DE102015106563A1 - Verfahren zum Verbinden von faserverstärkten Strukturbauteilen - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von faserverstärkten Strukturbauteilen. In einem Schritt (S1) des Verfahrens erfolgt ein Bereitstellen eines ersten faserverstärkten Strukturbauteils (31) und eines zweiten faserverstärkten Strukturbauteils (32). In einem weiteren Schritt (S2) erfolgt ein Erwärmen des ersten faserverstärkten Strukturbauteils (31) und des zweiten faserverstärkten Strukturbauteils (32) durch eine Heizvorrichtung (40). In einem weiteren Schritt (S3) erfolgt ein Herstellen einer Durchdringung (71) durch das erste faserverstärkte Strukturbauteil (31) und das zweite faserverstärkte Strukturbauteil (32) mittels einer Befestigungsvorrichtung (2). In einem weiteren Schritt (S4) erfolgt ein Verbinden des ersten faserverstärkten Strukturbauteils (31) mit dem zweiten faserverstärkten Strukturbauteil (32) durch die Befestigungsvorrichtung (2). Die Erfindung betrifft ferner ein Luftfahrzeugstrukturelement.

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft die Montage von Strukturbauteilen. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Verbinden von faserverstärkten Strukturbauteilen und ein Luftfahrzeugstrukturelement.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Strukturbauteile, insbesondere faserverstärkte Strukturbauteile, gewinnen heutzutage immer mehr an Bedeutung hinsichtlich Gewichtseinsparungen, welche vor allem im Fahrzeug- sowie im Luftfahrzeugbau von großer Bedeutung sind. Zur Montage solcher Strukturbauteile kommen zum Beispiel Schrauben-, Niet-, Löt-, Schweiß- oder Steckverbindungen in Betracht. Dabei kann es erforderlich sein, dass insbesondere bei Schrauben- oder Nietverbindungen Bohrungen in den Strukturbauteilen vorgesehen werden, welche der Aufnahme der Schrauben bzw. Niete dienen. Oftmals werden solche Bohrungen durch entsprechende Werkzeuge, beispielsweise Bohrwerkzeuge, hergestellt, so dass die Strukturbauteile anschließend beispielsweise mittels Schrauben verbunden werden können.
  • DE 10 2007 062 087 B4 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen einer überlappenden Hybridverbindung von zwei oder mehreren Bauteilen. Dabei weisen die zu verbindenden Bauteile jeweils eine Bohrung auf, die dazu ausgeführt ist, um einen Nietkopf vollständig aufzunehmen.
  • FR 2 933 378 A1 beschreibt ein Verfahren zur Fixierung einer Antenne auf einer Außenhaut eines Luftfahrzeugs. Dabei wird die Außenhaut durchbohrt, um Fixierbohrungen zur Aufnahme von Schraubbolzen bereitzustellen. Die Außenhaut ist aus einem Kompositmaterial und die Schraubbolzen sind aus einem metallischen Material gefertigt.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Es ist eine Aufgabe der Erfindung, die Montage von faserverstärkten Strukturbauteilen zu verbessern.
  • Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Beispielhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Verbinden von faserverstärkten Strukturbauteilen angegeben. In einem Schritt des Verfahrens erfolgt ein Bereitstellen eines ersten faserverstärkten Strukturbauteils und eines zweiten faserverstärkten Strukturbauteils. In einem weiteren Schritt des Verfahrens erfolgt ein Erwärmen des ersten faserverstärkten Strukturbauteils und des zweiten faserverstärkten Strukturbauteils durch eine Heizvorrichtung. Ferner erfolgt in einem weiteren Schritt ein Herstellen einer Durchdringung durch das erste faserverstärkte Strukturbauteil und durch das zweite faserverstärkte Strukturbauteil mittels einer Befestigungsvorrichtung. Die Durchdringung kann dabei in Form einer Bohrung durch die jeweiligen Strukturbauteile ausgeführt sein. In einem weiteren Schritt des Verfahrens erfolgt ein Verbinden des ersten faserverstärkten Strukturbauteils mit dem zweiten faserverstärkten Strukturbauteil durch die Befestigungsvorrichtung. Ein weiterer, beispielsweise vorgelagerter Schritt des Verfahrens kann ein Vorbohren des ersten faserverstärkten Strukturbauteils und des zweiten faserverstärkten Strukturbauteils umfassen. Diese Vorbohrungen können einseitig, in zumindest eines der faserverstärkten Strukturbauteile, eingebrachte Löcher sein.
  • Durch ein solches Verfahren ist es möglich, die Veränderung von Materialeigenschaften der faserverstärkten Strukturbauteile im Bereich der Durchdringung positiv zu beeinflussen. Insbesondere kann durch die Erwärmung der faserverstärkten Strukturbauteile eine Aufweichung der Matrix, in welche die Fasern des faserverstärkten Strukturbauteils eingelegt bzw. eingebettet sind, derart erfolgen, dass die Fasern während des Durchdringens des faserverstärkten Strukturbauteils durch die Befestigungsvorrichtung verschoben bzw. an die Form der Durchdringung angepasst werden können. Das bedeutet, dass die Fasern, welche in dem faserverstärkten Strukturbauteil beispielsweise parallel verlaufen, im Bereich der Durchdringung eine Richtungsänderung erfahren können, so dass die Fasern im Bereich der Durchdringung zumindest teilweise um die Durchdringung herum verlaufen. Mit anderen Worten werden die Fasern im Bereich der Durchdringung während des Herstellens der Durchdringung mittels der Befestigungsvorrichtung auseinandergeschoben. Dadurch kann erreicht werden, dass, anders als beispielsweise bei einem Bohrprozess ohne Erwärmung der faserverstärkten Strukturbauteile, die Fasern nicht oder nur in geringerem Ausmaß beschädigt bzw. durchtrennt werden.
  • Das erste faserverstärkte Strukturbauteil und/oder das zweite faserverstärkte Strukturbauteil weisen beispielsweise eine thermoplastische Matrix auf, in welche die Fasern eingebettet sind. Die Fasern sind beispielsweise Kunststofffasern, Fasern aus einem metallischen Material oder Fasern aus einer Keramik. Insbesondere sind die Fasern der faserverstärkten Strukturbauteile jedoch Kohlenstofffasern. Das erste und/oder das zweite faserverstärkte Strukturbauteil können somit jeweils aus einem kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff gefertigt sein.
  • Das Erwärmen des ersten und des zweiten faserverstärkten Strukturbauteils erfolgt beispielsweise durch eine externe Heizvorrichtung, welche in der Umgebung der beiden faserverstärkten Strukturbauteile während des Fertigungsprozesses angeordnet ist. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Erwärmung lediglich eines faserverstärkten Strukturbauteils mittels Wärmestrahlung über die Heizvorrichtung erfolgt, wobei das zweite faserverstärkte Strukturbauteil mittels Wärmeleitung durch das erste faserverstärkten Strukturbauteil ebenfalls erwärmt wird. Jedoch kann auch vorgesehen sein, dass sowohl das erste faserverstärkte Strukturbauteil als auch das zweite faserverstärkte Strukturbauteil durch zwei separate Heizvorrichtungen mittels Wärmestrahlung oder Wärmeleitung erwärmt werden. Vorzugsweise wird lediglich ein Bereich um die herzustellende Durchdringung durch beide faserverstärkte Strukturbauteile erwärmt. Dieser Bereich kann beispielsweise eine Ausdehnung von wenigen Millimetern bis mehreren Zentimetern haben. Die Größe des zu erwärmenden Bereichs hängt dabei beispielsweise von dem Durchmesser der Durchdringung bzw. der Größe der Befestigungsvorrichtung ab. Insbesondere wird die Befestigungsvorrichtung letztendlich zur Verbindung beider Strukturbauteile verwendet. Dabei verbleibt die Befestigungsvorrichtung nach dem Durchdringen durch das erste faserverstärkte Strukturbauteil und das zweite faserverstärkte Strukturbauteil in der Durchdringung.
  • Das Herstellen der Durchdringung kann beispielsweise durch eine reine Translationsbewegung oder durch eine Bohrbewegung, das heißt eine kombinierte Rotations- und Translationsbewegung erfolgen. Bei einer reinen Translationsbewegung handelt es sich beispielsweise um ein Verdrängungs- bzw. Eindringprozess der Befestigungsvorrichtung, bei welcher lediglich das Material im Bereich der Durchdringung durch das erste faserverstärkte Strukturbauteil und das zweite faserverstärkte Strukturbauteil verdrängt bzw. herausgedrückt wird. Ein solches Verdrängen des Materials wird insbesondere dadurch begünstigt, dass das Material der faserverstärkten Strukturbauteile im Bereich der Durchdringung erwärmt wird.
  • Die Befestigungsvorrichtung selbst kann beispielsweise in Form einer Schraube, eines Niets, eines Bolzens oder eines Stiftes ausgeführt sein. Die Befestigungsvorrichtung kann eine spitz zulaufende Form aufweisen, um eine Verdrängung während des Durchdringens beider faserverstärkter Strukturbauteile zu begünstigen.
  • Nach dem Durchdringen beider faserverstärkter Strukturbauteile durch die Befestigungsvorrichtung erfolgt ein Verbinden beider faserverstärkter Strukturbauteile durch die Befestigungsvorrichtung selbst. Dabei kann die Verbindung stoffschlüssig oder kraft- bzw. formschlüssig erfolgen. Das bedeutet, dass sowohl ein Verschmelzen von Teilen der Befestigungsvorrichtung mit Teilen des ersten faserverstärkten Strukturbauteils und/oder des zweiten faserverstärkten Strukturbauteils möglich ist, als auch eine rein mechanische bzw. kraftschlüssige Verbindung beider Strukturbauteile, wie beispielsweise eine Schraube-Mutter-Verbindung. Ob eine stoffschlüssige oder eine kraftschlüssige Verbindung beider Strukturbauteile entstehen soll, kann in einem weiteren Schritt durch Einstellen einer vordefinierten Temperatur für die Erwärmung des ersten faserverstärkten Strukturbauteils und des zweiten faserverstärkten Strukturbauteils vorgenommen werden. Insbesondere kann beim Herstellen einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen beiden Strukturbauteilen bzw. zwischen den Strukturbauteilen und der Befestigungsvorrichtung im Bereich der Durchdringung eine höhere Temperatur für die Erwärmung vorgesehen werden als für den Fall, dass lediglich eine kraftschlüssige Verbindung zwischen beiden Strukturbauteilen bzw. zwischen der Befestigungsvorrichtung und beiden Strukturbauteilen entstehen soll.
  • Die faserverstärkten Strukturbauteile können beispielsweise in einem weiteren Schritt in einem Fahrzeug, insbesondere in einem Luftfahrzeug, montiert werden. Die faserverstärkten Strukturbauteile bilden somit beispielsweise Primärstrukturbauteile eines Luftfahrzeugs, wie beispielsweise Spanten, Stringer oder eine Außenhaut des Luftfahrzeugs. Ferner können die faserverstärkten Strukturbauteile jedoch auch Sekundärstrukturbauteile wie beispielsweise Kabinenverkleidungsteile, Halterungen oder sonstige Rahmenstrukturen innerhalb des Luftfahrzeugs sein. Das erste und/oder das zweite Strukturbauteil können beispielsweise Sekundärstrukturbauteile, aber auch Primärstrukturbauteile eines Fahrzeugs sein. Insbesondere sind die Strukturbauteile Primär- oder Sekundärstrukturbauteile eines Luftfahrzeugs. Sekundärstrukturbauteile sind beispielsweise Halterungen, Systemanschlüsse, Systemträger, Hilfsrahmen, Querträger oder Verkleidungsteile einer Kabine des Luftfahrzeugs. Primärstrukturbauteile sind beispielsweise Rahmenstrukturen, Versteifungselemente, insbesondere Spanten oder Stringer, oder aber Hautstrukturen, wie beispielsweise die Außenhaut des Luftfahrzeugs.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung erfolgt das Erwärmen des ersten faserverstärkten Strukturbauteils und des zweiten faserverstärkten Strukturbauteils durch die Heizvorrichtung zeitlich vor und/oder während des Herstellens der Durchdringung durch das erste faserverstärkte Strukturbauteil und das zweite faserverstärkte Strukturbauteil.
  • Dadurch kann gewährleistet werden, dass der Bereich der herzustellenden Durchdringung während des Durchdringens bereits eine bestimmte Temperatur aufweist bzw. auf eine vordefinierte Temperatur erwärmt ist. Diese Erwärmung ermöglicht es, dass die Materialeigenschaften während der Durchdringung durch die Befestigungsvorrichtung positiv beeinflusst werden. Insbesondere kann durch eine solche Erwärmung ein Aufweichen der thermoplastischen Matrix der faserverstärkten Strukturbauteile erreicht werden, so dass die in der thermoplastischen Matrix eingebetteten Fasern flexibler sind bzw. entsprechend der in die beiden Strukturbauteile eindringenden Befestigungsvorrichtung leichter verschoben oder verformt werden können. Es können somit also duktilere Materialeigenschaften durch die Erwärmung bereitgestellt werden, um ein Beschädigen bzw. Durchtrennen der Fasern im Bereich der Durchdringung zumindest teilweise zu verhindern. In einem weiteren Schritt kann ein aktives Abkühlen des Bereichs der Durchdringung durch das erste faserverstärkte Strukturbauteil und das zweite faserverstärkte Strukturbauteil vorgesehen sein. Somit kann das durch Erwärmung erweichte Material im Bereich der Durchdringung wieder aushärten und somit die Fasern, welche vorzugsweise nach dem Durchdringen um die Durchdringung herum verlaufen, in dieser Position fixieren.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erfolgt in einem weiteren Schritt ein Erwärmen der Befestigungsvorrichtung durch die Heizvorrichtung zeitlich vor und/oder während des Herstellens der Durchdringung durch das erste faserverstärkte Strukturbauteil und das zweite faserverstärkte Strukturbauteil.
  • Dabei kann also gezielt die Befestigungsvorrichtung durch eine separate oder durch dieselbe Heizvorrichtung, welche zur Erwärmung der beiden Strukturbauteile verwendet wird, erwärmt werden. Die Erwärmung der Befestigungsvorrichtung erfolgt beispielsweise durch Wärmeleitung und/oder durch Wärmestrahlung. Vorzugsweise erfolgt die Erwärmung der Befestigungsvorrichtung durch Wärmestrahlung einer externen Heizvorrichtung.
  • Es kann also eine Heizvorrichtung vorgesehen sein, welche sowohl die Befestigungsvorrichtung als auch die beiden faserverstärkten Strukturbauteile mittels Wärmestrahlung erwärmt. Das Erwärmen der Befestigungsvorrichtung begünstigt ferner ein mögliches Verschmelzen des Materials der Befestigungsvorrichtung mit dem Material des ersten und/oder des zweiten faserverstärkten Strukturbauteils, so dass letztendlich eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den beiden faserverstärkten Strukturbauteilen bzw. zwischen den beiden faserverstärkten Strukturbauteilen und der Befestigungsvorrichtung hergestellt werden kann.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erfolgt das Erwärmen des ersten faserverstärkten Strukturbauteils und des zweiten faserverstärkten Strukturbauteils unter Verwendung eines Laserstrahls.
  • Durch einen Laserstrahl wird das gezielte Einbringen von Wärmeenergie in das erste faserverstärkte Strukturbauteil und/oder in das zweite faserverstärkte Strukturbauteil und/oder in die Befestigungsvorrichtung ermöglicht. Insbesondere kann dadurch ein vordefinierter Bereich in dem jeweiligen faserverstärkten Strukturbauteil gezielt erwärmt werden.
  • Es ist jedoch auch möglich, dass andere Verfahren zur Erwärmung der beiden faserverstärkten Strukturbauteile und/oder der Befestigungsvorrichtung verwendet werden können. Dabei kommen auch Heizelemente infrage, welche vor dem Durchdringen der beiden faserverstärkten Strukturbauteile mittels der Befestigungsvorrichtung auf der Oberfläche der faserverstärkten Strukturbauteile vorgesehen sind und somit durch Wärmeleitung diese im Bereich der herzustellenden Durchdringung erwärmen. Ferner kann ein Heizelement innerhalb oder an der Befestigungsvorrichtung vorgesehen werden, so dass die Befestigungsvorrichtung separat erwärmt werden kann. Dabei ist es auch möglich, dass ein Werkzeug, welches die Befestigungsvorrichtung bewegt, das heißt die Befestigungsvorrichtung durch die beiden faserverstärkten Strukturbauteile hindurchdrückt oder hindurchdreht, um die Durchdringung herzustellen, ebenfalls eine Heizvorrichtung bzw. ein Heizelement aufweist, um die Befestigungsvorrichtung durch Wärmeleitung zu erwärmen.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Befestigungsvorrichtung eine Verbindungskomponente und eine an der Verbindungskomponente abtrennbare Bohrkomponente auf. Dabei sind die Verbindungskomponente und die Bohrkomponente entlang einer Längsachse der Befestigungsvorrichtung hintereinander angeordnet.
  • Die Längsachse der Befestigungsvorrichtung kann während des Herstellens der Durchdringung durch das erste faserverstärkte Strukturbauteil und das zweite faserverstärkte Strukturbauteil parallel zu einer Längsachse der herzustellenden Durchdringung ausgerichtet sein. Die Verbindungskomponente kann mit der Bohrkomponente beispielsweise durch eine mechanische Verbindung oder aber auch durch eine stoffschlüssige Verbindung verbunden sein. Insbesondere sind als mechanische Verbindungen Steckverbindungen, Schraubverbindungen oder Pressverbindungen möglich. Für den Fall, dass eine stoffschlüssige Verbindung zwischen der Verbindungskomponente und der Bohrkomponente vorgesehen ist, kann eine Sollbruchstelle zwischen beiden Komponenten angeordnet sein, so dass nach dem Herstellen der Durchdringung die Bohrkomponente von der Verbindungskomponente gelöst werden kann. Eine solche abtrennbare Bohrkomponente bietet den Vorteil, dass die Verbindungskomponente, welche letztendlich in der Durchdringung verbleibt und somit die beiden faserverstärkten Strukturbauteile verbindet, ein anderes Material aufweisen kann als die Bohrkomponente, welche nach dem Herstellen der Durchdringung durch die beiden faserverstärkten Strukturbauteile abgetrennt wird. Beispielsweise kann die Bohrkomponente ein für die Herstellung der Durchdringung geeignetes Material aufweisen, wobei die Verbindungskomponente ein für die stoffschlüssige oder kraftschlüssige Verbindung der beiden faserverstärkten Strukturbauteile geeignetes Material aufweist.
  • Die Bohrkomponente kann bezüglich der Längsachse eine bestimmte Exzentrizität aufweisen. Insbesondere kann eine Längsachse der Verbindungskomponente einen bestimmten Abstand zu einer Längsachse der Bohrkomponente aufweisen.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Befestigungsvorrichtung dazu ausgeführt ist, beim Herstellen der Durchdringung zusätzliche Reibungswärme bereitzustellen, um das erste faserverstärkte Strukturbauteil und das zweite faserverstärkte Strukturbauteil zu erwärmen.
  • Die Verbindungskomponente oder die Bohrkomponente kann dabei eine Oberfläche aufweisen, die dazu geeignet ist, einen erhöhten Wärmeeintrag durch Reibungswärme bereitzustellen, welche aufgrund von Reibung zwischen der Oberfläche der Verbindungskomponente oder der Bohrkomponente und der Matrix der faserverstärkten Strukturbauteile entsteht. Somit kann zusätzlich Wärmeenergie im Bereich der Durchdringung freigesetzt werden. Die Verbindungskomponente kann dazu beispielweise eine raue bzw. aufgeraute Oberfläche aufweisen.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Verbindungskomponente und die Bohrkomponente aus unterschiedlichen Materialien gefertigt.
  • Beispielsweise ist die Bohrkomponente aus einem metallischen Werkstoff gefertigt und die Verbindungskomponente ist aus einem Kunststoff oder einem faserverstärkten Kunststoff gefertigt. Insbesondere kann für die Bohrkomponente ein verschleißfestes Material verwendet werden, um ein effektives Durchbohren beider Strukturbauteile zu ermöglichen. Beispielsweise kann die Bohrkomponente aus einer verschleißfesten metallischen Legierung oder aus einem speziellen Stahl gefertigt sein. Nach dem Durchbohren kann die nicht mehr benötigte Bohrkomponente von der Verbindungskomponente getrennt werden, so dass letztlich die Verbindungskomponente in der Durchgangsbohrung durch das erste Strukturbauteil und das zweite Strukturbauteil verbleibt, um somit das erste Strukturbauteil mit dem zweiten Strukturbauteil kraftschlüssig zu verbinden.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erfolgt in einem weiteren Schritt des Verfahrens ein Bereitstellen eines Außengewindes an der Verbindungskomponente, welches Außengewinde dazu ausgeführt ist, durch Zusammenwirken mit einem Sicherungselement das erste faserverstärkte Strukturbauteil mit dem zweiten faserverstärkten Strukturbauteil kraftschlüssig zu verbinden. Das Sicherungselement ist beispielsweise eine Gewindemutter.
  • Insbesondere kann nach dem Herstellen der Durchdringung die Befestigungsvorrichtung in der Durchdringung derart vorgesehen bzw. angeordnet sein, so dass das Außengewinde der Befestigungsvorrichtung bzw. der Verbindungskomponente aus dem zweiten faserverstärkten Strukturbauteil und damit aus der Durchdringung herausragt, um somit das Sicherungselement anbringen bzw. die Gewindemutter gegenschrauben zu können. Somit kann eine kraftschlüssige Verbindung beider faserverstärkter Strukturbauteile mittels einer Schraube-Mutter-Verbindung hergestellt werden. Es ist jedoch auch möglich, dass die beiden Strukturbauteile durch Einpressen, Einklemmen oder Einquetschen der Verbindungskomponente in die Durchgangsbohrung miteinander verbunden werden. Beispielsweise kann die Verbindungskomponente auch in Form eines Bolzens mit einer Riffelung und ohne Gewinde ausgeführt sein, wobei diese bolzenförmige Verbindungskomponente in der Durchgangsbohrung vorgesehen und durch einen aufgequetschten Sicherungsring gehalten wird, um somit die kraftschlüssige oder formschlüssige Verbindung der beiden Strukturbauteile herzustellen. Somit muss nicht notwendigerweise eine Mutter im Bereich des zweiten Endes der Verbindungskomponente gegengeschraubt werden, um die kraftschlüssige oder formschlüssige Verbindung beider Strukturbauteile herzustellen.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind das erste faserverstärkte Strukturbauteil und/oder das zweite faserverstärkte Strukturbauteil aus einem kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff gefertigt.
  • Ein solcher kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff bietet insbesondere gute mechanische Eigenschaften bei gleichzeitig geringem Gewicht, was beispielsweise für eine spätere Anwendung der beiden faserverstärkten Strukturbauteile in Fahrzeugen bzw. Luftfahrzeugen von Vorteil ist. Somit kann in einem weiteren Schritt des Verfahrens ein Montieren des mit dem zweiten faserverstärkten Strukturbauteil verbundenen ersten faserverstärkten Strukturbauteils in einem Luftfahrzeug erfolgen. Die Kohlenstofffasern des kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffs sind beispielsweise in einer thermoplastischen Matrix eingebettet. Die Fasern verlaufen innerhalb der thermoplastischen Matrix im Wesentlichen parallel zueinander, wobei im Bereich der hergestellten Durchdringung eine Abweichung von dem parallelen Verlauf der Kohlenstofffasern auftreten kann. Der Verlauf der Kohlenstofffasern innerhalb der thermoplastischen Matrix wird anhand der Figurenbeschreibung noch genauer erläutert werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Befestigungsvorrichtung zumindest teilweise aus einem kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff gefertigt.
  • Dabei kann ebenfalls eine thermoplastische Matrix vorgesehen sein, welche durch die Erwärmung des ersten faserverstärkten Strukturbauteils und des zweiten faserverstärkten Strukturbauteils und/oder der Befestigungsvorrichtung selbst erwärmt wird, so dass nach dem Herstellen der Durchdringung eine stoffschlüssige Verbindung zwischen der Befestigungsvorrichtung, insbesondere zwischen der thermoplastischen Matrix der Befestigungsvorrichtung und der thermoplastischen Matrix der beiden faserverstärkten Strukturbauteile hergestellt werden kann.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erfolgt in einem weiteren Schritt ein Vorsehen einer ersten Auflagescheibe auf einer Oberfläche des ersten faserverstärkten Strukturbauteils im Bereich der Durchdringung, wobei die erste Auflagescheibe dazu ausgeführt ist, eine geometrische Verformung der Oberfläche des ersten faserverstärkten Strukturbauteils während des Herstellens der Durchdringung durch das erste faserverstärkte Strukturbauteil zu verhindern.
  • Durch die Erwärmung beider faserverstärkter Strukturbauteile und dem Herstellen der Durchdringung mittels der Befestigungsvorrichtung kann eine Verformung an der Oberfläche der faserverstärkten Strukturbauteile auftreten, welche durch Vorsehen der Auflagescheibe zumindest teilweise verhindert werden kann. Insbesondere wird während des Durchdringens der beiden faserverstärkten Strukturbauteile Material derart verschoben bzw. verformt, dass Materialanhäufungen an der Oberfläche im Bereich der Durchdringung auftreten können. Die Auflagescheibe kann beispielsweise die Form einer Kreisscheibe aufweisen, welche mittig eine Bohrung bzw. Öffnung aufweist, durch welche die Befestigungsvorrichtung hindurchgeschoben werden kann. Die Auflagescheibe kann beispielsweise vor dem Herstellen der Durchdringung auf der Oberfläche des ersten faserverstärkten Strukturbauteils vorgesehen werden. Es ist jedoch auch möglich, dass die Auflagescheibe keine Bohrung bzw. Öffnung aufweist und diese durch die Befestigungsvorrichtung erst durchbohrt werden muss, bevor die Durchdringung durch das erste faserverstärkte Strukturbauteil und das zweite faserverstärkte Strukturbauteil hergestellt wird. Vorzugsweise weist die kreisförmige Auflagescheibe jedoch eine Öffnung bzw. Bohrung in mittiger Anordnung auf. Weiterhin kann die Auflagescheibe segmentiert sein, wodurch es ermöglicht wird, die Auflagescheibe nach der Bohrung zu entfernen. Dadurch wird zum Beispiel die durch die Auflagescheibe gebildete Oberfläche auf dem Strukturbauteil als Auflagefläche der Kopfkomponente genutzt.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erfolgt ein Vorsehen einer zweiten Auflagescheibe auf einer Oberfläche des zweiten faserverstärkten Strukturbauteils im Bereich der Durchdringung, wobei die zweite Auflagescheibe dazu ausgeführt ist, eine geometrische Verformung der Oberfläche des zweiten faserverstärkten Strukturbauteils während des Herstellens der Durchdringung durch das zweite faserverstärkte Strukturbauteil zu verhindern.
  • Somit kann sowohl auf der Oberfläche des ersten faserverstärkten Strukturbauteils als auch auf der Oberfläche des zweiten faserverstärkten Strukturbauteils gleichzeitig jeweils eine Auflagescheibe vorgesehen sein, welche eine Verformung auf der jeweiligen Oberfläche durch das Herstellen der Durchdringung verhindert. Es kann vorgesehen sein, dass zumindest eine der beiden Auflagescheiben nach dem Verbinden des ersten faserverstärkten Strukturbauteils mit dem zweiten faserverstärkten Strukturbauteil durch die Befestigungsvorrichtung an bzw. auf der Oberfläche des jeweiligen faserverstärkten Strukturbauteils verbleibt. Beispielsweise kann die Verbindungskomponente der Befestigungsvorrichtung eine Kopfkomponente in Form eines Schraubenkopfes aufweisen, welcher die erste Auflagescheibe an der Oberfläche des ersten faserverstärkten Strukturbauteils im Bereich der Durchdringung auch noch nach dem Verbinden beider Strukturbauteile fixiert. Ebenso kann vorgesehen sein, dass durch Aufschrauben einer Gewindemutter auf das Außengewinde der Verbindungskomponente auch die zweite Auflagescheibe an der Oberfläche des zweiten faserverstärkten Strukturbauteils nach dem Herstellen der Durchdringung fixiert wird.
  • Vorzugsweise weist die zweite kreisförmige Auflagescheibe eine Öffnung bzw. Bohrung in mittiger Anordnung auf. Weiterhin kann die zweite Auflagescheibe segmentiert sein, wodurch es ermöglicht wird, die Auflagescheibe nach der Bohrung zu entfernen. Dadurch wird zum Beispiel die durch die zweite Auflagescheibe gebildete Oberfläche auf dem Strukturbauteil als Auflagefläche der Kopfkomponente oder des Sicherungselements, wie beispielsweise einer Gewindemutter, genutzt.
  • Schließlich kann durch das Vorsehen der Auflagescheiben eine bestimmte Oberflächenqualität der beiden Strukturbauteile eingehalten werden. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, die Auflagescheiben nicht auf die Oberflächen aufzubringen, um somit eine gewollte Verformung bzw. Ausstülpung des Materials an der Oberfläche bereitzustellen. Eine Materialanhäufung an der Oberfläche kann je nach Anwendungsfall insbesondere auch vorteilhafte mechanische Eigenschaften mit sich bringen. Durch die Materialflexibilität, welche auf der Verwendung einer thermoplastischen Matrix beruht, kann die Befestigungsvorrichtung auch mit einem schrägen Versatz in der Durchdringung angeordnet werden. Mit anderen Worten können die Längsachse der Befestigungsvorrichtung und die Längsachse der Durchdringung einen Winkel einschließen.
  • Die Auflagescheiben können ebenfalls Heizelemente aufweisen, die dazu ausgeführt sind, bestimmte Berieche des ersten und des zweiten faserverstärkten Strukturbauteils zu erwärmen.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erfolgt das Herstellen der Durchdringung durch das erste faserverstärkte Strukturbauteil und durch das zweite faserverstärkte Strukturbauteil mittels der Befestigungsvorrichtung durch eine reine Translationsbewegung der Befestigungsvorrichtung.
  • Dabei kann ein Werkzeug entlang der Längsachse der Befestigungsvorrichtung bzw. der herzustellenden Durchdringung derart bewegt werden, dass die Befestigungsvorrichtung durch beide faserverstärkten Strukturbauteile hindurchgedrückt bzw. hindurchgeschoben wird. Dabei wird das Material durch einen Verdrängungsprozess verschoben, so dass letztendlich die Durchdringung mit der darin angeordneten Befestigungsvorrichtung entsteht. Die Befestigungsvorrichtung kann beispielsweise eine sich verjüngende Form in Richtung der Translationsbewegung aufweisen. Das bedeutet, dass die Befestigungsvorrichtung spitz zulaufend in Richtung der Translationsbewegung ausgeführt sein kann, so dass der Eindringprozess bzw. das Herstellen der Durchdringung durch die beiden faserverstärkten Strukturbauteile begünstigt wird.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erfolgt das Herstellen der Durchdringung durch das erste faserverstärkte Strukturbauteil und durch das zweite faserverstärkte Strukturbauteil mittels der Befestigungsvorrichtung durch Kombination einer Translationsbewegung und einer Rotationsbewegung der Befestigungsvorrichtung.
  • Dabei kann beispielsweise die Befestigungsvorrichtung durch eine Drehbewegung bzw. eine Bohrbewegung in die beiden faserverstärkten Strukturbauteile, ähnlich wie bei einem Bohrwerkzeug, eingetrieben werden. Mit anderen Worten wird die Befestigungsvorrichtung in die beiden faserverstärkten Strukturbauteile eingebohrt. Das Herstellen der Durchdringung kann damit beispielsweise auch auf einem Schneidprozess basieren. Jedenfalls ist das Material der beiden faserverstärkten Strukturbauteile im Bereich der herzustellenden Durchdringung erwärmt und damit erweicht, so dass eine positive Beeinflussung der Materialeigenschaften im Bereich der Durchdringung für den Herstellprozess bereitgestellt werden kann.
  • Es kann ebenfalls vorgesehen sein, dass das Herstellen der Durchdringung durch das erste faserverstärkte Strukturbauteil und das zweite faserverstärkte Strukturbauteil mittels der Befestigungsvorrichtung durch eine Vibrationsbewegung oder durch eine Rüttelbewegung erfolgt. Beispielsweise wird die Befestigungsvorrichtung in eine Vibration versetzt und dadurch durch Bewegung in Richtung der Längsachse der Befestigungsvorrichtung in die beiden faserverstärkten Strukturbauteile eingebracht. Ferner kann eine Rotationsbewegung der Befestigungsvorrichtung während des Herstellens der Durchdringung derart erfolgen, dass die Rotation abwechselnd in zwei verschiedene Richtungen um die Längsachse der Befestigungsvorrichtung erfolgt. Beispielsweise wird eine Rotationsbewegung der Befestigungsvorrichtung um 180° in eine erste Richtung und anschließend um 180° in eine zweite Richtung ausgeführt, so dass die Rotationsbewegung in Form einer Hin- und Herbewegung oder Rüttelbewegung durchgeführt wird. Insofern kann sich das Herstellen der Durchdringung von einem reinen Bohrvorgang durch die beiden faserverstärkten Strukturbauteile unterscheiden.
  • Generell kann durch das erfindungsgemäße Verfahren eine Reduktion der Anzahl der Bearbeitungsschritte beim Verbinden von Strukturbauteilen erreicht werden, da die Bohrung und die Befestigung nicht mehr in zwei separaten Schritten durchgeführt werden muss, sondern durch die Befestigungsvorrichtung, welche sowohl die Bohrkomponente als auch die Verbindungskomponente aufweist, ein Durchbohren und ein unmittelbar sich anschließendes Verbinden der beiden Strukturbauteile in einem gemeinsamen Schritt durchgeführt werden kann. Dies führt zu einer Verkürzung der Montagezeit solcher Strukturbauteile sowie zu einer Reduzierung sog. non-recurring costs für die verwendeten Werkzeuge und Bauteile und einer Reduzierung sog. recurring costs des Herstellungsprozesses. Insbesondere kann die Bohrkomponente wiederverwendbar ausgeführt sein. Zudem kann die Prozessqualität verbessert und der Aufwand für die Qualitätskontrolle des Bohrvorgangs reduziert werden.
  • Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann ebenfalls eine lastoptimierte Verbindung zwischen den Strukturbauteilen bereitgestellt werden. Insbesondere kann im Bereich der Durchdringung, in welchem das Matrixmaterial der faserverstärkten Strukturbauteile mit dem Material der Befestigungsvorrichtung verschmolzen sein kann, eine vorteilhafte Lastverteilung bzw. Lasteinleitung erreicht werden. Dadurch kann auch die Anzahl der vorzusehenden Befestigungsvorrichtungen insgesamt reduziert werden.
  • Durch die erfindungsgemäße Befestigungsvorrichtung werden letztendlich zwei Prozessschritte in einem Prozessschritt vereint, nämlich zum einen das Durchbohren beider Strukturbauteile und zum anderen das kraftschlüssige Verbinden beider Strukturbauteile.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist ein Luftfahrzeugstrukturelement mit einem ersten faserverstärkten Strukturbauteil und einem zweiten faserverstärkten Strukturbauteil angegeben. Das Luftfahrzeugstrukturelement weist ferner eine Befestigungsvorrichtung auf, die dazu ausgeführt ist, das erste faserverstärkte Strukturbauteil und das zweite faserverstärkte Strukturbauteil zu durchdringen und anschließend miteinander zu verbinden. Die Befestigungsvorrichtung ist unter einer Erwärmung des ersten faserverstärkten Strukturbauteils und des zweiten faserverstärkten Strukturbauteils in das erste faserverstärkte Strukturbauteil und das zweite faserverstärkte Strukturbauteil eingeführt ist, um das erste faserverstärkte Strukturbauteil und das zweite faserverstärkte Strukturbauteil zu durchdringen und bei der Durchdringung Fasern der beiden faserverstärkten Strukturbauteile zu verdrängen. Die Befestigungsvorrichtung ist ferner unter der Erwärmung des ersten faserverstärkten Strukturbauteils und des zweiten faserverstärkten Strukturbauteils in das erste faserverstärkte Strukturbauteil und das zweite faserverstärkte Strukturbauteil eingeführt, um somit eine stoffschlüssige Verbindung zwischen der Befestigungsvorrichtung und dem ersten faserverstärkten Strukturbauteil und/oder dem zweiten faserverstärkten Strukturbauteil bereitzustellen.
  • Die stoffschlüssige Verbindung kann beispielsweise auch zwischen der Befestigungsvorrichtung und zumindest einem der beiden faserverstärkten Strukturbauteile vorgesehen sein. Die stoffschlüssige Verbindung kann beispielsweise durch Verschmelzen bzw. Aufweichen eines Teils des Materials der Befestigungsvorrichtung mit einem Teil des Materials des ersten faserverstärkten Strukturbauteils und/oder des zweiten faserverstärkten Strukturbauteils hergestellt sein. Das Luftfahrzeugstrukturelement kann beispielsweise in einem Luftfahrzeug, insbesondere in einem Flugzeug, angeordnet bzw. montiert sein. Das Luftfahrzeugstrukturelement stellt beispielsweise die Verbindung eines Verkleidungsteils der Flugzeugkabine mit einer Halterung für das Verkleidungsteil der Flugzeugkabine innerhalb des Flugzeugs dar.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Befestigungssystem angegeben. Das Befestigungssystem weist ein Werkzeug auf, welches dazu ausgeführt ist, ein erstes faserverstärktes Strukturbauteil und ein zweites faserverstärktes Strukturbauteil mittels einer Befestigungsvorrichtung zu durchdringen, um somit das erste faserverstärkte Strukturbauteil mit dem zweiten faserverstärkten Strukturbauteil durch die Befestigungsvorrichtung zu verbinden. Ferner weist das Befestigungssystem eine Heizvorrichtung auf, welche dazu ausgeführt ist, das erste faserverstärkte Strukturbauteil und das zweite faserverstärkte Strukturbauteil im Bereich der Durchdringung zu erwärmen.
  • Die Heizvorrichtung kann ferner dazu ausgeführt sein, die Befestigungsvorrichtung zusätzlich zu den beiden faserverstärkten Strukturbauteilen gezielt zu erwärmen. Das Werkzeug kann beispielsweise verfahrbar bzw. positionierbar an dem Befestigungssystem angebracht sein und die Heizvorrichtung kann in ihrer Position bzw. Ausrichtung ebenfalls derart eingestellt werden, dass ein Erwärmen der faserverstärkten Strukturbauteile und/oder der Befestigungsvorrichtung in Abhängigkeit der Position der faserverstärkten Strukturbauteile und/oder der Befestigungsvorrichtung erfolgt. Das Befestigungssystem kann ferner Halterungen aufweisen, welche sowohl das erste faserverstärkte Strukturbauteil als auch das zweite faserverstärkte Strukturbauteil in einer bestimmten Position bzw. Ausrichtung fixieren. Somit kann eine exakte Positionierung der Durchdringung durch beide faserverstärkte Strukturbauteile erreicht werden. Diese Durchdringung dient letztendlich der Aufnahme der Befestigungsvorrichtung, so dass die Befestigungsvorrichtung die beiden faserverstärkten Strukturbauteile kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig miteinander verbindet. Die Heizvorrichtung kann beispielsweise einen Laser aufweisen, welcher dazu ausgeführt ist, Laserstrahlen in Richtung eines Bereichs des ersten faserverstärkten Strukturbauteils und/oder des zweiten faserverstärkten Strukturbauteils zu lenken. Ferner kann eine Heizvorrichtung innerhalb des Werkzeugs vorgesehen sein, wobei eine Wärmeübertragung auf die Befestigungsvorrichtung mittels des Werkzeugs durch Wärmeleitung erfolgt. Eine solche Heizvorrichtung innerhalb des Werkzeugs kann beispielsweise ein elektrisches Heizelement sein.
  • Das Erwärmen der Befestigungsvorrichtung, insbesondere der Bohrkomponente, kann vor dem Durchdringen bzw. Bohren durch die beiden faserverstärkten Strukturbauteile durchgeführt werden. Die Befestigungsvorrichtung kann aber auch noch währen des Herstellens der Durchdringung, beispielsweise durch das Werkzeug, erwärmt werden. Zusätzlich zur externen Erwärmung des Bereichs um die Durchdringung kann auch die durch den Durchdringungsprozess bzw. Bohrprozess entstehende Reibungswärme zur Erwärmung dieses Bereichs beitragen. Ferner können die zu verbindenden Strukturbauteile im Bereich der Durchdringung durch Laserstrahlen einer externen Lasereinheit erwärmt werden.
  • Kurze Beschreibung der Figuren
  • 1 zeigt eine Heizvorrichtung zum Erwärmen zweier faserverstärkter Strukturbauteile und einer Befestigungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • 2 zeigt eine Heizvorrichtung zum Erwärmen zweier faserverstärkter Strukturbauteile und einer Befestigungsvorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • 3 zeigt ein Durchdringen einer Befestigungsvorrichtung durch ein erstes faserverstärktes Strukturbauteil und ein zweites faserverstärktes Strukturbauteil gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • 4 zeigt eine Erwärmung eines ersten faserverstärkten Strukturbauteils und eines zweiten faserverstärkten Strukturbauteils gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • 5 zeigt ein Vorsehen zweier Auflagescheiben zum Verhindern von geometrischen Verformungen an den Oberflächen zweier faserverstärkter Strukturbauteile gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • 6 zeigt ein Vorsehen zweier Auflagescheiben zum Verhindern einer geometrischen Verformung an den Oberflächen zweier faserverstärkter Strukturbauteile gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • 7 zeigt die Entfernung einer Bohrkomponente gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • 8 zeigt die Verbindung zweier Strukturbauteile mittels einer Befestigungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • 9 zeigt eine Schnittansicht durch ein faserverstärktes Strukturbauteil mit einer Durchdringung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • 10 zeigt ein Befestigungssystem zum Verbinden zweier faserverstärkter Strukturbauteile gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • 11 zeigt ein Luftfahrzeug mit einem Luftfahrzeugstrukturelement gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • 12 zeigt ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Verbinden von faserverstärkten Strukturbauteilen gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • Detaillierte Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen
  • Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich.
  • Werden in der folgenden Figurenbeschreibung in verschiedenen Figuren die gleichen Bezugszeichen verwendet, so bezeichnen diese gleiche oder ähnliche Elemente. Gleiche oder ähnliche Elemente können aber auch durch unterschiedliche Bezugszeichen bezeichnet sein.
  • 1 zeigt das Erwärmen einer Befestigungsvorrichtung 2 durch eine Heizvorrichtung 40, wobei die Erwärmung der Befestigungsvorrichtung 2 bereits vor dem Durchdringen eines ersten faserverstärkten Strukturbauteils 31 und eines zweiten faserverstärkten Strukturbauteils 32 stattfindet. Die Heizvorrichtung kann dazu Heizelemente aufweisen und Wärmeenergie 41 an die Befestigungsvorrichtung 2 mittels Wärmeleitung und/oder Wärmestrahlung abgeben. Die Befestigungsvorrichtung 2 weist eine Verbindungskomponente 10 sowie eine Bohrkomponente 20 auf, die entlang einer Längsachse 2a hintereinander angeordnet sind. Die Verbindungskomponente 10 und die Bohrkomponente 20 können aus verschiedenen Materialien gefertigt sein. Insbesondere kann die Bohrkomponente 20 abtrennbar an der Verbindungskomponente 10 befestigt sein. Die Befestigungsvorrichtung 2 weist ferner eine Kopfkomponente 12 in Form eines Schraubenkopfes auf. Zudem weist die Befestigungskomponente 2 ein Außengewinde 11 auf, welches dazu ausgeführt ist, nach dem Durchdringen des ersten faserverstärkten Strukturbauteils 31 und des zweiten faserverstärkten Strukturbauteils 32 im Zusammenspiel mit einer auf das Außengewinde aufgeschraubten Gewindemutter, welche in 1 nicht dargestellt ist, eine kraftschlüssige Verbindung zwischen den beiden faserverstärkten Strukturbauteilen 31, 32 herzustellen. Das erste faserverstärkte Strukturbauteil 31 und/oder das zweite faserverstärkte Strukturbauteil 32 können aus einem kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff gefertigt sein. Insbesondere sind die Fasern der faserverstärkten Strukturbauteile 31, 32 in einer thermoplastischen Matrix eingebettet.
  • Durch die Heizvorrichtung 40 kann, wie in 1 dargestellt, die Befestigungsvorrichtung 2, aber auch das erste faserverstärkte Strukturbauteil 31 sowie das zweite faserverstärkte Strukturbauteil 32 erwärmt werden. Dabei ist es möglich, dass die Heizvorrichtung 40 lediglich einen Ausschnitt bzw. Bereich der faserverstärkten Strukturbauteile 31, 32 erwärmt. Dieser Bereich kann beispielsweise in einer Draufsicht auf eine Oberfläche des ersten oder zweiten faserverstärkten Strukturbauteils 31, 32 betrachtet im Wesentlichen kreisförmig sein. Somit wird lediglich derjenige Teil der thermoplastischen Matrix erweicht, in welchen letztendlich die herzustellende Durchdringung eingebracht werden soll, so dass die Befestigungsvorrichtung 2 in der herzustellenden Durchdringung angeordnet werden kann. Somit können die Fasern der faserverstärkten Strukturbauteile 31, 32 in dem erwärmten Bereich verschoben bzw. an die Form der Durchdringung angepasst werden.
  • 2 zeigt ein weiteres Beispiel für eine Heizvorrichtung 40, welche dazu ausgeführt ist, die Befestigungsvorrichtung 2 vor und/oder während des Durchdringens des ersten faserverstärkten Strukturbauteils 31 und des zweiten faserverstärkten Strukturbauteils 32 zu erwärmen. Die Heizvorrichtung 40 kann beispielsweise zylindrisch ausgeführt sein oder um die Befestigungsvorrichtung 2 herum angeordnet sein. Ferner ist ein Werkzeug 51 dargestellt, welches beispielsweise eine Drehbewegung 50 ausführt, um die Befestigungsvorrichtung 2 in die beiden faserverstärkten Strukturbauteile 31, 32 einzudrehen. Eine solche Drehbewegung 50 kann beispielsweise eine Schraubbewegung sein, wodurch die Bohrkomponente 20 effizient in die beiden faserverstärkten Strukturbauteile 31, 32 eingebracht werden kann. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Befestigungsvorrichtung 2 lediglich durch eine reine Translationsbewegung entlang der Längsachse 2a der Befestigungsvorrichtung 2 in die beiden faserverstärkten Strukturbauteile 31, 32 eingeführt bzw. eingeschoben wird. Dabei wird Material aus dem Bereich der herzustellenden Durchdringung verdrängt. Ebenfalls werden die Fasern der faserverstärkten Strukturbauteile 31, 32 in eine zur Längsachse 2a senkrechte Richtung von dieser weggedrängt. Dies kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass die Bohrkomponente 20 spitz zulaufend ausgeführt ist, wie es in 2 dargestellt ist. Die Heizvorrichtung 40 kann dazu ausgeführt sein, auch das Werkzeug 51 während der Drehbewegung 50 bzw. der Translationsbewegung zu erwärmen, so dass eine Erwärmung der Befestigungsvorrichtung 2 durch Wärmeleitung über das Werkzeug 51 erfolgt. Dabei wird Wärmeenergie 41 von dem Werkzeug 51 an die Befestigungsvorrichtung 2 durch Wärmeleitung abgegeben.
  • 3 zeigt die Befestigungsvorrichtung 2 während des Durchdringens bzw. während des Herstellens der Durchdringung 71 durch das erste faserverstärkte Strukturbauteil 31 und das zweite faserverstärkte Strukturbauteil 32. Insbesondere ist die Durchdringung 71 im Bereich der Erwärmung der faserverstärkten Strukturbauteile 31, 32 vorgesehen. Durch das Eindringen der Befestigungsvorrichtung 2 in die beiden faserverstärkten Strukturbauteile 31, 32 wird ebenfalls Reibungswärme freigesetzt, welche zusätzlich zu der durch die Heizvorrichtung 40 zugeführte Wärmeenergie 41 zur Erwärmung der Befestigungsvorrichtung 2 als auch zur Erwärmung des ersten faserverstärkten Strukturbauteils 31 und des zweiten faserverstärkten Strukturbauteils 32 beiträgt. Durch diese Erwärmung kann auch ein Verschmelzen des Materials der Befestigungsvorrichtung 2 mit den Materialien, insbesondere mit der thermoplastischen Matrix, der beiden faserverstärkten Strukturbauteile 31, 32 erfolgen, so dass letztendlich eine stoffschlüssige Verbindung zwischen der Befestigungsvorrichtung und den beiden faserverstärkten Strukturbauteilen 31, 32 entsteht. Dadurch kann ebenfalls auch eine Verschmelzung der Matrix des ersten faserverstärkten Strukturbauteils 31 mit der Matrix des zweiten faserverstärkten Strukturbauteils 32 im Bereich der Durchdringung 71 erfolgen, so dass eine stoffschlüssige Verbindung sowohl zwischen beiden faserverstärkten Strukturbauteilen 31, 32 als auch zwischen den beiden faserverstärkten Strukturbauteilen 31, 32 und der Befestigungsvorrichtung 2 bereitgestellt wird.
  • 4 zeigt die Erwärmung bzw. die Freisetzung von Wärmeenergie 41 in Form von Laserstrahlen, welche auf eine Oberfläche 33 des ersten faserverstärkten Strukturbauteils 31 sowie auf eine Oberfläche 34 des zweiten faserverstärkten Strukturbauteils 32 auftreffen. Dadurch wird ein Bereich 42, in welchem die in 4 nicht dargestellte Durchdringung 71 vorgesehen werden soll, erwärmt. Die Laserstrahlen werden dabei von der Heizvorrichtung 40 ausgesendet. Der erwärmte Bereich ist in einer Draufsicht der Oberfläche 33 des ersten faserverstärkten Strukturbauteils 31 im Wesentlichen kreisförmig. Somit kann lediglich derjenige Bereich, in welchem die Durchdringung 71 vorgesehen werden soll, erwärmt werden.
  • 5 zeigt eine erste Auflagescheibe 35, welche in einer ersten vorgegebenen Richtung 37 auf die Oberfläche 33 des ersten faserverstärkten Strukturbauteils 31 aufgebracht wird, um eine Verformung des ersten faserverstärkten Strukturbauteils 31 insbesondere an der Oberfläche 33 zu verhindern. Ferner ist eine zweite Auflagescheibe 36, welche in einer zweiten Richtung 38 auf die Oberfläche 34 des zweiten faserverstärkten Strukturbauteils 32 aufgebracht bzw. aufgelegt wird, gezeigt. Beide Auflagescheiben 35, 36 sind dazu ausgeführt, eine geometrische Verformung an den Oberflächen 33, 34 der jeweiligen faserverstärkten Strukturbauteile 31, 32 zu verhindern. Eine solche geometrische Verformung an den Oberflächen 33, 34 kann durch die herzustellende bzw. hergestellte Durchdringung 71 und das dadurch verdrängte Material im Bereich der Durchdringung 71 entstehen. Insbesondere wird die Befestigungsvorrichtung 2 in die beiden faserverstärkten Strukturbauteile 31, 32 eingeschoben bzw. eingedrückt, so dass die Durchdringung 71 entsteht. Dieser Vorgang wird durch die zuvor oder gleichzeitig stattfindende Erwärmung des Bereiches der Durchdringung 71 bzw. eines Bereiches innerhalb der beiden faserverstärkten Strukturbauteile 31, 32 entlang der Längsachse 2a begünstigt.
  • 6 zeigt ein weiteres Beispiel, in welchem die Befestigungsvorrichtung 2 die beiden faserverstärkten Strukturbauteile 31, 32 durchdringt und somit eine Durchdringung 71 in dem von der Heizvorrichtung 40 erwärmten Bereich erzeugt wird. Durch das Vorsehen der Auflagescheiben 35, 36 wird eine Verformung an der Oberfläche 33 des ersten faserverstärkten Strukturbauteils 31 und an der Oberfläche 34 des zweiten faserverstärkten Strukturbauteils 32 verhindert. Dabei werden die beiden faserverstärkten Strukturbauteile 31, 32 durch die Befestigungsvorrichtung, insbesondere durch die zylinderförmige Verbindungskomponente 10, durchdrungen. Die Durchdringung bzw. das Herstellen der Durchdringung 71 erfolgt beispielsweise durch eine Translationsbewegung oder durch eine kombinierte Translations- und Rotationsbewegung der Befestigungsvorrichtung 2 in Richtung der Längsachse 2a. Es ist möglich, dass zumindest eine der Auflagescheiben 35, 36 nach der Herstellung der Durchdringung 71 auf dem jeweiligen faserverstärkten Strukturbauteil 31, 32 verbleibt.
  • Ferner kann vorgesehen sein, dass das Außengewinde 11 bzw. der geriffelte Bereich 11 des Verbindungselements 10 nicht in der Durchgangsbohrung und somit auch nicht innerhalb des ersten und/oder zweiten faserverstärkten Strukturbauteils 31, 32 verbleibt. Insbesondere sollte dieser Bereich des Verbindungselements 10 nach den Durchdringen der faserverstärkten Strukturbauteile 31, 32 aus der Durchgangsbohrung herausragen. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass dieser Bereich nach dem Durchdringen der faserverstärkten Strukturbauteile 31, 32 in der Durchgangsbohrung verbleibt.
  • 7 zeigt ein Werkzeug 56, durch welches das Abtrennen der Bohrkomponente 20 von der Verbindungskomponente 10 bewerkstelligt wird. Dabei wird das Werkzeug 40 entlang der durch Pfeil gekennzeichneten Richtung 55 bewegt und trennt somit die Bohrkomponente 20 von der Verbindungskomponente 10. Entlang einer Trennlinie 22 entsteht nach dem Abtrennen bzw. Ablösen der Bohrkomponente 20 von der Verbindungskomponente 10 eine Trennfläche. Ferner kann eine Gewindemutter 23 auf das Außengewinde 11 der Verbindungskomponente 10 aufgeschraubt werden, um somit im Zusammenspiel mit der Kopfkomponente 12 der Verbindungskomponente 10 die beiden Strukturbauteile 31, 32 miteinander kraftschlüssig zu verbinden. Die Mutter 23 weist dazu eine Auflagefläche 24 auf, welche zur kraftschlüssigen Verbindung mit dem zweiten Strukturbauteil 32 in direktem Kontakt steht. Die Auflagefläche 13 der Kopfkomponente 12 steht zur kraftschlüssigen Verbindung beider Strukturbauteile 31, 32 mit dem ersten Strukturbauteil 31 in direktem Kontakt. Dabei stehen zum einen die Auflagefläche 13 der Kopfkomponente 12 mit der Kontaktfläche 33 des ersten Strukturbauteils 31 in Kontakt und die Auflagefläche 24 der Mutter 23 steht mit der Kontaktfläche 34 des zweiten Strukturbauteils 32 in Kontakt. Es sei jedoch angemerkt, dass in 7 lediglich derjenige Zustand gezeigt ist, welcher die kraftschlüssige Verbindung der beiden Strukturbauteile 31, 32 beschreibt.
  • 8 zeigt den Zustand der kraftschlüssigen Verbindung beider Strukturbauteile 31, 32, wobei die Bohrkomponente 20 von der Verbindungskomponente 10 bereits abgetrennt wurde. Die dadurch entstandene Trennfläche 25 ist in 8 ebenfalls gezeigt. Es sei angemerkt, dass die in 8 gezeigte Darstellung die Verbindung der beiden Strukturbauteile 31, 32 durch die Verbindungskomponente 10 zeigt, bei welcher die kraftschlüssige Verbindung zwischen beiden Strukturbauteilen 31, 32 durch das Vorsehen einer Schraube-Mutter-Verbindung bereitgestellt wird.
  • 9 zeigt eine Schnittansicht durch das erste faserverstärkte Strukturbauteil 31, wobei die Blickrichtung entlang der Längsachse 2a der Durchdringung 71 gerichtet ist. Das erste faserverstärkte Strukturbauteil 31, aber auch das zweite in 9 nicht dargestellte faserverstärkte Strukturbauteil 32, weisen eine Matrix 70 sowie Fasern 72 auf. Die Matrix 70 weist dabei ein thermoplastisches Material auf. Die Fasern 72 sind vorzugsweise Kohlenstofffasern, welche im Wesentlichen parallel zueinander innerhalb der Matrix 70 in Schichten verlaufen. Der Bereich der Durchdringung 71, in welche die Verbindungskomponente 10 der Befestigungsvorrichtung 2 eingeführt wird, ist im Wesentlichen kreisförmig. Die Fasern 72 sind im Bereich der Durchdringung 71 an die Form der Durchdringung 71 angepasst. Eine solche Anpassung des Verlaufs der Fasern 72 kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass das erste faserverstärkte Strukturbauteil 31 bzw. das zweite faserverstärkte Strukturbauteil 32 vor oder während der Herstellung der Durchdringung 71 erwärmt wird. Dadurch erweicht die thermoplastische Matrix 70 derart, dass die Fasern 72 von der Längsachse 2a weggeschoben werden. Insbesondere ist in 9 zu erkennen, dass die Fasern 72 in ihrem Verlauf um die Durchdringung 71 herum angeordnet sind. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann dann somit zumindest teilweise verhindert werden, dass Fasern beschädigt bzw. durchtrennt werden, während die Durchdringung 71 hergestellt wird.
  • 10 zeigt ein Befestigungssystem 80 mit einem Werkzeug 51, welches dazu ausgeführt ist, das erste faserverstärkte Strukturbauteil 31 und das zweite faserverstärkte Strukturbauteil 32 mittels der Befestigungsvorrichtung 2 zu durchdringen, um somit das erste faserverstärkte Strukturbauteil 31 mit dem zweiten faserverstärkten Strukturbauteil 32 durch die Befestigungsvorrichtung 2 selbst zu verbinden. Die Verbindung beider faserverstärkter Strukturbauteile 31, 32 erfolgt beispielsweise durch eine formschlüssige bzw. kraftschlüssige oder aber durch eine stoffschlüssige Verbindung. Das Befestigungssystem 80 weist ferner eine Heizvorrichtung 40 auf, welche dazu ausgeführt ist, das erste faserverstärkte Strukturbauteil 31 und das zweite faserverstärkte Strukturbauteil 32 im Bereich der Durchdringung 71 zu erwärmen. Der erwärmte Bereich 42, welcher durch Wärmeabgabe durch die Heizvorrichtung 40 bereitgestellt wird, ist dabei auf jeweils einen Teil des ersten faserverstärkten Strukturbauteils 31 und des zweiten faserverstärkten Strukturbauteils 32 begrenzt. Die Heizvorrichtung 40 gibt Wärmeenergie 41 beispielsweise in Form von Laserstrahlen an die Oberfläche des ersten faserverstärkten Strukturbauteils 31 oder des zweiten faserverstärkten Strukturbauteils 32 ab. Das Erwärmen der beiden faserverstärkten Strukturbauteile 31, 32 erfolgt beispielsweise während oder vor dem Herstellen der Durchdringung 71 mittels der Befestigungsvorrichtung 2.
  • 11 zeigt ein Luftfahrzeug, insbesondere ein Flugzeug 60, mit einem Luftfahrzeugstrukturelement 1, wobei das Luftfahrzeugstrukturelement 1 in dem Flugzeug 60 angeordnet bzw. montiert ist. Das Luftfahrzeugstrukturelement 1 weist ein erstes faserverstärktes Strukturbauteil 31 sowie ein zweites faserverstärktes Strukturbauteil 32 auf. Dabei sind die beiden faserverstärkten Strukturbauteile 31, 32 durch die Befestigungsvorrichtung 2 stoffschlüssig oder kraftschlüssig miteinander verbunden. Das erste faserverstärkte Strukturbauteil 31 oder das zweite faserverstärkte Strukturbauteil 32 sind beispielsweise Primärstrukturkomponenten oder Sekundärstrukturkomponenten des Flugzeugs 60. Beispielsweise ist zumindest eines der beiden faserverstärkten Strukturbauteile 31, 32 ein Spant, ein Stringer, eine Außenhaut, eine Halterung, eine Rahmenstruktur oder ein Kabinenverkleidungsteil des Flugzeugs 60.
  • 12 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Verbinden von faserverstärkten Strukturbauteilen. In einem ersten Schritt S1 des Verfahrens erfolgt ein Bereitstellen eines ersten faserverstärkten Strukturbauteils 31 und eines zweiten faserverstärkten Strukturbauteils 32. In einem weiteren Schritt S2 erfolgt ein Erwärmen des ersten faserverstärkten Strukturbauteils 31 und des zweiten faserverstärkten Strukturbauteils 32 durch eine Heizvorrichtung 40. Ferner erfolgt in einem weiteren Schritt S3 des Verfahrens ein Herstellen einer Durchdringung 71 durch das erste faserverstärkte Strukturbauteil 31 und durch das zweite faserverstärkte Strukturbauteil 32 mittels einer Befestigungsvorrichtung 2. In einem weiteren Schritt S4 erfolgt ein Verbinden des ersten faserverstärkten Strukturbauteils 31 mit dem zweiten faserverstärkten Strukturbauteil 32 durch die Befestigungsvorrichtung 2.
  • Das Erwärmen des ersten faserverstärkten Strukturbauteils 31 und des zweiten faserverstärkten Strukturbauteils 32 durch die Heizvorrichtung 40 kann dabei in Kombination mit dem Herstellen der Durchdringung 71 durch das erste faserverstärkte Strukturbauteil 31 und durch das zweite faserverstärkte Strukturbauteil 32 mittels der Befestigungsvorrichtung 2 erfolgen. Insbesondere sei angemerkt, dass die Schritte des Verfahrens in einer beliebigen Reihenfolge, aber auch zumindest teilweise gleichzeitig, erfolgen können.
  • Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass „umfassend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102007062087 B4 [0003]
    • FR 2933378 A1 [0004]

Claims (15)

  1. Verfahren zum Verbinden von faserverstärkten Strukturbauteilen, aufweisend die Schritte: Bereitstellen eines ersten faserverstärkten Strukturbauteils (31) und eines zweiten faserverstärkten Strukturbauteils (32, S1); Erwärmen des ersten faserverstärkten Strukturbauteils (31) und des zweiten faserverstärkten Strukturbauteils (32) durch eine Heizvorrichtung (40, S2); Herstellen einer Durchdringung (71) durch das erste faserverstärkte Strukturbauteil (31) und das zweite faserverstärkte Strukturbauteil (32) mittels einer Befestigungsvorrichtung (2, S3); Verbinden des ersten faserverstärkten Strukturbauteils (31) mit dem zweiten faserverstärkten Strukturbauteil (32) durch die Befestigungsvorrichtung (2, S4).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Erwärmen des ersten faserverstärkten Strukturbauteils (31) und des zweiten faserverstärkten Strukturbauteils (32) durch die Heizvorrichtung (40) zeitlich vor und/oder während des Herstellens der Durchdringung (71) durch das erste faserverstärkte Strukturbauteil (31) und das zweite faserverstärkte Strukturbauteil (32) erfolgt.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin aufweisend den Schritt: Erwärmen der Befestigungsvorrichtung (2) durch die Heizvorrichtung (40) zeitlich vor und/oder während des Herstellens der Durchdringung (71) durch das erste faserverstärkte Strukturbauteil (31) und das zweite faserverstärkte Strukturbauteil (32).
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Erwärmen des ersten faserverstärkten Strukturbauteils (31) und des zweiten faserverstärkten Strukturbauteils (32) unter Verwendung eines Laserstrahls erfolgt.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Befestigungsvorrichtung (2) dazu ausgeführt ist, beim Herstellen der Durchdringung (71) zusätzliche Reibungswärme bereitzustellen, um das erste faserverstärkte Strukturbauteil (31) und das zweite faserverstärkte Strukturbauteil (32) zu erwärmen.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Befestigungsvorrichtung (2) eine Verbindungskomponente (10) und eine an der Verbindungskomponente (10) abtrennbare Bohrkomponente (20) aufweist, wobei die Verbindungskomponente (10) und die Bohrkomponente (20) entlang einer Längsachse (2a) der Befestigungsvorrichtung (20) hintereinander angeordnet sind.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, weiterhin aufweisend den Schritt: wobei die Verbindungskomponente (10) und die Bohrkomponente (20) aus unterschiedlichen Materialien gefertigt sind.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, weiterhin aufweisend den Schritt: Bereitstellen eines Außengewindes (11) an der Verbindungskomponente (10), welches dazu ausgeführt ist, durch Zusammenwirken mit einem Sicherungselement das erste faserverstärkte Strukturbauteil (31) mit dem zweiten faserverstärkten Strukturbauteil (32) kraftschlüssig zu verbinden.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste faserverstärkte Strukturbauteil (31) und/oder das zweite faserverstärkte Strukturbauteil (32) aus einem kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff gefertigt sind.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Befestigungsvorrichtung (2) zumindest teilweise aus einem kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff gefertigt ist.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin aufweisend den Schritt: Vorsehen einer ersten Auflagescheibe (35) auf einer Oberfläche (33) des ersten faserverstärkten Strukturbauteils (31) im Bereich der Durchdringung (71); wobei die erste Auflagescheibe (35) dazu ausgeführt ist, eine geometrische Verformung der Oberfläche (33) des ersten faserverstärkten Strukturbauteils (31) während des Herstellens der Durchdringung (71) durch das erste faserverstärkte Strukturbauteil (31) zu verhindern.
  12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin aufweisend den Schritt: Vorsehen einer zweiten Auflagescheibe (36) auf einer Oberfläche (34) des zweiten faserverstärkten Strukturbauteils (32) im Bereich der Durchdringung (71); wobei die zweite Auflagescheibe (36) dazu ausgeführt ist, eine geometrische Verformung der Oberfläche (34) des zweiten faserverstärkten Strukturbauteils (32) während des Herstellens der Durchdringung (71) durch das zweite faserverstärkte Strukturbauteil (32) zu verhindern.
  13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Herstellen der Durchdringung (71) durch das erste faserverstärkte Strukturbauteil (31) und das zweite faserverstärkte Strukturbauteil (32) mittels der Befestigungsvorrichtung (2) durch eine reine Translationsbewegung der Befestigungsvorrichtung (2) erfolgt.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das Herstellen der Durchdringung (71) durch das erste faserverstärkte Strukturbauteil (31) und das zweite faserverstärkte Strukturbauteil (32) mittels der Befestigungsvorrichtung (2) durch Kombination einer Translationsbewegung und einer Rotationsbewegung (50) der Befestigungsvorrichtung (2) erfolgt.
  15. Luftfahrzeugstrukturelement, aufweisend: ein erstes faserverstärktes Strukturbauteil (31) und ein zweites faserverstärktes Strukturbauteil (32); eine Befestigungsvorrichtung (2); wobei die Befestigungsvorrichtung (2) unter einer Erwärmung des ersten faserverstärkten Strukturbauteils (31) und des zweiten faserverstärkten Strukturbauteils (32) in das erste faserverstärkte Strukturbauteil (31) und das zweite faserverstärkte Strukturbauteil (32) eingeführt ist, um das erste faserverstärkte Strukturbauteil (31) und das zweite faserverstärkte Strukturbauteil (32) zu durchdringen und bei der Durchdringung Fasern (72) der beiden faserverstärkten Strukturbauteile (31, 32) zu verdrängen.
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