DE102016124966A1

DE102016124966A1 - Bauteilstruktur und Verfahren zur Herstellung derselben

Info

Publication number: DE102016124966A1
Application number: DE102016124966.1A
Authority: DE
Inventors: Markus Kleineberg; Jochen Schmidt; Christian Hühne
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2016-12-20
Filing date: 2016-12-20
Publication date: 2018-06-21
Anticipated expiration: 2036-12-21
Also published as: DE102016124966B4; FR3060441A1; FR3060441B1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bauteilstruktur mit wenigstens einem gekrümmten Flächenbauteil, an dem wenigstens ein in Umfangsrichtung der Krümmung des gekrümmten Flächenbauteils verlaufendes gekrümmtes Versteifungsbauteil angeordnet ist. Das gekrümmte Versteifungsbauteil weist einen Faserverbundwerkstoff auf und bildet Biegeabschnitte aus, die mit einer Stegversteifung gefestigt werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Bauteilstruktur mit wenigstens einem gekrümmten Flächenbauteil, indem wenigstens ein in Umfangsrichtung der Krümmung des gekrümmten Flächenbauteils verlaufendes gekrümmtes Versteifungsbauteil angeordnet ist. Die Erfindung betrifft ebenso ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Ein Flugzeugrumpf wird in der Regel aus schalen- oder röhrenförmigen Teilsegmenten zusammengesetzt. Die Teilsegmente bestehen dabei aus einer dünnen Haut, die eine gekrümmte Form aufweist und so dem späteren Flugzeugrumpf seine röhrenförmige Form verleiht. Die dünne Haut wird im Inneren durch gekrümmte Spante in Umfangsrichtung und häufig auch durch grade Stringerversteifungen in Längsrichtung gestützt, sodass die dünne Haut des Flugzeugrumpfes durch die Stringerversteifungen und durch die gekrümmten Spante seine Stabilität verliehen bekommt.
Werden neben den Spanten für die Stabilität auch Stringerversteifungen verwendet, so weisen die Spanten hierfür in der Regel Aussparungen auf, damit die Stringer ohne Unterbrechung durch die Spante durchlaufen können. Die Stringerversteifungen sowie die Spante kreuzen sich somit und verleihen der dünnen Rumpfhaut eine besondere Stabilität und Steifigkeit. Einfache Metallspante zur Stabilisierung von herkömmlichen Metallrümpfen (beispielsweise Aluminium) werden kostengünstig durch plastische Verformung (Rollformen) hergestellt, während komplexere oder höher belastete Metallspante durch spanende Bearbeitung hergestellt werden.
Mit der zunehmenden Verwendung von Faserverbundwerkstoffen in der Luftfahrtindustrie rückt auch immer mehr die Anforderung in den Mittelpunkt, einen Flugzeugrumpf inklusive seiner Verstärkung und Versteifungselemente (Stringer, Spante) aus einem Faserverbundwerkstoff herzustellen. Da sowohl Faserverbundwerkstoffe nach ihrem Aushärten als auch metallische Werkstoffe nach dem Umformen nur sehr eingeschränkt elastisch bzw. plastisch verformbar sind, müssen die Verbindungsstellen zur Rumpfhaut mit großem Aufwand durch Füllmasse auf das konkrete Anschlussmaß gebracht werden, da die Geometrie eines Rumpfes lokal sehr unterschiedlich ist. Dieser Aufwand für die manuelle, lokale geometrische Anpassung der Fügestellen des starren Spantes an die jeweiligen Teilsegmente der Rumpfhaut ist dabei sehr kostenintensiv.
Darüber hinaus ist die mechanische Bearbeitung der Profilrohlinge sehr aufwendig. Bei gefrästen Metallspanten fallen hier besonders das hohe Zerspanvolumen und die damit verbundene relativ hohe Bearbeitungsdauer ins Gewicht. Die mechanischen Nachbearbeitungen von Spantrohlingen aus Faserverbundwerkstoffen sind mit einem hohen Werkzeugverschleiß verbunden und bedürfen einer aufwendigen Kapselung der Zerspaneinrichtung aufgrund der elektrisch leitfähigen, gesundheitsschädlichen Stäube.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Bauteilstruktur und ein verbessertes Verfahren zu dessen Herstellung anzugeben, mit dem gekrümmte Flächenbauteile, wie sie als Teilsegmente für die Herstellung von Flugzeugrümpfen verwendet werden, mit Hilfe von Spanten insbesondere aus einem Faserverbundwerkstoff gefertigt werden können, ohne das hierbei die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile die durch die Verwendung von Faserverbundwerkstoffen entstehenden Vorteile überwiegen.
Die Aufgabe wird mit der Bauteilstruktur gemäß Anspruch 1 sowie dem Verfahren gemäß Anspruch 8 erfindungsgemäß gelöst.
Unter einem Faserverbundwerkstoff im Sinne der vorliegenden Erfindung wird ein Werkstoff verstanden, der insbesondere eine anisotrope Eigenschaft hat und zwei wesentliche Hauptbestandteile aufweist, nämlich ein Fasermaterial und ein Matrixmaterial. Das Fasermaterial wird dabei in das Matrixmaterial eingebettet und bildet nach dem Aushärten des Matrixmaterials, in der Regel in thermoplastischer oder duroplastischer Kunststoff, eine integrale Einheit mit dem Fasermaterial, wodurch eine sehr hohe Festigkeit und Steifigkeit in Faserrichtung erzielt werden kann. Neben diesen Hauptbestandteilen können Faserverbundwerkstoffe noch weitere Materialien enthalten bzw. aufweisen.
Gemäß Anspruch 1 wird eine Bauteilstruktur mit wenigstens einem gekrümmten Flächenbauteil, an dem wenigstens ein in Umfangsrichtung der Krümmung des gekrümmten Flächenbauteils verlaufendes gekrümmtes Versteifungsbauteil angeordnet ist, vorgeschlagen. Ein solches gekrümmtes Flächenbauteil kann dabei beispielsweise ein Segment einer Rumpfhaut eines Flugzeugrumpfes sein, während das Versteifungsbauteil (auch Verstärkungsbauteil genannt) einen gekrümmten Spant darstellt, der in Umfangsrichtung der Krümmung verläuft und an dem gekrümmten Flächenbauteil angeordnet ist.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass das gekrümmte Versteifungsbauteil aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt ist, d.h. das gekrümmte Versteifungsbauteil weist einen solchen Faserverbundwerkstoff und die Hauptbestandteile Fasermaterial und Matrixmaterial auf. Das gekrümmte Versteifungsbauteil hat dabei einen Innengurt und einen Außengurt, die an jeweils gegenüberliegenden Längsseiten des gekrümmten Versteifungsbauteils angeordnet sind, wobei zwischen dem Innengurt und dem Außengurt ein Stegabschnitt des gekrümmten Versteifungsbauteils vorgesehen ist.
Sowohl der Innengurt als auch der Außengurt sind dabei unter einem gewissen Winkel von dem Stegabschnitt abgewinkelt, sodass sich im Querschnitt des gekrümmten Versteifungsbauteils eine entsprechende Profilform ergibt. Eine derartige Profilform kann beispielsweise ein Z-, U- oder C-Profil sein.
Erfindungsgemäß sind der Außengurt sowie der Stegabschnitt des gekrümmten Versteifungsbauteils in Richtung des Innengurtes abschnittsweise durchtrennt, sodass sich über die gesamte Länge des gekrümmten Versteifungsbauteils eine Mehrzahl von Durchtrennungen ergeben. Dieses gekrümmte Versteifungsbauteil weist somit eine Mehrzahl von Durchtrennungen auf, wobei durch diese Durchtrennungen mehrere Biegeabschnitte ausgebildet werden, die über den Innengurt miteinander verbunden sind. Ein Biegeabschnitt wird somit zwischen zwei Durchtrennungen gebildet, wobei benachbarte Biegeabschnitte, die durch eine einzige Durchtrennung voneinander getrennt werden, zumindest über den Innengurt noch miteinander verbunden sind.
Benachbarte Biegeabschnitte sind dabei jeweils unter einem gewissen Winkel zueinander abgewinkelt, sodass das gekrümmte Versteifungsbauteil eben jene Krümmung bildet, die der Krümmung des gekrümmten Flächenbauteils entspricht. Durch das Abwinkeln der benachbarten Biegeabschnitte unter einem gewissen Winkel zueinander wird das gekrümmte Versteifungsbauteil abschnittsweise abgewinkelt bzw. gekrümmt, sodass sich später eine entsprechende Krümmung des gesamten Versteifungsbauteils einstellt. Diese so gebildete Krümmung des gekrümmten Versteifungsbauteils, die durch das Abwinkeln der benachbarten Biegeabschnitte zueinander entsteht, entspricht dabei der Krümmung des gekrümmten Flächenbauteils, sodass das gekrümmte Versteifungsbauteil und das gekrümmte Flächenbauteil unter Einhaltung gewisser Toleranzen gefügt werden kann.
Schließlich ist erfindungsgemäß an dem Stegabschnitt des gekrümmten Versteifungsbauteils eine Stegversteifung angeordnet, die sich entlang der Krümmung des gekrümmten Versteifungsbauteils erstreckt und die die abschnittsweisen Durchtrennungen im Stegabschnitt zumindest teilweise abdeckt, sodass durch die Stegversteifung ein Schubfeld in das gekrümmte Versteifungsbauteil eingebracht wird, wodurch das gekrümmte Versteifungsbauteil nach dem Fügeprozess der Stegversteifung eine höhere Stabilität erhält.
Die Stegversteifung kann dabei aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt sein, was sehr vorteilhaft ist, und stoffschlüssig mit dem Stegabschnitt des gekrümmten Versteifungsbauteils verbunden sein. Diese stoffschlüssige Verbindung kann beispielsweise durch Schweißen realisiert werden, wenn es sich bei dem Matrixmaterial des Faserverbundwerkstoffes, der für das gekrümmte Verstärkungsbauteil einerseits und der Stegversteifung andererseits verwendet wird, um ein thermoplastisches Matrixmaterial handelt, das unter Wärmezufuhr aufschmilzt und somit eine stoffschlüssige Verbindung mit dem jeweils anderen Bauteil eingehen kann.
Das gekrümmte Versteifungsbauteil wird dabei entweder über den Innengurt oder den Außengurt an dem gekrümmten Flächenbauteil angeordnet, um das gekrümmte Flächenbauteil entsprechend zu stabilisieren und zu versteifen.
Mit Hilfe der vorliegenden Erfindung wird es möglich, ein gekrümmtes Flächenbauteil mit einem gekrümmten Versteifungsbauteil so zu verstärken, dass zum einen das gekrümmte Versteifungsbauteil ohne großen Toleranzausgleich über den Innengurt bzw. Außengurt mit dem gekrümmten Flächenbauteil verbunden werden kann und gleichzeitig dennoch eine hohe Stabilität und Steifigkeit erreicht werden kann. Der geringe Toleranzausgleich wird durch die Durchtrennungen und das leichte Abwinkein der einzelnen Biegeabschnitte realisiert, was in der Herstellung einer solchen Bauteilstruktur besonders vorteilhaft ist, während die Stabilisierung dann durch die Stegversteifung in Form eines zusätzlichen Schubfeldes verbessert wird.
Erfindungsgemäß wird somit eine an sich biegeweiche erste Komponente (Innengurt, Stegabschnitt und Außengurt) mit einem nachträglich gefügten Schubfeld versteift, so dass der Biegeträger seine finale Steifigkeit erhält. Damit lässt sich die erste Komponente an dem gekrümmten Flächenbauteil spaltfrei verbinden, während die zweite Komponente (Stegversteifung) als nachträglich gefügtes Schubfeld die notwendige Stabilität und Steifigkeit des Biegeträgers herstellt.
Vorteilhafterweise sind der Innengurt und der Außengurt von dem Stegabschnitt unter einem Winkel von 90° abgewinkelt, so dass Innengurt bzw. Außengurt präzise an dem gekrümmten Flächenbauteil gefügt werden kann. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform werden die benachbarten Biegeabschnitte unter einem Winkel ≤ 3" zueinander abgewinkelt, was den Vorteil hat, dass auch ein bereits konsolidiertes Profil mit bereits abgewinkeltem Innengurt und Außengurt verwendet werden kann. Denn bei einer Abwinklung von weniger oder gleich 3° kann der konsolidierte Faserverbundwerkstoff im Bereich des Innengurtes noch abgewinkelt werden, ohne dass Werkstoffbeschädigungen entstehen.
Das Fasermaterial des Stegabschnittes weist vorzugweise eine Faserorientierung von ± 45° auf (wechselnd zwischen - 45° und + 45°), während die Stegversteifung aus mehreren Lagen Fasermaterial eines Faserverbundwerkstoffes hergestellt und eine Faserorientierung von 0° und 90° (ebenfalls abwechselnd) hat.
In einer vorteilhaften Ausführungsform werden einige oder alle abschnittsweisen Durchtrennungen in dem gekrümmten Versteifungsbauteil durch Aussparungen im Außengurt und Stegabschnitt gebildet, durch die dann an den gekrümmten Flächenbauteil angeordnete Versteifungselemente verlaufen. Die an dem gekrümmten Flächenbauteil angeordneten Versteifungselemente, beispielsweise Stringerversteifungen, verlaufen dabei in Krümmungslängsrichtung des gekrümmten Flächenbauteils und sind im Wesentlichen gerade verlaufend. Die Versteifungselemente erstrecken sich somit insbesondere koaxial zur Krümmungsachse der Krümmung des gekrümmten Flächenbauteils.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Stegversteifung aus einer Mehrzahl von vorgefertigten Stegversteifungssegmenten zusammengesetzt, wobei die einzelnen Stegversteifungssegmente jeweils mit benachbarten Stegversteifungssegmenten verbunden und an den Stegabschnitt insbesondere stoffschlüssig angeordnet sind. Die Verbindung der einzelnen Stegversteifungssegmente kann dabei über entsprechende form- oder kraftschlüssige Verschlüsse erfolgen, um so eine Krafteinleitung und Übertragung in Erstreckungsrichtung der Stegversteifung zu garantieren.
Gemäß Anspruch 8 wird ein Verfahren zur Herstellung einer Bauteilstruktur, bei der an einem gekrümmten Flächenbauteil wenigstens eine in Umfangsrichtung der Krümmung des gekrümmten Flächenbauteils verlaufendes gekrümmtes Versteifungsbauteil angeordnet ist, vorgeschlagen, wobei zunächst ein gekrümmtes Flächenbauteil bereitgestellt wird.
Es wird eine flächige Preform aus mehreren Lagen Fasermaterial eines Faserverbundwerkstoffes hergestellt, wobei an einer ersten Längsseite der flächigen Preform ein Innengurtabschnitt, an einer der ersten Längsseite gegenüberliegenden zweiten Längsseite der flächigen Preform ein Außengurtabschnitt und zwischen Innengurtabschnitt und Außengurtabschnitt ein Stegabschnitt vorgesehen ist. Die flächige Preform wird dabei aus Fasermaterial eines Faserverbundwerkstoffes hergestellt und kann nach dessen Herstellung insbesondere in konsolidierter Form vorliegen, d.h. das Matrixmaterial ist teilweise oder vollständig ausgehärtet.
Nach der Herstellung der Preform und ggf. nach dem Einbringen der Durchtrennungen wird nun der Innengurtabschnitt zur Bildung eines Innengurtes und der Außengurtabschnitt zur Bildung eines Außengurtes von dem Stegabschnitt abgewinkelt, so dass die Preform ihre entsprechende Profilform erhält. War die flächige Preform bereits konsolidiert, so ist es je nach Konsolidierungsgrad sehr vorteilhaft, wenn das Matrixmaterial im Biegebereich bei der Verwendung von thermoplastischen Kunststoffen aufgeschmolzen wird, um so ein Abwinkeln der Innengurtabschnitte und der Außengurtabschnitte zu ermöglichen. Mit anderen Worten, die Preform wird so hergestellt, dass der Innengurtabschnitt und der Außengurtabschnitt nach der Herstellung der Preform noch zur Bildung des Innengurtes und des Außengurtes abgewinkelt werden kann, was beispielsweise dadurch geschehen kann, dass bei einer konsolidierten Preform das Matrixmaterial erwärmt und plastisch verformbar gemacht wird oder dass die Preform im nicht konsolidierten Zustand abgewinkelt wird.
In die flächige oder abgewinkelte Preform werden abschnittsweise Durchtrennungen in den Außengurtabschnitt und den Stegabschnitt eingebracht, so dass mehrere Biegeabschnitte ausgebildet sind, die über den Innengurtabschnitt miteinander verbunden sind. Diese Durchtrennung können beispielsweise durch Schneiden eingebracht werden, beispielsweise durch Wasserstrahlschneiden. Am Ende des Schrittes des Einbringens der abschnittsweisen Durchtrennungen weist die flächige oder abgewinkelte Preform eine Mehrzahl von Durchtrennungen auf, die sich von dem Außengurtabschnitt in Richtung des Innengurtabschnitts erstrecken, jedoch den Innengurtabschnitt nicht tangieren. Die Durchtrennungen erstrecken sich insbesondere nicht in den Innengurtabschnitt.
Die Durchtrennungen können dabei in die bereits abgewinkelte Preform eingebracht werden. Vorteilhafter ist es jedoch, zunächst die flächige Preform aus mehreren Lagen Fasermaterial herzustellen und dann die entsprechenden Konturen auszuschneiden, wobei hierbei die Durchtrennungen abschnittsweise in die flächige Preform eingebracht werden können. Anschließend werden dann der Innengurtabschnitt und der Außengurtabschnitt entsprechend abgewinkelt. Die Reihenfolge dieser beiden Prozessschnitte ist somit variabel.
Anschließend werden benachbarte Biegeabschnitte jeweils unter einem gewissen Winkel zueinander abgewinkelt, so dass ein gekrümmtes Versteifungsbauteil mit einer Krümmung gebildet wird. Das Abwinkeln der einzelnen Biegeabschnitte erfolgt dabei durch Abwinkeln in Bezug auf den Innengurtabschnitt bzw. des Innengurtes, was wiederum vorteilhafterweise mit der Erwärmung des thermoplastischen Matrixmaterials, sofern ein solches verwendet wurde, im Bereich der Abwinklung einhergehen kann.
Nach dem Abwinkeln der benachbarten Biegeabschnitte weist das gekrümmte Versteifungsbauteil eine Krümmung auf, die der Krümmung des gekrümmten Flächenbauteils im Wesentlichen entspricht, so dass das gekrümmte Versteifungsbauteil an dem gekrümmten Flächenbauteil angeordnet werden kann, so dass dieses in Umfangsrichtung der Krümmung des gekrümmten Flächenbauteils verläuft. Die Krümmung des gekrümmten Versteifungsbauteils muss dabei nicht exakt die Krümmung des gekrümmten Flächenbauteils haben, sondern es ist ausreichend, wenn das gekrümmte Versteifungsbauteil eine Krümmung aufweist, die im Wesentlichen der Krümmung des gekrümmten Flächenbauteils entspricht, wobei während der Anordnung des gekrümmten Versteifungsbauteils an dem Flächenbauteil noch Ausgleichsarbeiten zur Spaltenminimierung vorgenommen werden können.
Das Anordnen des gekrümmten Versteifungsbauteils an dem Flächenbauteil kann dabei durch eine stoffschlüssige Verbindung erfolgen, beispielsweise mithilfe von Schweißen.
Vor dem Anordnen oder nach dem Anordnen des Versteifungsbauteils an dem Flächenbauteil wird eine Stegversteifung an dem Stegabschnitt des gekrümmten Versteifungsbauteils derart angeordnet, dass die abschnittsweisen Durchtrennungen im Stegabschnitt zumindest teilweise abgedeckt werden. Eine solche Stegversteifung wird hierfür zunächst bereitgestellt, wobei eine derartige Stegversteifung sich längs des gekrümmten Versteifungsbauteils erstreckt und der Krümmung folgt, so dass die Stegversteifung eine Krümmung aufweist, die der Krümmung des gekrümmten Versteifungsbauteils bzw. des gekrümmten Flächenbauteils entspricht.
Die Stegversteifung kann dabei ebenfalls aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt worden sein, wobei es vorteilhaft ist, wenn die Stegversteifung als Preform zunächst aus mehreren Lagen Fasermaterial eines Faserverbundwerkstoffes hergestellt wird und anschließend konsolidiert wird. Das Anordnen der Stegversteifung an dem gekrümmten Versteifungsbauteil erfolgt dann durch stoffschlüssige Verbindung, wie beispielsweise Schweißen.
Vorteilhafterweise werden die benachbarten Biegeabschnitte mittels Rollformeln abgewinkelt.
Die abschnittsweisen Durchtrennungen können vorteilhafterweise durch Schneiden einer Aussparung mit einer Kontur, die der Kontur von an dem gekrümmten Flächenbauteil angeordneten Versteifungselementen entspricht, eingebracht werden, so dass das gekrümmte Versteifungsbauteil so an dem Flächenbauteil angeordnet werden kann, dass bereits an dem Flächenbauteil angeordnete und längs der Krümmung verlaufende Versteifungselemente (beispielsweise Stringer) durch das Versteifungsbauteil hindurchlaufen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Stegversteifung eine Mehrzahl von insbesondere konsolidierten Stegversteifungssegmenten auf, wobei die Stegversteifung dann mithilfe der Stegversteifungssegmenten zusammengesetzt wird, indem jeweils benachbarte Stegversteifungssegmente verbunden und an dem Stegabschnitt angeordnet werden. Die Stegversteifungssegmente können Verschlüsse an ihren Enden aufweisen, um jeweils benachbarte Stegversteifungssegmente entsprechend form- und/oder kraftschlüssig verbinden zu können.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

1 - Schematische Darstellung der Herstellung einer erfindungsgemäßen Bauteilstruktur;
2 - Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bauteilstruktur.

1 zeigt in vier Schritten die Herstellung der erfindungsgemäßen Bauteilstruktur 100, wie sie im letzten Schritt d) gezeigt ist.
Im oberen Schritt a) wird zunächst eine flächige Faserpreform 110 hergestellt, indem ein Fasermaterial eines Faserverbundwerkstoffes lagenweise abgelegt wird. Vorzugsweise wird die Faserorientierung in jeder Lage geändert, so dass sich beispielsweise abwechselnd + 45° Faserorientierung und in der nächsten Lage - 45° Faserorientierung abwechseln. Im Ausführungsbeispiel der 1 wird dabei ein Fasermaterial abgelegt, bei dem bereits das thermoplastische Matrixmaterial infiltriert ist. Derartige Fasermaterialien werden auch als Prepregs bezeichnet.
Nachdem die Faserpreform 110 durch lagenweises Ablegen des vorimprägnierten Fasermaterials hergestellt wurde, wird das in dem Fasermaterial enthaltene Matrixmaterial konsolidiert, d.h. zumindest teilweise so ausgehärtet, dass es seine spätere Bauteilform plastisch nicht mehr verändert. Ist die Preform 110 vollständig konsolidiert, spricht man auch von ausgehärtet.
Anschließend wird mithilfe einer Schneidvorrichtung die Kontur 120 der Faserpreform 110 ausgeschnitten, um eine Art Preformrohling zu erhalten. Das Ausschneiden der Kontur 120 kann dabei beispielsweise mittels Wasserstrahl oder anderen Schneidvorrichtungen erfolgen.
Die Preform 110 wird dabei mit einer Kontur 120 derart ausgeschnitten, dass sich abschnittsweise Aussparungen 130 ergeben, in denen kein Fasermaterial vorhanden ist. Die Aussparungen dienen dabei nachträglich dazu, die an dem Flächenbauteil, wie später noch gezeigt, angeordneten längsverlaufenden Versteifungselemente aufzunehmen.
Die Aussparungen 130 werden dabei von einem vorgesehenen Außengurtabschnitt 140 durch einen vorgesehenen Stegabschnitt 150 in Richtung eines Innengurtabschnitts 160 erzeugt, ohne jedoch in den Innengurtabschnitt 160 einzuschneiden. Der Innengurtabschnitt 160 wird nicht eingeschnitten.
Zwischen den Aussparungen 130 werden somit Biegeabschnitte 170 gebildet, die jeweils separate Außengurtabschnitte 140 und separate Stegabschnitte 150 aufweisen und über den gemeinsamen Innengurtabschnitt 160 miteinander verbunden sind.
Zusätzlich zu den Aussparungen 130 ist es denkbar, weitere durch Trennungen außer den Aussparungen 130 vorzusehen, um beispielsweise die Ausdehnung der Biegeabschnitte 170 zu verkleinern und somit feingradigere Krümmungsverläufe zu erzeugen.
Nachdem die Preform 110 mit ihrer Kontur 120 und den Aussparungen 130 hergestellt wurde, wird sie in Schritt b) umgeformt, um durch Abwinkeln des Außengurtabschnittes 140 den Außengurt 180 und durch Abwinkeln des Innengurtabschnittes 160 den Innengurt 190 auszubilden. Im Ausführungsbeispiel der 1 ist, wie im Querschnitt zu erkennen ist, ein abgewinkeltes Z-Profil das Resultat.
Da die Preform 110 im ersten Schritt bereits konsolidiert und zumindest teilweise ausgehärtet wurde, muss vor dem Abwinkeln im Schritt b) das Matrixmaterial in einen Zustand gebracht werden, in den es plastisch verformbar ist. Bei einem thermoplastischen Matrixmaterial geschieht dies durch Wärmeintrag, wodurch die Preform 110 plastisch verformbar wird und die entsprechenden Abschnitte umgeformt und der Außengurtabschnitt 180 und der Innengurtabschnitt 190 abgewinkelt werden können. Werden indes jedoch anstelle von thermoplastischen Matrixmaterialien duroplastische Matrixmaterialien verwendet, so muss das Abwinkeln der Gurtabschnitte vor der Konsolidierung der Preform erfolgen, da später eine plastische Verformbarkeit auch durch Wärmeeintrag nicht mehr gegeben ist.
Wurden der Außengurt 180 und der Innengurt 190 in Schritt b) entsprechend abgewinkelt, was beispielsweise durch Rollformen erfolgen kann, wird im Schritt c) die Krümmung in die Preform 110 eingebracht, um so das gekrümmte Flächenbauteil 200 zu erzeugen. Hierfür werden benachbarte Biegeabschnitte 170 in ihrem Verbindungsbereich 210, der durch die Verbindung benachbarter Biegeabschnitte 170 mittels des Innengurtes 190 gebildet wird, unter einem gewissen Winkel abgewinkelt, wobei dieser Winkel vorzugweise nicht größer als 3° ist. Hierfür ist es denkbar, dass die Verbindungsbereiche 210 erwärmt werden, um so eine plastische Verformbarkeit des Materials zu realisieren. Werden durch die Aussparungen 130 insgesamt 60 Biegeabschnitte 170 gebildet und werden diese Biegeabschnitte 170 jeweils zu ihren benachbarten Biegeabschnitten um 3° abgewinkelt, so ergibt sich eine 180°-Halbschale, wie sie häufig bei der Herstellung von Flugzeugrumpfteilen Anwendung findet.
Vorzugweise werden die Biegeabschnitte 170 unter einem Winkel zu benachbarten Biegeabschnitten 170 so abgewinkelt, dass sich insgesamt eine Krümmung des gekrümmten Flächenbauteils 200 einstellt, die einer Krümmung eines gekrümmten Flächenbauteils 300, beispielsweise einer dünnen Rumpfhaut entspricht. So kann ohne weitere Anpassungen dann im nächsten Schritt d) das gekrümmte Versteifungsbauteil 200 über den Außengurt 180 an die Innenseite eines gekrümmten Flächenbauteils 300 gefügt werden, so dass die Bauteilstruktur 100 hergestellt wird. Hierbei wird der Außengurt 180 eines jeden Biegeabschnittes 170 mit dem gekrümmten Flächenbauteil 300 beispielsweise verschweißt, wodurch der gesamte Außengurt 81 eine stoffschlüssige Verbindung mit der Innenseite des gekrümmten Flächenbauteils 300 eingeht.
Da das gekrümmte Versteifungsbauteil 200 in einem gewissen Grad noch biegeflexibel ist, kann ein Toleranzausgleich an den Fügestellen, an denen das gekrümmte Versteifungsbauteil 200 mittels des Außengurtes 180 an dem gekrümmten Flächenbauteil 300 angeordnet ist, hergestellt werden, so dass das gekrümmte Versteifungsbauteil 200 präziser an das gekrümmte Flächenbauteil 300 angeordnet werden kann.
Anschließend wird, wie im Schritt d) noch gezeigt ist, eine Stegversteifung 220 auf den Stegabschnitt 150 des gekrümmten Versteifungsbauteils 200 angeordnet und mit diesem stoffschlüssig gefügt, wodurch dem gekrümmten Versteifungsbauteil 200 ein zusätzliches Schubfeld gegeben wird, um Kraftbeanspruchungen in Richtung Krümmungsradius (radial zur Krümmung) aufnehmen zu können. Dieses zusätzliche Schubfeld in Form einer Stegversteifung 220 ist dabei ebenfalls aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt und weist dabei einen mehrlagigen Faseraufbau auf, wobei sich hier vorzugsweise Faserorientierungen von 0° und 90° abwechseln. Die Faserorientierung von 0° entspricht dabei einer Faserorientierung in Erstreckungsrichtung der Stegversteifung 220.
Das stoffschlüssige Fügen der Stegversteifung 220 mit dem Stegabschnitt 150 kann beispielsweise durch Schweißen erfolgen, wenn entsprechende thermoplastische Matrixmaterialien verwendet wurden. Werden duroplastische Matrixmaterialien verwendet, kann die Stegversteifung 220 auch auf dem Stegabschnitt 150 aufgeklebt werden.
Dabei deckt die Stegversteifung 220 die Aussparungen 130 im Stegabschnitt 150 zumindest teilweise ab, wodurch ein weiteres Abwinkeln der Biegeabschnitte 170 durch eine Kraftbeanspruchung auf das Bauteil 100 vermieden und dem entgegengewirkt wird.
Durch die geometrische Entkopplung von Schubfeld 220 und Stegabschnitt 150 verfügt der Spant während der Montage über die notwendige Flexibilität, um ohne lokale Anpassung montiert werden zu können. Das abschließende Fügen des Schubfeldes 220 in Form der Stegversteifung ist dabei ebenfalls recht einfach, da lediglich zwei ebene Bauteile mit großen geometrischen Freiheitsgraden gefügt werden müssen. Die Herstellung des Schubfeldes kann im einfachsten Fall als ebener Kreisringabschnitt erfolgen oder es können grade Paneele oder Profile abschnittsweise aufgebracht und verbunden werden.
Ein Beispiel für eine abschnittsweise Aufbringung des Schubfeldes 220 ist in 2 dargestellt. Die Stegversteifung 220 weist dabei eine Mehrzahl von Stegversteifungssegmenten 230 auf, die jeweils an ihren Enden zusammengesetzt werden, um die Stegversteifung 220 zu bilden. Hierbei ist es denkbar, dass an den Enden der einzelnen Stegversteifungssegmente 230 Verschlüsse angeordnet sind, um so zusammengesetzte Stegversteifungssegmente form- und kraftschlüssig verbinden zu können. Ein solcher Verschluss kann z.B. ein sogenannter Puzzleverschluss sein.
Bezugszeichenliste

100 -: Bauteilstruktur
110 -: Preform
120 -: Kontur
130 -: Aussparungen/abschnittsweise durch Trennungen
140 -: Außengurtabschnitt
150 -: Stegabschnitt
160 -: Innengurtabschnitt
170 -: Biegeabschnitte
180 -: Außengurt
190 -: Innengurt
200 -: gekrümmtes Versteifungsbauteil
210 -: Verbindungsbereiche
220 -: Stegversteifung
230 -: Stegversteifungssegmente
300 -: gekrümmtes Flächenbauteil

Claims

Bauteilstruktur (100) mit wenigstens einem gekrümmten Flächenbauteil (300), an dem wenigstens ein in Umfangsrichtung der Krümmung des gekrümmten Flächenbauteils (300) verlaufendes gekrümmtes Versteifungsbauteil (200) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das gekrümmte Versteifungsbauteil (200) aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt ist und einen Innengurt (190) und einen Außengurt (180) hat, zwischen denen ein Stegabschnitt (150) ausgebildet ist, von dem der Innengurt (190) und der Außengurt (180) unter einem gewissen Winkel abgewinkelt sind, wobei der Außengurt (180) und der Stegabschnitt (150) des gekrümmten Versteifungsbauteils (200) in Richtung des Innengurtes (190) abschnittsweise durchtrennt sind, sodass mehrere Biegeabschnitte (170) ausgebildet sind, die über den Innengurt (190) miteinander verbunden sind, wobei benachbarte Biegeabschnitte (170) jeweils unter einem gewissen Winkel zueinander abgewinkelt sind, sodass das gekrümmte Versteifungsbauteil (200) eine Krümmung bildet, die der Krümmung des gekrümmten Flächenbauteils (300) entspricht, und wobei an dem Stegabschnitt (150) eine Stegversteifung (220) angeordnet ist, welche die abschnittsweisen Durchtrennungen (130) im Stegabschnitt (150) zumindest teilweise abdeckt.
Bauteilstruktur (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stegversteifung (220) aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt ist und stoffschlüssig mit dem Stegabschnitt (150) des gekrümmten Versteifungsbauteils (200) verbunden ist.
Bauteilstruktur (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass einige oder alle abschnittsweisen Durchtrennungen (130) in dem gekrümmten Versteifungsbauteil (200) durch Aussparungen (130) im Außengurt (180) und Stegabschnitt (150) gebildet werden, durch die an dem gekrümmten Flächenbauteil (300) angeordnete Versteifungselemente verlaufen.
Bauteilstruktur (100) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die an dem gekrümmten Flächenbauteil (300) angeordneten Versteifungselemente in Krümmungslängsrichtung der Krümmung des gekrümmten Flächenbauteils (300) verlaufen.
Bauteilstruktur (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stegversteifung (220) aus einer Mehrzahl von Stegversteifungssegmenten (230) zusammengesetzt ist, die jeweils mit benachbarten Stegversteifungssegmenten (230) verbunden und an dem Stegabschnitt (150) angeordnet sind.
Bauteilstruktur (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das gekrümmte Versteifungsbauteil (200) stoffschlüssig über den Außengurt (180) oder den Innengurt (190) an dem gekrümmten Flächenbauteil (300) angeordnet ist.
Bauteilstruktur (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteilstruktur (100) Teil einer Flugzeugrumpfstruktur ist, wobei das gekrümmte Flächenbauteil (300) Teil der Außenhaut der Flugzeugstruktur und das gekrümmte Versteifungsbauteil (200) ein Rumpfspant ist.
Verfahren zur Herstellung einer Bauteilstruktur (100), bei der an einem gekrümmten Flächenbauteil (300) wenigstens ein in Umfangsrichtung der Krümmung des gekrümmten Flächenbauteils (300) verlaufendes gekrümmtes Versteifungsbauteil (200) angeordnet ist, mit den Schritten: - Bereitstellen eines gekrümmten Flächenbauteils (300); - Herstellen einer flächigen Preform aus mehreren Lagen Fasermaterial eines Faserverbundwerkstoffes, wobei an einer ersten Längsseite der flächigen Preform ein Innengurtabschnitt (160), an einer der ersten Längsseite gegenüberliegenden zweiten Längsseite der flächigen Preform ein Außengurtabschnitt (140) und zwischen Innengurtabschnitt (160) und Außengurtabschnitt (140) ein Stegabschnitt (150) vorgesehen ist; - Abwinkeln des Innengurtabschnittes (160) zur Bildung eines Innengurtes (190) und Abwinkeln des Außengurtabschnittes (140) zur Bildung eines Außengurtes (180), wobei zwischen Innengurt (190) und Außengurt (180) der Stegabschnitt (150) ausgebildet wird; - Einbringen von abschnittsweisen Durchtrennungen (130) in den Außengurtabschnitt (140) und den Stegabschnitt (150) der flächigen oder abgewinkelten Preform, sodass mehrere Biegeabschnitte (170) ausgebildet sind, die über den Innengurtabschnitt (160) miteinander verbunden sind; - Abwinkeln benachbarter Biegeabschnitte (170) jeweils unter einem gewissen Winkel zueinander, so dass ein gekrümmtes Versteifungsbauteil (200) mit einer Krümmung gebildet wird; - Anordnen des gekrümmten Versteifungsbauteils (200) an dem gekrümmten Flächenbauteil (300), so dass dieses in Umfangsrichtung der Krümmung des gekrümmten Flächenbauteils (300) verläuft; und - Anordnen einer Stegversteifung (220) an dem Stegabschnitt (150) des gekrümmten Versteifungsbauteil (200) derart, dass die abschnittsweisen Durchtrennungen (130) im Stegabschnitt (150) zumindest teilweise abgedeckt werden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die benachbarten Biegeabschnitte (170) mittels Rollformen abgewinkelt werden.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Stegversteifung (220) stoffschlüssig mit dem Stegabschnitt (150) des gekrümmten Versteifungsbauteils (200) gefügt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die abschnittsweisen Durchtrennungen (130) jeweils durch Schneiden einer Aussparung mit einer Kontur (120), die der Kontur (120) von an dem gekrümmten Flächenbauteil (300) angeordneten Versteifungselementen entspricht, eingebracht werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Stegversteifung (220) aus einer Mehrzahl von Stegversteifungssegmenten (230) zusammengesetzt wird, die jeweils mit benachbarten Stegversteifungssegmenten (230) verbunden und an dem Stegabschnitt (150)angeordnet werden.