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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Werkzeuge und Verfahren zum Herstellen von verstärkten Verbundstrukturen für Luftfahrzeuge, und betrifft weiter insbesondere Werkzeuge für Luftfahrzeugflügel und Verfahren mit Gelenkstringerdornen mit steifen Dornelementen.
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HINTERGRUND
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Rumpf, Flügel und Heckleitwerk eines Luftfahrzeugs weisen typischerweise Stringer (Längsbalken oder -träger) auf, welche mit einer Haut gekoppelt sind, welche die gleichmäßigen, aerodynamischen, äußeren Oberflächen des Rumpfs, der Flügel und des Heckleitwerks bildet. Die Stringer und die Haut wirken miteinander, um Biegesteifigkeit und Verdrehsteifigkeit dieser Bereiche des Luftfahrzeugs zu gewährleisten. Üblicherweise sind die Oberflächen des Rumpfs, der Flügel und des Heckleitwerks sowie die zugeordneten Stringer aus Metall, wie zum Beispiel Aluminium, Stahl oder Titan, hergestellt.
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Die Nutzung von faserverstärkten Verbundmaterialien ist verbreitet in einer Vielzahl von gewerblichen und militärischen Luftfahrzeugprodukten als ein Ersatz für Metalle, insbesondere in Anwendungen, in welchen vergleichsweise niedriges Gewicht und hohe mechanische Festigkeit gewünscht sind. Im Allgemeinen ist das Material zusammengesetzt aus verstärkenden Fasern, welche in Schichten oder Lagen angeordnet sind. Die Schichten enthalten eine Harzmatrix, welche die verstärkenden Fasern nachhaltig bzw. ausgiebig befeuchtet bzw. benetzt und welche ausgehärtet wird, um eine enge Bindung zwischen dem Harz und den verstärkenden Fasern zu bilden. Das Verbundmaterial kann als Strukturbauteil geformt werden mittels einer Vielzahl von bekannten Formverfahren, so wie Extrudieren, Vakuum Beutelsystemen (Foliensystemen), Autoklaven, und/oder dergleichen.
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Da die Häute und Stringer für verschiedene Bereiche eines Luftfahrzeugs einem Übergang von metallischen Materialien zu faserverstärkten Verbundmaterialien ausgesetzt sind, sind diverse Themen aufgekommen. In einem aktuellen Herstellungsprozess, welcher bekannt ist als Vorhärten/Co-Verbinden oder Co-Verbinden (Co-bond), wird eine faserverstärkte Verbundhaut geformt, indem Schichten übereinander gestapelt werden, wobei diese Schichten verstärkende Fasern in einer Harzmatrix enthalten. Typischerweise sind manche der Schichten relativ zueinander versetzt, so dass der Stapel einer gewünschten konturierten oder sich verjüngenden Geometrie entspricht. Die gestapelten Schichten werden erhitzt und unter Druck gesetzt um die polymerische Harzmatrix auszuhärten und eine vorgehärtete Haut zu formen. Ein Stringerdorn (Längsdorn) wird auf den gestapelten Schichten platziert und Stringerlagen werden auf den Stringerdorn gestapelt. Druck und Hitze werden appliziert um die Stringervorform zu härten, und zwar unter Nutzung des Werkzeugs um einen faserverstärkten Verbundstringer zu formen, welcher an der vorgehärteten Haut befestigt ist. Unglücklicherweise kommen Defekte oftmals entlang der Schnittstelle zwischen der vorgehärteten Haut und dem faserverstärkten Verbundstringer auf. Insbesondere hat die Haut typischerweise eine konturierte äußere Oberfläche, welche kleine Abstufungen bzw. Abtreppungen oder Einbuchtungen bzw. Dellen enthält, welche von den Lücken zwischen den Dornelementen des Stringerdorns geformt werden. Große Lücken verursachen Unterdruckbereiche, beispielsweise Leerstellen, und Überdruckbereiche, beispielsweise harzarme Bereiche, in dem Verbundstringer. Diese Unterdruckbereiche und Überdruckbereiche können die Effizienz des Lasttransfers zwischen der vorgehärteten Haut und dem faserverstärkten Verbundstringer reduzieren und dabei die Festigkeit und die Tragfähigkeit, welche von dem faserverstärken Verbundstringer bereitgestellt wird, reduzieren.
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Der Stringer wird sodann in einem zweiten Härtungszyklus über die vorgehärtete Haut nass-in-nass verklebt (co-curing). Vorhärten stellt eine gute Hautqualität bereit, und zwar auf Grund eines gleichmäßigen Foliendrucks in Foliensystemen und vergleichsweise einfacher Geometrie, benötigt allerdings zwei Durchläufe des Autoklavenprozesses und der Vorbereitung. Da zwei Durchläufe benötigt werden, wird dies sehr teuer und zeitaufwändig und führt Risiken im Zusammenhang mit der Wiedererhitzung des Hautverbunds.
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Ein anderes Herstellungsverfahren ist nass-in-nass Verkleben (co-curing), welches das Herstellen von komplexen Teilen in einem einzelnen Autoklavhärtungsschritt ermöglicht. Der Nachteil von nass-in-nass Verkleben ist, dass Foliensysteme einen ungleichmäßigen Druck über komplexe Formen erzeugen, so dass die Verbundqualität leiden kann, da sie harzreiche/harzarme Bereiche haben kann, sowie auch potentielle Lagenverzerrung auf Grund von ungleichmäßigem Druck.
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Ein drittes aktuelles Herstellungsverfahren ist sekundäres Verkleben (secondary bonding), bei welchem alle Bestandteile vorgehärtet werden und dann in einer Verbundform mit Klebstoff montiert und zusammen gehärtet werden Sekundäres Verkleben stellt für alle Teile die beste Verbundqualität bereit, erfordert jedoch mehrere Härtungszyklen, erhöhten Aufwand für Vorbereitung, gesondertes Werkzeug, und erhöhte Schwierigkeit in Passungsangelegenheiten von vorgehärteten Teilen.
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Herkömmliche Dorne enthalten Schaumstoffdorne und elastomerische Dorne. Nach dem Härten sind Schaumstoffdorne aus dem faserverstärkten Verbundstringer schwierig zu entfernen und werden oftmals als "wegfliegendes" Werkzeug betrachtet, welches in dem Verbundflügel verbleibt. Elastomerische Dorne sind aus dem gehärteten Verbundstringer einfacher zu entfernen, stellen aber nicht die für gut definierte Kanten in dem Verbundstringer erforderliche Steifigkeit und Festigkeit zur Verfügung. Weiterhin sind die elastomerischen Dorne typischerweise lediglich verfügbar für einige Verwendungen, bevor das elastomerische Material anfängt zu brechen und nicht mehr in der Lage ist, dem Härtungsprozess Stand zu halten.
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Dementsprechend ist es wünschenswert, Verbundwerkzeugsysteme und Verfahren zum Herstellen von Verbundstringern bereit zu stellen, welche nach dem Härten aus dem Stringer entfernt werden können, die langlebig sind und die Steifigkeit bereit stellen, um gut definierte Kanten bzw. Ränder an dem gehärteten Verbundstringer zu erzeugen. Weiterhin werden andere wünschenswerte Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung aus der folgenden detaillierten Beschreibung und den angehängten Ansprüchen in Verbindung mit den begleitenden Figuren und diesem Hintergrund ersichtlich.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Verbundwerkzeugsysteme und Verfahren zum Herstellen von Verbundstringern für Luftfahrzeuge sind hierin angegeben. Gemäß einer exemplarischen Ausführungsform enthält ein Verbundwerkzeugsystem ein Legewerkzeug und einen Gelenkstringerdorn. Das Legewerkzeug hat eine konturierte Oberfläche mit einem ersten Abschnitt, der eine erste Oberflächenkomplexität hat und einen zweiten Abschnitt, der eine zweite Oberflächenkomplexität hat. Der Gelenkstringerdorn enthält ein erstes steifes Dornelement, ein zweites steifes Dornelement und eine Leitung. Das erste steife Dornelement definiert eine erste Öffnung, eine erste Stringeroberfläche, welcher der Verbundstringer entspricht, und eine erste Unterseite, welche dem ersten Abschnitt der konturierten Oberfläche gegenüberliegend angeordnet ist. Das erste steife Dornelement hat eine erste Länge entlang einer Längsrichtung des Verbundstringers. Das zweite steife Dornelement grenzt an das erste steife Dornelement und definiert eine zweite Öffnung, eine zweite Stringeroberfläche, welcher der Verbundstringer entspricht, und eine zweite Unterseite, welche dem zweiten Abschnitt der konturierten Oberfläche gegenüberliegend angeordnet ist. Das zweite steife Dornelement hat eine zweite Länge entlang der Längsrichtung. Die Leitung erstreckt sich durch die erste Öffnung und durch die zweite Öffnung. Die erste Länge kooperiert mit der ersten Oberflächenkomplexität und die zweite Länge kooperiert mit der zweiten Oberflächenkomplexität, so dass eine Lücke zwischen dem erstem steifen Dornelement und dem zweiten steifen Dornelement einen vorbestimmten Schwellwert der Lücke nicht übersteigt.
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Gemäß einer weiteren exemplarischen Ausführungsform enthält ein Verfahren zum Herstellen eines Verbundstringers für ein Luftfahrzeug die Schritte Legen von Hautlagen auf ein Legewerkzeug, welches eine konturierte Oberfläche aufweist, die einen ersten Abschnitt mit einer ersten Abschnittskomplexität und einen zweiten Abschnitt mit einer zweiten Abschnittskomplexität hat. Das Verfahren enthält weiterhin das Platzieren eines Gelenkstringerdorns auf die Hautlagen. Das Platzieren des Gelenkstringerdorns enthält weiterhin das Positionieren eines ersten steifen Dornelements auf den Hautlagen, so dass eine erste Unterseite des ersten steifen Dorns dem ersten Abschnitt gegenüberliegt, wo der erste steife Dorn eine erste Öffnung und eine erste Stringeroberfläche, welcher der Verbundstringer entspricht, definiert. Das erste steife Dornelement hat eine erste Länge entlang einer Längsrichtung des Verbundstringers. Das Platzieren des Gelenkstringerdorns enthält weiterhin das Positionieren eines zweiten steifen Dornelements auf den Hautlagen angrenzend an das erste steife Dornelement, so dass eine zweite Unterseite des zweiten steifen Dorns dem zweiten Abschnitt gegenüberliegt, und der zweite steife Dorn eine zweite Öffnung und eine zweite Stringeroberfläche, welcher der Verbundstringer entspricht, definiert. Das zweite steife Dornelement hat eine zweite Länge entlang der Längsrichtung. Das Positionieren des ersten steifen Dorns basiert zumindest teilweise auf der ersten Länge und der ersten Oberflächenkomplexität, und das Positionieren des zweiten steifen Dorns basiert zumindest teilweise auf der zweiten Länge und der zweiten Oberflächenkomplexität, so dass eine Lücke zwischen dem ersten steifen Dornelement und dem zweiten steifen Dornelement einen vorgegebenen Schwellwert der Lücke nicht übersteigt. Das Verfahren enthält weiter das Spannen einer Leitung, welche sich durch die erste Öffnung und die zweite Öffnung erstreckt. Das Verfahren enthält weiterhin das Legen von Stringerlagen überlagernd den Gelenkstringerdorn und Härten der Hautlagen und der Stringerlagen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden beschrieben in Verbindung mit den folgenden Zeichnungen, wobei ähnliche Bezugszeichen ähnliche Elemente bezeichnen, und wobei:
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1A, 1B, 1C, und 1D Ansichten eines Verbundwerkzeugsystems gemäß einem Ausführungsbeispiel sind;
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2 eine Schnittansicht des Verbundwerkzeugsystems ist, welches in 1 dargestellt ist, mit vergrößerten Ausmaßen zum Erleichtern der Erläuterung;
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3 ist eine Vorderansicht eines steifen Dornelements des Verbundwerkzeugsystems, welches in 2 dargestellt ist;
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4 ist eine Vorderansicht einer Dornkugel des Verbundwerkzeugsystems, welches in 2 dargestellt ist; und
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5 ist ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Herstellen eines Verbundstringers eines Luftfahrzeugs gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Die folgende detaillierte Beschreibung ist lediglich von exemplarischer Natur und ist nicht beabsichtigt, die Erfindung oder die Anmeldung sowie Verwendungen der Erfindung zu beschränken. Weiterhin besteht nicht die Absicht, durch irgendeine Theorie, welche in dem voranstehenden Hintergrund oder der folgenden detaillierten Beschreibung dargestellt ist, gebunden zu sein.
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Verschiedene hierin betrachtete Ausführungsformen beziehen sich auf Werkzeuge zum Herstellen von faserverstärkten Verbundstringern, und auf Verfahren zum Herstellen solcher verstärkter Verbundstringer. In dem angegebenen Beispiel ist der Herstellungsprozess ein nass-in-nass Verklebungsprozess. Im Unterschied zum Stand der Technik werden gemäß hierin gelehrten beispielhaften Ausführungsformen steife Dornelemente eines Gelenkdorns basierend auf einer Oberflächenkomplexität des Flügels an jedem Abschnitt des Stringers angeordnet, was die Nachteile von Dornverzerrung und ungleichmäßigem Druck, welche Lagenverzerrung verursachen, adressiert. Jedes steife Dornelement hat Ausmaße, welche für eine Anordnung über einen Abschnitt des Flügelwerkzeugs geeignet sind, mit einer Oberflächenkomplexität, welche mit den Ausmaßen des steifen Dornelements interagiert. Die Interaktion verursacht Versatz oder Fehlausrichtungen von benachbarten Dornelementen, was zu einer Lücke zwischen Kanten der benachbarten steifen Dornelemente führt. Die Ausmaße der steifen Dornelemente sind geringer an Abschnitten des Werkzeugs, welche eine höhere Oberflächenkomplexität haben, so dass die Lücke einen Schwellwert der Lücke nicht übersteigt. Indem die Lücke unterhalb des Lückenschwellwertes gehalten wird, können Abstufungen und andere nicht wünschenswerte Verbunddefekte reduziert werden.
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Mit Bezug auf die 1A–D und 2–4, werden Ansichten eines Verbundwerkzeugsystems 100 und Komponenten des Verbundwerkzeugsystems 100 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform angegeben. 2–4 haben vergrößerte oder überspitzt dargestellte Ausmaße im Vergleich zu 1A–D, um das Erläutern der Merkmale des Verbundwerkzeugsystems 100 zu erleichtern. Das Verbundwerkzeugsystem 100 kann genutzt werden, um einen Verbundstringer 102 und eine Verbundhaut 104 herzustellen, wie in 3 ersichtlich ist. Sowohl der Verbundstringer 102 als auch die Verbundhaut 104 sind jeweils aus faserverstärktem Verbundmaterial gefertigt. Wie dargestellt und gemäß einer exemplarischen Ausführungsform weist der Verbundstringer 102 einen Traversenkörperabschnitt 106 und zwei Auslaufabschnitte 108 auf, welche sich ausgehend von dem Traversenkörperabschnitt 106 in entgegengesetzte Richtungen erstrecken. Der Verbundstringer 102 folgt allgemein den Konturen der Verbundhaut 104.
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Das Verbundwerkzeugsystem 100 enthält ein Legewerkzeug 110 und einen Gelenkstringerdorn 112. Das Legewerkzeug 110 definiert eine konturierte Oberfläche 120, welche einen ersten Abschnitt 122 und einen zweiten Abschnitt 124 aufweist. Der erste Abschnitt 122 hat eine erste Oberflächenkomplexität und der zweite Abschnitt 124 hat eine zweite Oberflächenkomplexität, welche niedriger ist als die erste Oberflächenkomplexität. Wie von dem Fachmann auf dem technischen Gebiet durchaus erkannt wird, bezieht sich die Oberflächenkomplexität auf die Quote der Neigungswechsel der konturierten Oberfläche 120. Die Oberflächenkomplexität enthält auch Anstiege oder Neigungen auf Grund von Lagengefälle unter dem Dorn. Dementsprechend hat ein Abschnitt mit hoher Oberflächenkomplexität eine Neigung oder ein Gefälle, welche bzw. welches schneller wechselt als bei einem Abschnitt mit geringer Oberflächenkomplexität. Zum Beispiel hat eine ebene Oberfläche keine Oberflächenkomplexität.
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Der Gelenkstringerdorn 112 enthält ein erstes steifes Dornelement 130, ein zweites steifes Dornelement 132, ein drittes steifes Dornelement 134, eine Leitung 136, und eine Vielzahl von Dornkugeln 138. 1A–C zeigen zusätzliche Endelemente 137, welche eine Auflagefläche bereitstellen zum anspannen des Gelenkstringerdorns 112 mit der Leitung 136. Das angegebene Beispiel enthält eine Vielzahl von ersten steifen Dornelementen 130 und eine Vielzahl von zweiten steifen Dornelementen 132. Die Anzahl der steifen Dornelemente 130, 132, 134 mag basierend auf dem jeweiligen Stringer und der Form der herzustellenden Haut variieren, wie von dem Fachmann auf dem technischen Gebiet durchaus erkannt werden kann.
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Die Anordnung der steifen Dornelemente 130, 132, 134 basiert auf der Oberflächenkomplexität der konturierten Oberfläche 120 und auf den Ausmaßen (z.B., Länge und/oder Breite) jedes einzelnen steifen Dornelements 130, 132, 134, um zu gewährleisten, dass eine Lücke 139 zwischen jedem steifen Dornelement 130, 132, 134 einen vorbestimmten Schwellwert für die Lücke nicht übersteigt. Der vorbestimmte Schwellwert für die Lücke basiert auf Eigenschaften des Verbundprozesses, welche die Abstufungen oder Abtreppung in dem Verbundstringer beeinflussen. Beispielsweise mag der Schwellwert der Lücke basieren auf reduzierter Abtreppung basierend auf Eigenschaften von Harz, Autoklaven-Drücken oder anderen Eigenschaften des Verbundprozesses. Während die gezeigten Dornelemente im Wesentlichen die gleichen sein können, ist es möglich, die Abtreppung durch Absanden oder anderweitiges Bearbeiten der Verbindungen zwischen steifen Dornelementen weiter zu reduzieren nachdem die Dorneinrichtung in ihrer passenden Form ist und nachdem die Leitung gespannt ist.
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Die steifen Dornelemente 130, 132, 134 und Dornkugeln 138 sind aus einem steifen bzw. rigiden Material gebildet. Wie hierin verwendet bezieht sich der Ausdruck "steifes Material" auf ein Material, welches seine Form während eines Autoklav-Prozesses zum Härten des Verbundmaterials im Wesentlichen beibehält. In dem angegebenen Beispiel ist das steife Material ein metallisches Material, wie Aluminium oder Invar. In manchen Ausführungsformen hat das steife Material ein Young-Modulus, welches größer ist als 10 GPa. In manchen Ausführungsformen kann die Steifheit der Materialien erreicht werden mit Metallen mit Young-Moduli von 10 × 10^6 bis 30 × 10^6 psi. Im Gegensatz dazu sind flexible Materialien—so wie elastomere Materialien—, welche unter Autoklaven-Temperaturen und Drücken leicht deformieren, von der vorhergehenden Definition des “steifen Materials” explizit ausgenommen. Wie von dem Fachmann auf dem technischen Gebiet anerkannt werden wird, mag das spezifische steife Material basierend auf Temperaturen und Kräften, welche in einem besonderen Autoklav-Prozess vorkommen, variieren. In manchen Ausführungsformen mögen steife Polymere mit höheren Durometern als flexibler Gummi genutzt werden, so dass ein Dorn nicht flexibel genug wäre, um ein Entfernen aus der Ausnehmung zu erlauben, wenn der Dorn einstückig ausgeführt wäre. Im Allgemeinen ist das Material steif genug, um die Form beizubehalten, und zäh genug, um Wiederverwendung ohne Beschädigung beim Entfernen zu ermöglichen.
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Zumindest teilweise mag das steife Material ausgewählt werden basierend auf den benötigten Ausdehnungseigenschaften. Invar oder Carbon-Verbund Dorne haben eine niedrige Ausdehnung relativ zu dem Verbundteil, sind aber dann schwieriger zu entfernen. In manchen Ausführungsformen haben die steifen Dornelemente 130, 132, 134 und Dornkugeln 138 eine elastomere Beschichtung.
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Das erste steife Dornelement 130 definiert eine erste Ausnehmung 140, eine Öffnung 142, einen ersten Querschnittsumfang 144, und eine erste Unterseite 145. Jedes Längsende des ersten steifen Dornelements 130 enthält eine erste Ausnehmung 140, um eine Dornkugel 138 aufzunehmen. In dem angegebenen Beispiel ist die erste Ausnehmung 140 definiert durch eine sphärische bzw. kugelförmige Oberfläche, welche jeder Dornkugel 138 gegenüberliegt. Die sphärische Oberfläche ist angepasst an Rotation und longitudinale Fehlanordnung von benachbarten steifen Dornelementen 130, 132, 134, so dass der Gelenkstringerdorn 112 der konturierten Oberfläche 120 entsprechen mag.
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Die Öffnung 142 erstreckt sich durch eine longitudinale Länge des ersten steifen Dornelements 130 zwischen ersten Ausnehmungen 140 auf jeder Seite des ersten steifen Dornelements 130. Die Öffnung 142 beherbergt die Leitung 136, um das Montieren des Gelenkstringerdorns 112 zu erleichtern.
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Der erste Querschnittsumfang 144 definiert eine Form des Verbundstringers 102, welche dem ersten Querschnittsumfang 144 während des Autoklav-Härtens entspricht bzw. sich diesem angleicht. Die Form des ersten Querschnittsumfangs mag basierend auf der spezifischen Implementierung und der gewünschten Stringerform variieren. In dem angegebenen Beispiel ist die Form des ersten Querschnittsumfangs 144 im Wesentlichen trapezförmig.
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Die erste Unterseite 145 liegt dem ersten Abschnitt 122 der konturierten Oberfläche 120 gegenüber. Das steife Dornelement 130 hat eine erste Länge 146 entlang der Längsrichtung des Gelenkstringerdorns 112 und des Verbundstringers 102. Die erste Länge 146 ist zumindest teilweise definiert durch die erste Oberflächenkomplexität. Beispielsweise ist die Auswahl bzw. Festlegung der Reihenfolge der steifen Dornelemente 130, 132, 134 entlang der Länge des Gelenkstringerdorns 112 mit der Oberflächenkomplexität der konturierten Oberfläche 120 an jedem Teil bzw. Abschnitt des Gelenkstringerdorns 112 und des Verbundstringers 102 koordiniert. Abschnitte der konturierten Oberfläche 120 mit einer hohen Oberflächenkomplexität (z.B. der erste Abschnitt 122) benötigen eine kürzere Länge (z.B. erste Länge 146) um sicherzustellen, dass die Lücke 139 den Schwellwert der Lücke nicht übersteigt.
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Das zweite steife Dornelement 132 definiert eine zweite Ausnehmung 150, eine Öffnung 152, einen zweiten Querschnittsumfang 154 und eine zweite Unterseite 155. Jedes Längsende des zweiten steifen Dornelements 132 enthält eine zweite Ausnehmung 150, um eine Dornkugel 138 aufzunehmen. In dem angegebenen Beispiel ist die zweite Ausnehmung 150 definiert durch eine sphärische bzw. kugelförmige Oberfläche, welche jeder Dornkugel 138 gegenüberliegt. Die sphärische Oberfläche ist angepasst an Rotation und longitudinale Fehlanordnung von benachbarten steifen Dornelementen 130, 132, 134, so dass der Gelenkstringerdorn 112 der konturierten Oberfläche 120 entsprechen mag. In dem angegebenen Beispiel ist die Form der zweiten Ausnehmung 150 im Wesentlichen identisch mit einer Form der ersten Ausnehmung 140.
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Die Öffnung 152 erstreckt sich durch eine longitudinale Länge des zweiten steifen Dornelements 132 zwischen zweiten Ausnehmungen 150 auf jeder Seite des zweiten steifen Dornelements 132. Die Öffnung 152 beherbergt die Leitung 136, um das Montieren des Gelenkstringerdorns 112 zu erleichtern.
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Der zweite Querschnittsumfang 154 definiert eine Form des Verbundstringers 102, welche dem zweiten Querschnittsumfang 154 während des Autoklav-Härtens entspricht bzw. sich diesem angleicht. Die Form des zweiten Querschnittsumfangs 154 mag in verschiedenen Ausführungsformen basierend auf der spezifischen Implementierung und der gewünschten Stringerform variieren. In manchen Ausführungsformen mag die Form des zweiten Querschnittsumfangs 154 entlang der Länge des zweiten steifen Dornelements 132 variieren. In dem angegebenen Beispiel ist der zweite Querschnittsumfang 154 im Wesentlichen von identischer Form wie der erste Querschnittsumfang, ist größer als der erste Querschnittsumfang 144, und hat eine gleichmäßige Form durch eine Länge des zweiten steifen Dornelements 132. In manchen Ausführungsformen hat der zweite Querschnittsumfang 154 eine Größe und eine Form, welche ähnlich zu denen des ersten Querschnittsumfangs 144 sind.
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Die zweite Unterseite 155 liegt dem zweiten Abschnitt 124 der konturierten Oberfläche 120 gegenüber. Das zweite steife Dornelement 132 hat eine zweite Länge 156 entlang der Längsrichtung des Gelenkstringerdorns 112 und des Verbundstringers 102. Die zweite Länge 156 ist zumindest teilweise definiert durch die zweite Oberflächenkomplexität und ist größer als die erste Länge 146. Obwohl die zweite Länge 156 größer ist als die erste Länge 146 ist die Oberflächenkomplexität an dem zweiten Abschnitt 124 geringer als die Oberflächenkomplexität an dem ersten Abschnitt 122. Dementsprechend bleibt die Lücke 139 unterhalb dem Lückenschwellwert.
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In dem angegebenen Beispiel geht das dritte steife Dornelement 134 zwischen dem ersten steifen Dornelement 130 und dem zweiten steifen Dornelement 134 sanft über. Das dritte steife Dornelement hat ein erstes Längsende 160, ein zweites Längsende 162, und einen dritten Querschnittsumfang 164. Der dritte Querschnittsumfang 164 variiert durch die Länge des dritten Dornelements 134 und ist im Wesentlichen identisch mit dem ersten Querschnittsumfang 144 an dem ersten Längsende 160 und ist im Wesentlichen identisch mit dem zweiten Querschnittsumfang 154 an dem zweiten Längsende 162.
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Die Leitung 136 mag jede Leitung (auch: Seilzug bzw. Strang) sein, welche in der Lage ist, eine Spannung auf den Gelenkstringerdorn 112 anzubringen und den Temperaturen und Drücken des Autoklav-Prozesses zu widerstehen. Die Leitung 136 erstreckt sich durch die Öffnung 142, die Öffnung 152, und die Dornkugeln 138. In dem angegebenen Beispiel ist die Leitung 136 eine Stahlleitung.
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Die Dornkugeln 138 definieren jeweils eine Drehfläche 170 und eine Öffnung 172. Jede Dornkugel 138 ist zwischen jeweils benachbarten steifen Dornelementen 130, 132, 134 zumindest teilweise in Ausnehmungen 140, 150 angeordnet. In dem angegebenen Beispiel sind die Dornkugeln 138 in Wesentlichen umgeben von benachbarten steifen Dornelementen 130, 132, 134 in Ausnehmungen 140, 150. Die Drehfläche 170 liegt gegenüber der Oberfläche der Ausnehmungen 140, 150 und hat eine Form, welche im Wesentlichen die gleiche ist wie die Oberfläche der Ausnehmungen 140, 150. Das erste steife Dornelement 130 und das zweite steife Dornelement 132 mögen mit Bezug zueinander schwenken und dabei die Anordnung miteinander aufrecht erhalten unter Nutzung der Dornkugeln 138. Die Öffnung 172 nimmt die Leitung 136 auf.
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Bezugnehmend nun auf 5 ist ein Verfahren 200 zum Herstellen eines Verbundstringers für ein Luftfahrzeug gemäß mancher Ausführungsformen angegeben. Die beschriebenen Prozessschritte, Prozeduren und Materialien sind lediglich als beispielhafte Ausführungsformen zu verstehen, welche vorgesehen sind, einem Fachmann auf dem technischen Gebiet Verfahren zum Umsetzen der Erfindung darzustellen; die Erfindung ist nicht auf diese beispielhaften Ausführungsformen beschränkt. Verschiedene Schritte beim Herstellen von verstärkten Verbundstrukturen sind bekannt, daher werden im Interesse der Kürze hierin manche herkömmlichen Schritte lediglich knapp erwähnt oder werden in Gänze weggelassen ohne die bekannten Prozessdetails anzugeben.
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Ein Legewerkzeug mit einer konturierten Oberfläche ist in Vorgang bzw. Schritt 202 bereitgestellt. Beispielsweise mag das Legewerkzeug 110 bereitgestellt werden. Ein Stringerdorn ist in Vorgang 204 bereitgestellt, wobei der Stringerdorn ein erstes und ein zweites Dornelement mit unterschiedlichen Längen hat. Beispielsweise mag der Gelenkstringerdorn 112 bereitgestellt werden. In Vorgang 206 werden Hautlagen über das Legewerkzeug gelegt. Beispielsweise mögen Hautlagen der Verbundhaut 104 über das Legewerkzeug 110 gelegt werden.
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In Vorgang 208 werden die ersten und zweiten Dornelemente auf den Hautlagen positioniert, und zwar basierend auf den unterschiedlichen Längen, einer Konturkomplexität der konturierten Oberfläche und einem Toleranzschwellwert der Lücke zwischen benachbarten Dornelementen. Beispielsweise mag die Reihenfolge der steifen Dornelemente 130, 132 entlang einer Länge des Gelenkstringerdorns 112 ausgewählt werden basierend auf der ersten Länge 146, der zweiten Länge 156, der Oberflächenkomplexität an dem ersten Abschnitt 122, der Oberflächenkomplexität an dem zweiten Abschnitt 124, und dem vorbestimmten Lückenschwellwert. Insbesondere ist die Reihenfolge so gewählt, dass kürzere Dornelemente an komplexeren Abschnitten der konturierten Oberfläche 120 platziert sind, um sicherzustellen, dass die Lücke 139 den vorbestimmten Lückenschwellwert nicht übersteigt.
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In manchen Ausführungsformen werden Dornelemente mit unterschiedlichen Querschnittsumfangsbereichen genutzt. In solchen Ausführungsformen werden Dornelemente mit größeren Querschnittsumfangsbereichen näher an dem Ende desjenigen Verbundstringers platziert, durch welchen das Dornelement in dem unten beschriebenen Vorgang 220 entfernt wird.
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Der Stringerdorn wird in Vorgang 210 mit einer Leitung gespannt. Beispielsweise mag der Gelenkstringerdorn 112 mit der Leitung 136 in Spannung zwischen zwei Enddorne des Stringerdorns gespannt werden. Stringerlagen werden in Vorgang 212 auf den Stringerdorn gelegt. Beispielsweise mögen Stringerlagen des Verbundstringers 102 in Vorgang 212 über den Gelenkstringerdorn 112 gelegt werden.
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Die Hautlagen und die Stringerlagen werden in Vorgang 214 gehärtet. Beispielsweise mag eine Vakuumbeutelanordnung über den gestapelten Lagen angeordnet sein, um ein Vakuum bereitzustellen. Hitze und Druck werden angewendet, um die Hautlagen und die Stringerlagen nass-in-nass zu härten um den Verbundstringer 102 befestigt an der Verbundhaut 104 zu formen, wie von dem Fachmann auf dem technischen Gebiet erkannt werden kann. Bekannte Prozesse und Bedingungen für das Anbringen von Hitze und Druck auf ungehärtete faserverstärkte Materialien (z.B. ein Autoklav in Verbindung mit der Vakuumbeutelanordnung) mögen genutzt werden, um den Verbundstringer 102 und die Verbundhaut 104 nass-in-nass zu härten bzw. zu verkleben. In manchen Ausführungsformen mögen die Verbundhaut 104 und der Verbundstringer 102 separat gehärtet werden.
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In Vorgang 216 wird die Leitung gelockert. Beispielsweise mag die Spannung in der Leitung 136 in Vorgang 216 gelockert werden. In Vorgang 220 wird der Stringerdorn von dem Stringer entfernt. Beispielsweise mag in Vorgang 220 der Gelenkstringerdorn 112 zwischen dem Verbundstringer 102 und der Verbundhaut 104 herausgezogen werden. In dem angegebenen Beispiel hat das metallische Material des Gelenkstringerdorns 112 einen Wärmeausdehnungskoeffizienten, welcher größer ist als der Wärmeausdehnungskoeffizient des Verbundmaterials. Dementsprechend schrumpfen die steifen Dornelemente 130, 132, 134 mehr als der Verbundstringer 102 beim Abkühlen von den Aushärtungstemperaturen. Durch dieses stärkere Schrumpfen als der Verbundstringer 102 schaffen die steifen Dornelemente 130, 132, 134 einen Abstand, welcher das Entfernen des Gelenkstringerdorns 112 erleichtert. In manchen Ausführungsformen mag die Leitung 136 gezogen werden, um den Gelenkstringerdorn 112 zu entfernen.
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Während zumindest eine beispielhafte Ausführungsform in der vorangehenden detaillierten Beschreibung der Erfindung dargelegt wurde, sollte bedacht werden, dass eine große Anzahl von Variationen existiert. Es sollte auch bedacht werden, dass die beispielhafte Ausführungsform oder die beispielhaften Ausführungsformen lediglich Beispiele sind und nicht beabsichtigt sind, den Schutzbereich, die Anwendbarkeit oder den Aufbau der Erfindung in irgendeiner Weise zu beschränken. Vielmehr wird die voranstehende detaillierte Beschreibung dem Fachmann auf dem technischen Gebiet eine bequeme Anleitung für das Umsetzen einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung anbieten. Es sei bedacht, dass diverse Änderungen in der Funktion und der Anordnung der in einer beispielhaften Ausführungsform beschriebenen Elemente vorgenommen werden mögen, ohne hierdurch von dem Bereich der Offenbarung wie in den angefügten Ansprüchen dargelegt abzuweichen.
