2.1A fest verbunden sein. Bei dem gezeigten Flügel 1 erstreckt sich der Tragarm über eine Länge von 4,5 m über 11 Querspanten 2.1. Die Anzahl der Längsstreben 2.2 beträgt im gezeigten Beispiel 2, die sich über die gesamte Länge des Flügels 1 von der Wurzel 1.1 des Flügels 1 bis zur Spitze 1.2 erstrecken. Sofern die Hinterkante 1.4 des Flügels 1 sehr spitz zuläuft, so dass nicht gewährleistet ist, dass das fließfähige Material ausreichend in die Hinterkante 1.4 einfließen kann, kann es von Vorteil sein, eine vorgefertigte feste Hinterkante 1.4 am Stützgerüst 2 zu befestigen. Das gleiche gilt für die Spitze 1.2 des Flügels, auch hier kann eine vorgefertigte feste Spitze mit dem letzten Querspanten 2.1E oder den längsten Längsstreben 2.2 des Stützgerüstes 2 fest verbunden werden.
-
Die 3 zeigt eine Seitenansicht eines Querspantes 2.1. Die Außenkontur des dargestellten Querspantes 2.1 entspricht einem reduzierten Querschnitt des Flügels 1 an der entsprechenden Stelle. Die Vorderkante 1.3 weist eine Rundung auf, während die Hinterkante 1.4 spitz zuläuft. Die Sogseite 1.5 weist eine stärkere Wölbung als die Druckseite 1.6 auf.
Der dargestellte Querspant 2.1 weist großflächige Ausnehmungen 2.1s und 2.1T auf. Die Ausnehmung 2.1T dient der Aufnahme des Tragarms 2.3, der durch diese Ausnehmung geführt ist und an dieser Stelle mit dem Querspant 2.1 fest verbunden ist. Die großflächigen Ausnehmungen 2.1s dienen einerseits der Gewichtsreduzierung, sind aber vorwiegend erforderlich, damit das fließfähige Material während des Aushärteprozesses bei der Dreh- und oder Schwenkbewegung der Form nahezu ungehindert durch die Querspanten 2.1 hindurchfließen und an alle Stellen der Form gelangen kann. Die Querspanten 2.1 sind Flächengebilde, deren Außenkontur einem reduzierten Querschnitt des Flügels 1 an der jeweiligen Stelle entspricht. Die Querspanten 2.1 bestehen vorzugsweise aus Aluminium. Diese können gestanzt oder per Laserschnitt hergestellt werden. Im beschriebenen Beispiel werden Querspanten 2.1 aus Aluminium verwendet, die eine Stärke von 5 mm haben.
Als Längsstreben 2.2 werden Rundstäbe aus Aluminium verwendet, die einen Durchmesser von 10 mm haben. In Abhängigkeit vom verwendeten Material für die Querspanten 2.1 und Längsstreben 2.2 werden bekannte Verfahren zur festen Verbindung der Längsstreben 2.2 mit den Querspanten 2.1 gewählt. Bei unserem Beispiel werden die Querspanten mit den Längsstreben durch Schweißen verbunden.
-
Die 4 zeigt eine Seitenansicht eines Querspantes 2.1, bei dem die Mittel 2 zur formschlüssigen Verbindung zwischen Stützgerüst 2 und Außenhaut 3 des Flügels 1 aus Löchern bestehen, indem in geringem Abstand zur Außenkontur des Querspantes 2.1 kleine Bohrungen angebracht sind. In diese Bohrungen 2 fließt das noch fließfähige Material, so dass feste formschlüssige Verbindungen zwischen dem Stützgerüst 2 und der Außenhaut 3 nach dem Aushärten bestehen.
-
Die 5 zeigt eine Seitenansicht eines Querspantes 2.1 mit alternativen Mitteln 2 zur formschlüssigen Verbindung zwischen Stützgerüst 2 und Außenhaut 3, indem schwalbenschwanzförmige Ausnehmungen in der Außenkontur der Querspanten 2.1 angebracht sind. Alternativ können diese Mittel 2 auch aus beispielsweise pilzförmigen Ausstülpungen an der Außenkontur der Querspanten 2.1 bestehen. Vorteilhafterweise weisen auch die Längsstreben 2.2 an der Außenkontur derartige Mittel 2 zur formschlüssigen Verbindung mit der Außenhaut 3 auf. In diese schwalbenschwanzförmigen Ausnehmungen 2 fließt auch hier das noch fließfähige Material, so dass ebenfalls feste formschlüssige Verbindungen zwischen dem Stützgerüst 2 und der Außenhaut 3 nach dem Aushärten bestehen.
Somit ist gewährleistet, dass die Außenhaut 3, über möglichst viele Stellen über die gesamte Oberfläche des Flügels 1 verteilt, fest mit dem Stützgerüst 2 verbunden ist.
In der 5 ist zusätzlich ein Ausschnitt 5 mit dargestellter Außenhaut 3 als Detail dargestellt, aus der die Dicke D der Außenhaut 3, die bei dem erfindungsgemäßen Flügel zwischen 3 und 10 mm beträgt, mit den formschlüssigen Verbindungen 2 im Querspant 2.1 deutlicher ersichtlich ist.
-
In der 6 wird ein Querschnitt durch die Form 4 mit dem eingelegten Stützgerüst 2 gezeigt. In dieser Darstellung ist erkennbar, dass zwischen der Außenkontur des Querspantes 2.1 und der Außenkontur des Flügels 1 ein Abstand d besteht. Dieser Abstand d wird beim Einlegen des Stützgerüstes 2 in die Form durch entsprechende Abstandshalter 4 gewährleistet und beträgt hier 3 mm.
Die Dicke D der Außenhaut 3 beträgt im gewählten Beispiel 4 mm. Der Abstand d ist stets kleiner als die Dicke D der Außenhaut 3, um zu gewährleisten, dass die Mittel 2 zur formschlüssigen Verbindung zwischen Stützgerüst 2 und Außenhaut 3 in jedem Fall von dem fließfähigen Material umflossen werden um die formschlüssigen Verbindungen zu bilden.
Auch in der 6 ist zusätzlich ein Ausschnitt 5 mit dargestellter Außenhaut 3 als Detail dargestellt, aus der die Dicke D der Außenhaut 3 sowie der Abstand d zwischen dem Querspant 2.1 und der oberen Schale 4.1 der Form 4, der durch den Abstandshalter 4 gewährleistet wird, deutlicher ersichtlich ist.
Nachfolgend soll das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung des Flügels an Hand eines Beispiels erläutert werden.
Im beschriebenen Beispiel wird als Material für die Außenhaut ein thermoplastischer Werkstoff, beispielsweise Polypropylen verwendet. Die Form 4 in der der Flügel 1 hergestellt wird, besteht aus zwei Schalen, einer oberen Schale 4.1 und einer unteren Schale 4.2, die nachdem das Stützgerüst 2 eingelegt wurde, zusammengefügt werden. Die beiden Schalen 4.1, 4.2 sind derart passgenau, dass keine Fuge entsteht, an der sich ein Grat ausbilden könnte. Die Innenkontur der Form 4 entspricht der Außenkontur des herzustellenden Flügels 1. In einem ersten Arbeitsschritt wird das Stützgerüst 2 in die untere Schale 4.2 gelegt. Durch in die Form eingelegte Abstandshalter 4 wird gewährleistet, dass ein definierter Abstand d zwischen dem Stützgerüst 2 und der ersten Schale besteht. Nachdem das Stützgerüst 2 in der unteren Schale 4.2 ausgerichtet ist, wird die Form 4 geschlossen, indem die obere Schale 4.1 um das Stützgerüst 2 angeordnet wird. Dabei wird ebenfalls durch am Stützgerüst 2 befindliche Abstandshalter 4 gewährleistet, dass das Stützgerüst 2 in der Form 4 in allen drei Richtungen fixiert ist und an jeder Stelle der Mindestabstand d eingehalten ist. Die Form befindet sich in einem Gestell, welches die Form um mindestens eine Achse drehen und um zumindest eine andere Achse um mindestens 30° schwenken kann. Die geschlossene Form wird auf eine Temperatur von ca. 200 °C vorgeheizt. Im nächsten Arbeitsschritt wird das flüssige Polypropylen in die Form eingefüllt. Die Menge des Materials wird entsprechend der Länge L und Breite B des Flügels 1 sowie der gewünschte Dicke D der Außenhaut 3 berechnet. Für das Beispiel werden 25 I des Polypropylen in die Form gefüllt. Sobald die Form befüllt ist, wird das Gestell mit der Form um die x- Achse gedreht und gleichzeitig um die z-Achse um 30 ° geschwenkt. Dabei fließt der Werkstoff durch die Ausnehmungen 2.1s an alle Stellen des Forminnern. Während der ständigen Dreh-/Schwenkbewegung der Form wird das Polypropylen nach einem definierten zeitlich gesteuerten Prozess abgekühlt, wobei das Material zu einer festen und geschlossenen Außenhaut 3 aushärtet. Eine optimale Verteilung des fließfähigen Materials wird erreicht, wenn das Gestell mit der Form 4 um all drei Achsen rotiert.
-
Durch die Menge des Materials wird die Dicke der Außenhaut 3 definiert. Durch die Dreh- und/oder Schwenkbewegung der Form wird gewährleistet, dass die Dicke der Außenhaut 3 an allen Stellen des Flügels 1 gleich stark ist. Durch die gezielte Steuerung des Aushärteprozesse und der Dreh-/Schwenkbewegung ist es aber auch möglich die Außenhaut 3 an bestimmten Stellen gezielt stärker zu gestalten. Die am Stützgerüst 2 befindlichen Mittel 2 zur Herstellung einer formschlüssigen Verbindung werden von dem fließfähigen Material während des Härteprozesses umschlossen, so dass nach dem Aushärten an diesen Stellen formschlüssige Verbindungen zwischen dem Stützgerüst 2 und der Außenhaut 3 entstanden sind.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Flügel
- 1.1
- Wurzel
- 1.2
- Spitze
- 1.3
- Vorderkante
- 1.4
- Hinterkante
- 1.5
- Sogseite
- 1.6
- Druckseite
- 2
- Stützgerüst
- 2.1
- Querspanten
- 2.1A
- Anfangsspant
- 2.1E
- Endspant
- 2.1T
- Ausnehmung im Querspant für Tragarm
- 2.1s
- großflächige Ausnehmung im Querspant
- 2.2
- Längsstreben
- 2.3
- Tragarm 2 Mittel zur formschlüssigen Verbindung
- 3
- Außenhaut
- 4
- Form für die Außenhaut
- 4.1
- Obere Schale der Form
- 4.2
- Untere Schale der Form
- 5
- Ausschnitt mit dargestellter Außenhaut (Detail)
- a
- Abstand der Querspanten zueinander
- n
- Anzahl der Querspanten
- L
- Länge des Flügels (in x-Richtung)
- B
- Breite des Flügels (in y-Richtung)
- H
- Höhe des Flügels (in z-Richtung)
- d
- Abstand zwischen Stützgerüst und Form
- D
- Dicke der Außenhaut
- x-Richtung
- Längsrichtung des Flügels von der Wurzel zur Spitze
- y-Richtung
- Querrichtung des Flügels von der Vorderkante zur Hinterkante
- z-Richtung
- Höhe des Flügels von der Sogseite zur Druckseite
