DE102016210086A1 - Verfahren zum Herstellen eines Strukturbauteils für ein Luft- oder Raumfahrzeug, sowie Anordnung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Strukturbauteils für ein Luftoder Raumfahrzeug. Hierbei weist das Strukturbauteil eine Innenseite und eine Außenseite, einen Hautabschnitt und eine innenseitige, mit dem Hautabschnitt verbundene Struktur zur Versteifung, Verstärkung oder Lasteinleitung auf. Ein Hautelement zur Bildung des Hautabschnitts und mindestens ein Element der innenseitigen Struktur werden jeweils mit einem Faserverbundmaterial mit einer thermoplastischen Kunststoffmatrix ausgebildet. Das Element der innenseitigen Struktur wird mit dem Hautelement zumindest abschnittsweise verschweißt, während das Hautelement in einem in einem vorangehenden Schritt für eine Formgebung des Hautelements verwendeten Werkzeugteil verbleibt. Die Erfindung bezieht sich ferner auf eine Anordnung für die Herstellung eines Strukturbauteils für ein Luft- oder Raumfahrzeug.

Description

• GEBIET DER ERFINDUNG
• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum Herstellen eines Strukturbauteils für ein Luft- oder Raumfahrzeug, insbesondere für ein Flugzeug.
• TECHNISCHER HINTERGRUND
• Wenngleich die vorliegende Erfindung auf vielerlei Bauteile und insbesondere strukturelle Verbundbauteile auf vielen Gebieten der Technik anwendbar ist, sollen die vorliegende Erfindung und die ihr zu Grunde liegende Problematik nachfolgend am Beispiel der Herstellung einer Rumpfschale für eine Flugzeugstruktur näher beschrieben werden.
• In der WO 2011/120717 A1 beispielsweise wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines faserverstärkten thermoplastischen Verbundmaterials beschrieben, wobei Bauteilkomponenten kontinuierlich in einer Vorschubrichtung bewegt werden. Ein Verbinden der Bauteilkomponenten erfolgt abschnittsweise über einen Pressstempel, der in Vorschubrichtung und in Gegenrichtung verfahrbar ist.
• Mit einem weiteren Verfahren zur Herstellung eines Flugzeugstrukturbauteils aus einem Verbundmaterial mit einer Matrix aus einem thermoplastischen Kunststoffmaterial befasst sich die DE 10 2010 050 740 B4 , wobei die Verwendung von Presswerkzeugen beschrieben wird.
• Gerade bei der Verbindung einer größeren Zahl von Bauelementen im Zuge der Fertigung größerer Baugruppen, etwa für Luft- oder Raumfahrzeuge, hat es sich als relativ aufwändig herausgestellt, die aus der individuellen Fertigung der einzelnen Bauelemente resultierenden Fertigungstoleranzen in angemessener Weise zu berücksichtigen. Dies trifft häufig insbesondere auch auf die Integration von Einzelelementen aus Faserverbundmaterialien zu.
• ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
• Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, die Herstellung eines Strukturbauteils für ein Luft- oder Raumfahrzeug weiter zu vereinfachen und zu verbessern und insbesondere bei der Verbindung einzelner Elemente eines derartigen Strukturbauteils einen deutlich einfacheren und dennoch zuverlässigen Toleranzausgleich zu ermöglichen.
• Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und/oder durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 14 gelöst.
• Es wird ein Verfahren zum Herstellen eines Strukturbauteils, welches für ein Luft- oder Raumfahrzeug vorgesehen ist und eine Innenseite, eine Außenseite, einen Hautabschnitt und eine innenseitige, mit dem Hautabschnitt verbundene Struktur zur Versteifung, Verstärkung oder Lasteinleitung aufweist, vorgeschlagen. Hierbei wird ein Hautelement zur Bildung des Hautabschnitts und mindestens ein Element der innenseitigen Struktur jeweils mit einem Faserverbundmaterial mit einer thermoplastischen Kunststoffmatrix ausgebildet. Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird das Element der innenseitigen Struktur mit dem Hautelement zumindest abschnittsweise verschweißt, während das Hautelement in einem in einem vorangehenden Schritt für eine Formgebung des Hautelements verwendeten Werkzeugteil verbleibt.
• Ferner wird eine Anordnung für die Herstellung eines Strukturbauteils für ein Luft- oder Raumfahrzeug vorgeschlagen, wobei das herzustellende Strukturbauteil eine Innenseite und eine Außenseite, einen Hautabschnitt und eine innenseitige, mit dem Hautabschnitt verbundene Struktur zur Versteifung, Verstärkung oder Lasteinleitung aufweist. Die vorgeschlagene Anordnung weist folgendes auf:
• – ein Werkzeugteil, welches für eine Formgebung eines mit einem Faserverbundmaterial mit einer thermoplastischen Kunststoffmatrix ausgebildeten Hautelements zur Bildung des Hautabschnitts eingerichtet ist und als ein Teil eines Pressformwerkzeugs zum Pressformen des Hautelements in einem Stück unter der Einwirkung von Druck und erhöhter Temperatur ausgebildet ist;
• – eine relativ zu dem Werkzeugteil bewegbare Montageeinrichtung zum Aufnehmen und/oder Aufspannen und zum Positionieren mindestens eines mit einem Faserverbundmaterial mit einer thermoplastischen Kunststoffmatrix ausgebildeten Elements der innenseitigen Struktur; und
• – eine Schweißeinrichtung zum zumindest abschnittsweisen Verschweißen des Elements der innenseitigen Struktur mit dem Hautelement.
• Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere mittels der erfindungsgemäßen Anordnung durchgeführt werden.
• Vorgeschlagen wird ferner ein Strukturbauteil für ein Luft- oder Raumfahrzeug, hergestellt mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens und/oder mittels der erfindungsgemäßen Anordnung.
• Eine der Erfindung zu Grunde liegende Idee besteht darin, dass die Herstellung eines Strukturbauteils, in dem mit thermoplastischen Faserverbundmaterialien gebildete Elemente zu einem Gesamtbauteil verbunden werden sollen, weiter vereinfacht und die Kosten für die Herstellung weiter gesenkt werden können, wenn das Hautelement und das Element der innenseitigen Struktur jeweils als ein thermoplastisches Faserverbundelement ausgebildet und durch Verschweißen direkt in jenem Werkzeugteil, das bereits zur Formgebung des Hautelements benutzt wurde, miteinander fest verbunden werden. Bei dem Verschweißen direkt in dem für das Hautelement formgebenden Werkzeugteil kann ein zweckmäßiger Toleranzausgleich ermöglicht werden, auch wenn das Element der innenseitigen Struktur und das Hautelement jeweils bereits fertig konsolidiert sind. Auf diese Weise können die einzelnen zu verbindenden Stücke mit hoher Qualität voneinander getrennt rationell gefertigt und sodann effizient zum Strukturbauteil verbunden werden. Gerade auf dem Gebiet der Luft- und Raumfahrt, auf dem einerseits zuverlässige und qualitativ hochwertige, andererseits auch leichtgewichtige Bauteile benötigt werden, kann die Erfindung von Vorteil sein.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung.
• In einer Ausgestaltung wird als das Werkzeugteil ein weibliches Werkzeugteil eines zur Konsolidierung des Hautelements verwendeten Pressformwerkzeugs verwendet. Vorteilhaft befindet sich das Hautelement nach dessen Konsolidierung in dem weiblichen Werkzeugteil, ist in diesem aufgenommen und unterstützt, und muss für die nachfolgende Integration von Elementen der innenseitigen Struktur durch Anschweißen nicht entnommen und gehandhabt werden. Es wird somit eine Reduzierung des Fertigungsaufwands möglich.
• In einer weiteren Ausgestaltung erfolgt bei dem Verschweißen eine zumindest bereichsweise plastische Anpassung des Elements der innenseitigen Struktur an das Hautelement, insbesondere zum Ausgleich von Fertigungstoleranzen des Elements der innenseitigen Struktur und/oder des Hautelements. Auf diese Weise gelingt ein vorteilhafter Toleranzausgleich durch Anpassung des Elements der innenseitigen Struktur, während das Hautelement in dem zuvor zur Formgebung genutzten Werkzeugteil unterstützt wird und die Zielgeometrie des Hautabschnitts nicht beinträchtigt wird.
• In einer Ausgestaltung erfolgt das Verschweißen induktiv oder mittels Ultraschall oder mittels eines Lasers oder oder durch Oberflächenkontakt mit einem erwärmten Körper. Als erwärmter Körper wird insbesondere ein starres Druckstück, zum Beispiel nach Art eines beheizten Metallstempels, oder ein mit einem erhitzten Fluid gefülltes Kissen oder ein beheiztes Polymerkissen oder eine beheizte Rolle verwendet. In entsprechenden Ausgestaltungen der Anordnung ist die Schweißeinrichtung mit einer Induktionseinrichtung oder einer Ultraschalleinrichtung oder mit einem Laser oder einer Einrichtung zum Führen und/oder Fokussieren eines Laserstrahls ausgebildet, oder die Schweißeinrichtung ist mit einem beheizbaren starren Druckstück oder mit einem fluidgefüllten Hohlraum oder mit einem beheizbaren Polymerkissen oder mit einer beheizbaren Rolle ausgebildet. In einer Ausgestaltung kann die Erwärmung des erwärmten Körpers somit mittels eines erhitzten Fluids erfolgen, es kann jedoch stattdessen vorgesehen sein, dass der erwärmte Körper elektrisch beheizt wird.
• In einer Ausgestaltung beinhaltet das Verschweißen ferner ein zumindest bereichsweises Kühlen des Elements der innenseitigen Struktur. Auf diese Weise kann das Abkühlen und Wiederverfestigen der thermoplastischen Kunststoffmatrix bei dem thermoplastischen Verschweißvorgang noch besser gesteuert werden, wodurch eine noch bessere Qualität der Schweißverbindung ermöglicht werden kann. Zudem kann vorteilhaft bei Bedarf ein Erweichen oder Aufschmelzen von Bereichen des Elements der innenseitigen Struktur, in denen ein Erweichen oder Aufschmelzen unerwünscht ist, vermieden werden. In einer entsprechenden Ausgestaltung der Anordnung beinhaltet die Montageinrichtung hierfür eine Kühleinrichtung, wobei insbesondere Kühlkanäle in der Montageeinrichtung vorgesehen sein können, die mit einem Kühlungsfluid durchströmt werden können.
• In einer Ausgestaltung wird während des Verschweißens zumindest auf einen Bereich des Elements der innenseitigen Struktur ein Druck ausgeübt. Der Druck wird hierbei
• – mittels eines starren Druckstücks und einer geeigneten Kinematik zur Bewegung des starren Druckstücks oder eines elastischen Bauteils zur Bereitstellung einer elastischen Bewegbarkeit des starren Druckstücks, oder
• – mittels eines fluidgefüllten und zumindest abschnittsweise verformbaren Kissens, oder
• – mittels eines elastisch verformbaren Polymerkissens, oder
• – mittels einer drehbaren Rolle
auf den Bereich des Elements der innenseitigen Struktur ausgeübt. Auf diese Weise kann wirkungsvoll Druck, im Falle eines gekrümmten Hautelements insbesondere auch radial, d.h. normal zu den Haupterstreckungsrichtungen des Hautelements, ausgeübt werden, um eine hochwertige und zuverlässige thermoplastische Schweißverbindung zu erreichen.
• In Ausgestaltungen kann die Schweißeinrichtung in die Montageeinrichtung integriert oder alternativ separat bereitgestellt sein.
• In einer Ausgestaltung erfolgt das Verschweißen unter Verwendung einer Montageeinrichtung, welche einen wechselbaren Einsatz oder mehrere wechselbare Einsätze zur Aufnahme eines Elements oder mehrerer Elemente der innenseitigen Struktur aufweist. Auf diese Weise kann zum Beispiel die Montageeinrichtung zweckmäßig mit einer Basiskomponente, die als Träger für die Einsätze dient, und mit den je nach Geometrie der anzuschweißenden Elemente für die innenseitige Struktur auswechselbaren, angepassten Einsätzen ausgeführt werden. Insbesondere kann bzw. können hierbei in Weiterbildungen eine Schweißeinrichtung oder mehrere Schweißeinrichtungen in die Basiskomponente oder in den Einsatz bzw. die Einsätze integriert werden. Die Montageeinrichtung ist somit besonders flexibel und vielseitig einsetzbar, was sich auch vorteilhaft auf die Herstellkosten für das Strukturbauteil auswirken kann.
• In einer Weiterbildung kann der Einsatz bei Bedarf als ein geteilter Einsatz ausgebildet sein.
• In einer Ausgestaltung ist die Schweißeinrichtung als Bestandteil einer lokalen, adaptiven Schweiß- und Druckaufbringungseinheit ausgebildet.
• Bei einer Weiterbildung erfolgt das Verschweißen unter Verwendung einer Montageeinrichtung, welche eine oder mehrere lokale, adaptive Schweiß- und Druckaufbringungseinheit(en), insbesondere mehrere lokale, adaptive Schweiß- und Druckaufbringungseinheiten für ein Verschweißen des Elements mit dem Hautelement in mehreren Bereichen des Elements der innenseitigen Struktur, aufweist.
• In einer Ausgestaltung kann zum zumindest abschnittsweisen Verschweißen des Elements der innenseitigen Struktur mit dem Hautelement das Element der innenseitigen Struktur abschnittsweise erwärmt werden, bevor das Element der innenseitigen Struktur mit dem Hautelement in Kontakt gebracht wird, beispielsweise mittels Infrarotstrahlung. Ein derartiges Vorgehen kann zu einer Vereinfachung des Aufbaus der Montageeinrichtung beitragen. Bei einer derartigen Ausgestaltung wird das Element der innenseitigen Struktur nach dem abschnittsweisen Erwärmen unter Druck gegen das Hautelement zur Anlage gebracht.
• In einer Ausgestaltung ist die innenseitige Struktur eine Hinterbaustruktur für den Hautabschnitt, wobei bei dieser Ausgestaltung als das Element der innenseitigen Struktur ein Stringer oder ein Spant mit dem Hautelement zumindest abschnittsweise verschweißt wird. Somit gelingt eine Integration von Hautabschnitt, Stringern und/oder Spanten mit vorteilhaftem Toleranzausgleich und der Möglichkeit, ein kostengünstigeres Strukturbauteil zu erzielen.
• In einer weiteren Ausgestaltung werden eine Mehrzahl von Elementen der innenseitigen Struktur in einem Schritt mit dem Hautelement verschweißt. Dies kann vorteilhaft dazu beitragen, den für die Herstellung des Strukturbauteils erforderlichen Zeitaufwand zu reduzieren. In einer Ausgestaltung der Anordnung kann die Montageeinrichtung zum Aufnehmen und/oder Aufspannen und zum Positionieren der Mehrzahl von Elementen der innenseitigen Struktur ausgebildet sein.
• Gemäß einer Weiterbildung werden eine Mehrzahl von Stringern als Elemente der innenseitigen Struktur in einem Schritt mit dem Hautelement verschweißt. Insbesondere bei Stringern, die häufig gleichartig und in größerer Anzahl an einem Hautelement zu befestigen sind, kann sich der in einem Schritt gleichzeitig erfolgende Verschweißvorgang besonders günstig und kostensparend auswirken. In einer analogen Ausgestaltung der Anordnung ist die Montageeinrichtung zum Aufnehmen und/oder Aufspannen und zum Positionieren der Mehrzahl von Stringern ausgebildet.
• In einer alternativen Weiterbildung werden mehrere Stringer sukzessive als Elemente der innenseitigen Struktur in aufeinanderfolgenden Schritten mit dem Hautelement verschweißt. Insbesondere kann hierzu eine Montageanordnung, die nur zur Aufnahme und/oder zum Aufspannen und Positionieren eines einzelnen Stringers ausgebildet ist, genutzt werden, um den Stringer an das Hautelement anzulegen.
• In einer weiteren Weiterbildung werden eine Mehrzahl von Spanten als Elemente der innenseitigen Struktur in einem Schritt mit dem Hautelement verschweißt. Auch im Falle der Spanten kann eine Zeitersparnis erzielt werden. In einer analogen Ausgestaltung der Anordnung ist die Montageeinrichtung zum Aufnehmen und/oder Aufspannen und zum Positionieren der Mehrzahl von Spanten ausgebildet.
• In einer alternativen Weiterbildung werden mehrere Spanten sukzessive als Elemente der innenseitigen Struktur in aufeinanderfolgenden Schritten mit dem Hautelement verschweißt. Das Anschweißen der Spante kann somit beispielsweise mittels einer flexibler einsetzbaren Montageeinrichtung, die nur zur Aufnahme oder zum Aufspannen eines der Spanten ausgebildet ist, und vorzugsweise einer Handhabungsvorrichtung zum Bewegen der Montageeinrichtung und zum Anpressen des Spants an das Hautelement, erfolgen.
• Bei einer weiteren Ausgestaltung werden nach dem Verschweißen einer Mehrzahl von Stringern mehrere Spanten mit dem Hautelement verschweißt. Hierbei verbleibt das Hautelement mit den bereits angeschweißten Stringern weiterhin in dem Werkzeugteil. Somit gelingt eine besonders wirtschaftliche und dennoch zuverlässige Integration der Stringer und Spante mit dem Hautelement zum Strukturbauteil.
• In einer Ausgestaltung ist die innenseitige Struktur eine Hinterbaustruktur für den Hautabschnitt, wobei als das Element der innenseitigen Struktur eine Türrahmenstruktur oder ein Element einer Türrahmenstruktur mit dem Hautelement zumindest abschnittsweise verschweißt wird. Es sei erwähnt, dass die das Verschweißen eines oder mehrerer Elemente der Türrahmenstruktur, oder der ganzen Türrahmenstruktur, zusätzlich zu dem Anschweißen der Stringer und Spante erfolgen kann. Somit gelingt auf wirtschaftliche Weise die Integration weiterer Elemente in das zu fertigende Strukturbauteil. Bei der Türrahmenstruktur kann sich das Anschweißen der Elemente dieser gerade aufgrund des wegen der meist hohen Anzahl an Einzelteilen aufwändigen Ausgleichs von Fertigungstoleranzen vorteilhaft auswirken.
• Das Element der Türrahmenstruktur kann in Weiterbildungen der Erfindung als ein Hauptspant oder als ein Hilfsspant oder als ein Interkostalelement oder als ein Balken oder eine Schwelle ausgebildet sein.
• In einer Ausgestaltung ist die Türrahmenstruktur vor dem Verschweißen derselben mit dem Hautelement mit vorgehefteten oder vorab bereits fertig verbundenen, insbesondere verschweißten, Elementen ausgebildet. Somit kann eine Türrahmenstruktur, bei der die räumliche Lage der Einzelteile bereits vorab gegeneinander festgelegt ist, als Ganzes mit dem Hautelement zur Bildung des Strukturbauteils verbunden werden.
• In einer weiteren Ausgestaltung wird als das Element der innenseitigen Struktur ein Element zur Verstärkung und/oder Versteifung des Hautabschnitts im Bereich eines Ausschnitts in dem Hautabschnitt, insbesondere ein Fensterrahmen oder ein Element einer Fensterrahmenstruktur, mit dem Hautelement zumindest abschnittsweise verschweißt.
• In einer noch weiteren Ausgestaltung wird als das Element der innenseitigen Struktur ein lokales Verstärkungselement für den Hautabschnitt oder ein Element zur lokalen Lasteinleitung in den Hautabschnitt, insbesondere ein Halter, mit dem Hautelement verschweißt.
• In Ausgestaltungen der Anordnung ist die Montageeinrichtung zum Aufnehmen und/oder Aufspannen und Positionieren einer Türrahmenstruktur oder eines oder mehrerer Elemente einer Türrahmenstruktur, ausgebildet. In weiteren Ausgestaltungen kann die Montageeinrichtung zum Aufnehmen und/oder Aufspannen und Positionieren eines Elements zur Verstärkung und/oder Versteifung des Hautabschnitts im Bereich eines Ausschnitts in dem Hautabschnitt, insbesondere eines Fensterrahmen oder eines Elements einer Fensterrahmenstruktur, ausgebildet sein. In wiederum weiteren Ausgestaltungen kann die Montageeinrichtung zum Aufnehmen und/oder Aufspannen und Positionieren eines lokales Verstärkungselements für den Hautabschnitt oder eines Element zur lokalen Lasteinleitung in den Hautabschnitt, insbesondere eines Halters, ausgeführt sein.
• Insbesondere wird in einer Ausgestaltung das Strukturbauteil als ein Schalenbauteil, insbesondere als eine Rumpfschale, für das Luft- oder Raumfahrzeug, bei welchem es sich insbesondere um ein Flugzeug handelt, ausgebildet. Das Hautelement kann in Weiterbildungen zweidimensional oder dreidimensional gekrümmt sein, d.h. eine einfache Krümmung in nur einer Raumrichtung oder eine Krümmung in mehreren Raumrichtungen aufweisen. Hierbei kann das Werkzeugteil in einer entsprechenden Ausgestaltung eine einfach oder mehrfach gekrümmte formgebende Oberfläche aufweisen.
• In einer Ausgestaltung kann statt einer Rumpfschale ein Schalenbauteil für eine Tragfläche oder für ein Leitwerk des Luft- oder Raumfahrzeugs mittels des vorgeschlagenen Verfahrens und/oder der vorgeschlagenen Anordnung erzeugt werden.
• Gemäß Ausgestaltungen der Erfindung wird als das thermoplastische Kunststoffmaterial ein Hochleistungsthermoplast verwendet, beispielsweise ein Polyaryletherketon (PAEK), ein Polyetheretherketon (PEEK), oder dergleichen. Als Verstärkungsfasern können Kohlenstofffasern, Glasfasern oder andere geeignete Fasern, oder Kombinationen dieser, in eine mit dem thermoplastischen Kunststoffmaterial gebildete Matrix eingebettet werden, vorzugsweise als so genannte kontinuierliche oder „endlose“ Fasern. In einer entsprechenden Ausgestaltung der Anordnung ist die Schweißeinrichtung für ein Verschweißen durch Erweichen und/oder Aufschmelzen einer thermoplastischen Kunststoffmatrix, die insbesondere mit einem derartigen Hochleistungsthermoplasten gebildet sein kann, eingerichtet.
• Es sei darauf hingewiesen, dass die oben genannten Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung jeweils analog auf das erfindungsgemäße Verfahren, die erfindungsgemäße Anordnung und das erfindungsgemäße Strukturbauteil Anwendung finden können.
• Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird hierbei der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.
• INHALTSANGABE DER ZEICHNUNG
• Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:
• 1, 2 ein Flugzeug als Beispiel eines Luft- oder Raumfahrzeugs, in dem ein gemäß den Ausführungsbeispielen der Erfindung hergestelltes Strukturbauteil zum Einsatz kommen kann;
• 3 eine schematische Illustration des Auflegens von Abschnitten eines Halbzeugs auf ein weibliches Werkzeugteil eines Pressformwerkzeugs mit gekrümmter formgebender Oberfläche;
• 4, 5 eine schematische Illustration der Herstellung eines Hautelements durch Pressformen in einem Pressformwerkzeug mit zwei Werkzeugteilen;
• 5A ein konsolidiertes Hautelement, hergestellt in Übereinstimmung wie in 3 bis 5 skizziert;
• 6 schematisch einige Stringerquerschnitte;
• 7 eine schematische Illustration einer Montageeinrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
• 8 ein Detail D aus 7;
• 9 eine schematische Illustration eines Verschweißvorgangs, bei dem die Montageeinrichtung des ersten Ausführungsbeispiels verwendet wird;
• 10 eine schematische Illustration eines dem Verschweißvorgang der 9 nachfolgenden Verfahrensschritt;
• 10A, B schematische Darstellungen von Varianten einer in Teile unterteilten Montageeinrichtung;
• 11 eine als beheizbare Rolle ausgebildete Schweißeinrichtung, gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, schematisch dargestellt während eines Verschweißvorgangs;
• 12 eine ausschnittsweise schematische Darstellung einer Montageeinrichtung gemäß einer weiteren Variante des ersten Ausführungsbeispiels;
• 13 eine ausschnittsweise schematische Darstellung einer Montageeinrichtung gemäß einer weiteren Variante des ersten Ausführungsbeispiels;
• 14 eine ausschnittsweise schematische Darstellung einer Montageeinrichtung gemäß einer noch weiteren Variante des ersten Ausführungsbeispiels;
• 15 schematisch einige Spantquerschnitte;
• 16 schematisch einen Spant in einer Ansicht von einer Stirnseite desselben;
• 17 schematisch den Spant der 16 in einer Schnittansicht A-A;
• 18 eine Anordnung mit einer Handhabungsvorrichtung, einer Montageeinrichtung mit einem Spant, und einem äußeren Werkzeugteil mit einem darin angeordneten, mit Stringern ausgestatteten Hautabschnitt, schematisch, gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel;
• 19 die Anordnung der 18 während eines Verschweißvorgangs, schematisch;
• 20 eine schematische Darstellung eines Details der Anordnung der 19, quer zu dem Spant gesehen;
• 21 eine weitere schematische Darstellung eines Details der Anordnung der 19, in einer Querschnittsansicht durch den Spant und die Montageeinrichtung;
• 22 eine schematische Darstellung einer Anordnung mit einer Montageeinrichtung und einem äußeren Werkzeugteil mit einem darin angeordneten Hautabschnitt mit mehreren Stringern, gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel, während eines Verschweißvorgangs zum Anschweißen von Spanten;
• 23 ein schematische Darstellung einer optischen Vermessung einer Innengeometrie eines Hautelements;
• 24 eine schematische Darstellung eines Strukturbauteils eines Flugzeugs mit einer Türrahmenstruktur, zur Erläuterung eines fünften Ausführungsbeispiels;
• 25 eine Anordnung mit einer Handhabungsvorrichtung, einer Montageeinrichtung mit einer von dieser gehaltenen Türrahmenstruktur, und einem weiblichen Werkzeugteil mit einem darin aufgenommenen Hautelement, gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel;
• 26 eine schematische Darstellung eines Strukturbauteils eines Flugzeugs mit einer Fensterrahmenstruktur, einem Halter als Lasteinleitungsstruktur, und einer lokalen Verstärkungsstruktur für einen Hautabschnitt, zur Erläuterung eines sechsten, siebten und achten Ausführungsbeispiels;
• 27 schematisch ein fertiges Strukturbauteil mit innenseitiger Struktur; und
• 28A, B zwei Möglichkeiten der Aufteilung eines Rumpfes in Rumpfschalen, wobei Türrahmenstrukturen schematisch angedeutet sind.
• Die beiliegenden Zeichnungen sollen ein weiteres Verständnis der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung vermitteln. Sie veranschaulichen Ausführungsformen und dienen im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erklärung von Prinzipien und Konzepten der Erfindung. Andere Ausführungsformen und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Zeichnungen. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander gezeigt.
• In den Figuren der Zeichnungen sind gleiche, funktionsgleiche und gleich wirkende Elemente, Merkmale und Komponenten – sofern nichts anderes ausgeführt ist – jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
• BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
• 1 und 2 zeigen ein Flugzeug 1 als Beispiel eines Luft- oder Raumfahrzeugs, in dem ein gemäß den nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen hergestelltes Strukturbauteil eingesetzt werden kann. In 1 und 2 sind ein Rumpf 3 des Flugzeugs 1, sowie Tragflächen 4 und Leitwerke 6 und 7 beispielhaft dargestellt. 1 zeigt ferner beispielhaft eine Rumpfschale 10 als eine Halbschale für eine obere Hälfte des Rumpfes 3 sowie eine Rumpfschale 11 als eine Halbschale für eine untere Hälfte des Rumpfes 3. Es versteht sich, dass der Rumpf 3 alternativ in anderer Weise in Schalenbauteile aufgeteilt werden kann.
• 3 zeigt schematisch das Auflegen von in 3 nicht näher dargestellten Abschnitten eines Halbzeugs, welches ein thermoplastisches Kunststoffmaterial zur Bildung einer Matrix und Verstärkungsfasern zur Einbettung in die Matrix aufweist, auf eine formgebende Oberfläche 29 eines in 3 unteren, weiblichen, äußeren Werkzeugteils 28 eines Pressformwerkzeugs. Mittels des Auflegens wird eine Halbzeuganordnung 31 gebildet, aus der dann ein Hautelement für eine Rumpfschale des Flugzeugs 1, etwa für eine der Rumpf-Halbschalen 10 oder 11, erzeugt werden kann. Die formgebende Oberfläche 29 ist in 3 gekrümmt, beispielsweise in etwa halbzylindrisch geformt, kann jedoch statt in nur einer Richtung alternativ in mehreren Richtungen gekrümmt sein, um einfach oder mehrfach gekrümmte Schalenhautelemente zu fertigen.
• Als Halbzeug kann beispielsweise ein vorkonsolidiertes Halbzeug mit einem thermoplastischen Matrixmaterial und Verstärkungsfasern oder ein nicht vorkonsolidiertes Halbzeug, bei dem das thermoplastische Material und die Fasern lediglich geheftet sind, verwendet werden.
• Die Halbzeugabschnitte können als so genannte „tapes“ auf die formgebende Oberfläche 29 automatisiert aufgelegt werden. In 3 ist das Auflegen der „tapes“ mittels einer Vorrichtung 15 zum automatisierten Ablegen von „tape“, die auch als „automated tape laying machine“ oder „ATL machine“ bezeichnet werden kann und einen geeigneten Legekopf 15a aufweist, schematisch dargestellt. Zudem zeigt 3, dass zusätzlich oder alternativ zum Auflegen von Fasertapes mittels des „automated tape laying“ ein Ablegen von z. B. relativ schmalen „tapes“ mit Hilfe des Verfahrens des „automated fibre placement“ oder „AFP“ erfolgen kann, was sich insbesondere bei komplizierter gekrümmten formgebenden Oberflächen 29, etwa zur Bildung einer doppelt gekrümmten Schalenhaut, als vorteilhaft erweisen kann. 3 zeigt zusätzlich schematisch eine geeignete Vorrichtung 16, die auch als „AFP machine“ bezeichnet werden kann und mit einer Einrichtung 16a zum Ablegen der „tapes“ ausgestattet ist. Somit werden die Halbzeugabschnitte in effizienter Weise direkt auf die formgebende Oberfläche 29 des weiblichen Werkzeugteils 28, das später als äußeres Formwerkzeugteil zum Konsolidieren und Pressformen des Hautelements benutzt wird, abgelegt. Während des Auflegens der Abschnitte des Halbzeugs erfolgt lediglich ein lokales Konsolidieren, wodurch die Halbzeugabschnitte lokal geheftet und somit aneinander befestigt werden, um sie in Position zu halten. Die lediglich lokale Konsolidierung beim Ablegen ermöglicht es, mit hoher Geschwindigkeit die Halbzeugabschnitte abzulegen. Die vorbereitete Halbzeuganordnung 31 liegt somit für ein nachfolgendes Konsolidieren durch Pressformen bereits in dem formgebenden Werkzeugteil 28 vor.
• Gemäß einer in den Figuren nicht im Einzelnen dargestellten, jedoch ebenfalls vorteilhaften Variante kann die Halbzeuganordnung 31 alternativ in der Weise gebildet werden, dass auf einem ebenen Tisch Abschnitte des Halbzeugs in Form so genannter „tailored blanks“, d.h. vorgefertigter Zuschnitte, die beispielsweise von einem Halbzeugzulieferer fertig zugeschnitten bereitgestellt werden, zunächst eben aufgelegt werden. Bei dieser Variante wird also zunächst durch Anordnen der Abschnitte des Halbzeugs eine zweidimensionale Halbzeuganordnung gebildet. Diese kann dann als Halbzeuganordnung 31 in das Werkzeugteil 28 eingelegt und somit in die gewünschte dreidimensionale Form gebracht werden. Damit die Halbzeugabschnitte hierbei nicht verrutschen, können sie beim Auflegen auf dem Tisch geheftet werden, etwa durch lokales Konsolidieren oder lokales Erwärmen. Somit kann bei dieser Variante ein zweidimensionales Auflegen von Zuschnitten mit einem dreidimensionalen Pressformen kombiniert werden, was insbesondere für die Herstellung z. B. von Rumpfschalen für zylindrische Rumpfsektionen nützlich sein kann. Hierbei ist es bevorzugt, wenn die erhöhte Temperatur, die auf die Halbzeuganordnung 31 während des Pressformens aufgebracht wird, hinreichend hoch ist, z. B. oberhalb der Schmelztemperatur des thermoplastischen Kunststoffmaterials liegt, damit die Fasern für die Umformung in die dreidimensionale Endform sich relativ zueinander bewegen können.
• Um ein Hautelement, etwa für die Rumpfschale 10 oder 11, zu erzeugen, wird die Halbzeuganordnung 31 unter Anwendung von erhöhter Temperatur und von Druck global konsolidiert, siehe 4 und 5. Hierbei bildet das weibliche, untere Werkzeugteil 28 einen Bestandteil eines Pressformwerkzeugs 19, welches zudem ein oberes, männliches Werkzeugteil 21 aufweist. Zum Aufbringen der Druckkräfte zum Konsolidieren auf die Halbzeuganordnung 31 kann zwischen der Oberfläche 29 und einer dieser zugewandten Oberfläche 22 des männlichen Werkzeugteils 21 ein Zusatzelement zur Druckübertragung und ggf. zum Konturausgleich vorgesehen sein, welches in den 4 und 5 jedoch der besseren Übersicht halber nicht eingehend dargestellt ist. Wie in 4 und 5 gezeigt, können die Werkzeugteile 21 und 28 relativ zueinander gegeneinander zusammengefahren werden, wie in 4, 5 durch Pfeile zur Verdeutlichung der Relativbewegung 20 angedeutet. Es versteht sich, dass hierbei beide Werkzeugteile 21, 28 bewegt werden können, oder nur eines dieser, während das andere feststehend vorgesehen ist. Beispielsweise kann das Werkzeugteil 28 ein feststehendes Werkzeugteil sein. Die Werkzeugteile 21, 28 können ferner mit einer Kraft K gegeneinandergedrückt werden, um den Druck auf die Halbzeuganordnung 31 aufzubringen, wobei eine Presse mit geeigneten Pressenbacken 18 (in 4, 5 nur abschnittsweise angedeutet) verwendet wird.
• Nach Durchführung eines derartigen Pressformvorgangs der 4 und 5 und Öffnen des Pressformwerkzeugs 19 durch Herausfahren des oberen Werkzeugteils 21 liegt im unteren, weiblichen Werkzeugteil 28 ein konsolidiertes Hautelement 101 vor.
• Die unter Bezugnahme auf die 3 bis 5 erläuterte Herstellung eines konsolidierten Hautelements 101 in dem weiblichen Werkzeugteil 28 erfolgt bei sämtlichen der nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung in der vorstehend beschriebenen Weise, wobei das Hautelement 101 in dem fertigen Strukturbauteil einen Hautabschnitt bildet. Das Hautelement 101 verbleibt bei der Integration von innenseitigen Strukturen 13 gemäß den nachstehenden Ausführungsbeispielen in dem weiblichen Werkzeugteil 28.
• Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung werden als Elemente einer innenseitigen Hinterbaustruktur 13 für den Hautabschnitt eines Strukturbauteils, insbesondere der Rumpfschale 10 oder 11, Stringer 105 mit dem wie vorstehend beschrieben erzeugten Hautelement 101 in Fußbereichen 106 der Stringer durch Erweichen und/oder Aufschmelzen und nachfolgendes Wiedererstarren des thermoplastischen Kunststoffmaterials, insbesondere des thermoplastischen Kunststoffmaterials des Stringers 105 im Bereich 106 des Stringerfußes, verschweißt.
• Einige im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung denkbare Querschnittsgeometrien für die Stringer 105 sind in 6 skizziert. Die Stringer 105 können jeweils beispielhaft eine Omega-förmige Querschnittsgeometrie, in 6(a) schematisch dargestellt, eine T-förmige Querschnittsgeometrie, in 6(b) schematisch dargestellt, eine schiefe Omega-förmige Querschnittsgeometrie, in 6(c) dargestellt, eine Z-förmige Querschnittsgeometrie, in 6(d) dargestellt, oder eine Z-förmige Querschnittsgeometrie mit einem zusätzlichen Flansch, durch den zwei Fußbereiche 106 geschaffen werden, in 6(e) dargestellt, aufweisen.
• Die Stringer 105 können mittels Pressformen, Rollformen, oder Pultrusion hergestellt werden. Hierfür können Halbzeugabschnitte mit thermoplastischem Matrixmaterial und Verstärkungsfasern eben oder bereits in der Zielgeometrie aufgelegt werden, etwa mittels „automated fibre placement“ (AFP) oder „automated tape laying“ (ATL). Die Stringer 105 sind somit Elemente aus einem faserverstärkten Verbundmaterial mit thermoplastischer Matrix.
• Eine Montageeinrichtung 36 in Übereinstimmung mit dem ersten Ausführungsbeispiel ist in 7 skizziert. Die Montageeinrichtung 36 weist Ausnehmungen 45, die auf einer Außenseite 46 der Montageeinrichtung 36 verteilt angeordnet sind. Die Oberfläche der Montageeinrichtung 36 ist an die Geometrie des herzustellenden Strukturbauteils auf dessen Innenseite angepasst und in 7, bis auf die Ausnehmungen 45, im Wesentlichen halbzylindrisch ausgeführt, wobei jedoch auch eine doppelt gekrümmte Ausführung der Oberfläche der Montageeinrichtung 36 auf deren Außenseite 46 möglich ist. Die Ausnehmungen 45 sind an die Querschnittsgeometrie der Stringer 105 angepasst geformt.
• Um gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel die Stringer 105 als Elemente einer Hinterbaustruktur mit dem Hautelement 101 zu verschweißen, werden zunächst eine Mehrzahl von Stringer 105 in jeweils eine der Ausnehmungen 45 eingesetzt (siehe Pfeil E in 7) und mittels geeigneter, nicht im Detail eingezeichneter Halte-, Klemm- oder Spanneinrichtungen in den Ausnehmungen gehalten. Bei dem gezeigten Beispiel ist der Querschnitt der Stringer 105 jeweils Omega-förmig.
• Das Detail D in 8 zeigt eine der Ausnehmungen 45 mit einem darin angeordneten Stringer 105. 8 zeigt ferner, dass auf beiden Seiten jeder der Ausnehmungen 45 jeweils eine Schweißeinrichtung 40 in die Montageeinrichtung 36 integriert ist. Die Schweißeinrichtung 40 kann zum Beispiel als eine Induktionseinrichtung ausgebildet sein, um den Stringer 105 in den Fußbereichen 106 mit dem Hautelement 101 induktiv zu verschweißen. Jede der in 8 gezeigten Schweißeinrichtungen 40 wirkt also auf einen der Fußbereiche 106.
• Statt als Induktionseinrichtung kann die Schweißeinrichtung 40 in Varianten des ersten Ausführungsbeispiels als Ultraschallschweißeinrichtung ausgeführt sein, um die Stringer-Fußbereiche 106 mittels Ultraschall mit dem Hautelement 101 zu verschweißen. Alternativ kann in weiteren Varianten die Schweißeinrichtung einen Laser oder Einrichtungen zum Führen und/oder Fokussieren eines Laserstrahls beinhalten, um ein Verschweißen mittels Laserstrahlung zu ermöglichen. In weiteren Varianten kann die Schweißeinrichtung 40 der 8 als ein Heizeinrichtung, etwa eine elektrische Widerstandsheizung, oder als ein von einem erhitzten Fluid durchströmter Kanal, ausgebildet sein, wobei dann das Verschweißen mittels eines Oberflächenkontakts mit erhitzten Kontaktbereichen 44 der Oberfläche eines starren Teils der Montageeinrichtung 36 mit den Fußbereichen 106 des Stringers 105 erfolgt.
• Die Montageeinrichtung 36 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, siehe 8, weist ferner Kühlkanäle 42 auf, die während des Verschweißens der Stringerfüße 106 mit dem Hautelement 101 in vordefinierter Weise von einem auf geeignete Fluidtemperatur gebrachten Fluid, etwa einem gekühlten Öl, durchströmt werden können. Die Kühlung der Stringer 105 ermöglicht es, Stringerbereiche, in denen Formänderungen durch Erwärmung unerwünscht sind, vor zu starker Erwärmung zu schützen, und im Bereich der thermoplastischen Verschweißung das Abkühlen und Wiedererstarren des thermoplastischen Kunststoffmaterials besser zu kontrollieren. Durch geeignete Anordnung von Kühlkanälen 42 und gesteuerte Durchströmung dieser, sowie bei Bedarf unter Zuhilfenahme von Messeinrichtungen zur Temperaturmessung, kann dem jeweils vorhandenen Kühlbedarf entsprochen werden.
• Zudem zeigt 8, dass bei dem ersten Ausführungsbeispiel die Montageeinrichtung 36 in ein erstes Teil 37 und ein zweites Teil 38 aufgeteilt sind, welche lösbar miteinander verbindbar sind. Eine Trennlinie 39 ist in 8 schematisch eingezeichnet.
• Eine Anordnung 55 zur Herstellung eines Strukturbauteils zeigt 9, wobei die Anordnung 55 das weibliche Werkzeugteil 28, die mittels des Pressenbackens oder Pressenportals 18 bewegbare Montageeinrichtung 36, und die in die Montageeinrichtung 36 integrierten Schweißeinrichtungen 40, von denen der besseren Übersicht halber nur einige dargestellt sind, beinhaltet.
• Mittels des Pressenbackens oder -portals 18, der bzw. das ferner eine Transport- und Trageeinrichtung für die Montageeinrichtung 36 bildet, wird durch Aufbringen von Kraft K′ Druck auf die Fußbereiche 106 der Stringer 105 ausgeübt. Zugleich werden die Fußbereiche 106 zum Verschweißen auf eine geeignete Temperatur erwärmt. Um in radialer Richtung, also im Wesentlichen normal zu dem Hautelement 101 und den Fußbereichen 106 der Stringer 105, besser Druck ausüben zu können, kann in einer Variante zwischen den Teilen 37, 38 eine geeignete Kinematik 236 vorgesehen sein, um diese auseinander zu drücken, siehe 10A. Hierzu kann die Montageeinrichtung 36 alternativ in eine größere Anzahl von mittels einer Kinematik gekoppelten Teilen aufgeteilt sein, zum Beispiel in symmetrischer oder gleichmäßiger Weise. Für eine Montageeinrichtung 36 zum Anlegen von Stringern 105 unter Druck an die Innenseite des Hautelements 101 über einen Winkelbereich von ca. 180 Grad, d.h. für eine Halbschale, könnte die Montageeinrichtung 36 in beispielsweise drei Teile geteilt werden, die je einen Winkelbereich von etwa 60 Grad und somit etwa ein Drittel des Hautelements 101 abdecken. Anstelle einer Kinematik 236, oder zusätzlich, könnte jedoch ein elastisch verformbares Element 237, z. B. aus Gummi, zwischen den Segmenten 37 und 38 angeordnet sein, um eine elastische Bewegbarkeit der Teile 37, 38 gegeneinander zu ermöglichen und den Radialdruck aufzubringen, siehe 10B. Es sei ferner erwähnt, dass es sich bei dem mit dem Bezugszeichen 18 bezeichneten Element vorzugsweise um jenes Pressenportal handelt, das bereits für das Pressformen und Konsolidieren der Halbzeuganordnung 31 (siehe 4, 5) verwendet wurde. Mit anderen Worten, nach Beendigung der Konsolidierung des Hautelements 101 kann in einfacher und schneller Weise das obere Werkzeug 21 durch die bereits mit den Stringern 105 bestückte Montageeinrichtung 36 ausgetauscht und dann die Stringer 105 mit dem Hautelement 101 verschweißt werden.
• Die Stringer 105 werden somit effizient in einem Schritt mit dem Hautelement 101 verschweißt.
• Nach der Beendigung des Verschweißvorgangs kann die Montageeinrichtung 36 aus dem weiblichen Werkzeugteil 28 herausgefahren werden. Da die Stringer 105 Hinterschnitte bilden, nach dem Verschweißen aber fest mit dem Hautelement 101, das nun einen Hautabschnitt 151 des Strukturbauteils 150, siehe 10(b), bildet, verbunden sind, können die Teile 37, 38 zum Entnehmen der Montageeinrichtung 36 voneinander getrennt werden. Alternativ kann die Montageeinrichtung 36 entlang der Längsrichtung der Stringer 105, die in den 9, 10 senkrecht zur Zeichenebene verläuft, herausgezogen werden. In einer weiteren Alternative kann, falls keine weiteren Elemente einer innenseitigen Struktur mehr an das Hautelement 101 anzuschweißen sind, das Strukturbauteil 150 zusammen mit der Montageeinrichtung 36 aus dem weiblichen Werkzeugteil 28 entnommen und durch leichtes elastisches Aufbiegen des Hautabschnitts 151 von der Montageeinrichtung 36 getrennt werden.
• Bei dem Verschweißen der Stringer 105 in den Fußbereichen 106 mit dem Hautelement 101 können die Fußbereiche 106 jeweils plastisch an eine innenseitige Oberfläche 102 angepasst werden, insbesondere um Fertigungstoleranzen des Stringers 105 oder des Hautelements 101 oder beider auszugleichen. Zudem kann die Montageeinrichtung 36 in den Kontaktbereichen 44, 44‘ mit dem Stringer 105, die insbesondere die Fußbereiche 106 und/oder andere Bereiche des Stringers 105 umfassen können, derart ausgebildet sein, dass mittels der Montageeinrichtung 36 eine Umformen des Stringers 105 in dessen angestrebte Zielgeometrie erfolgen kann, etwa durch Anpassen einer Standard-Stringergeometrie an die Detailgeometrie auf der Innenseite des Hautelements 101. Falls hierfür im Bereich der Ausnehmung 45 weitere Einrichtungen zur Erhöhung der Temperatur des Stringers 105 notwendig sind, können diese in die Montageeinrichtung 36 integriert werden.
• Ein Verfahren und eine Anordnung 55 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, illustriert in 11, unterscheiden sich von dem ersten Ausführungsbeispiel dahingehend, dass das Verschweißen der Stringer 105 in deren Fußbereichen 106 mittels einer beheizten Rolle 64 erfolgt, wobei die beheizte Rolle 64, siehe 11, unter Aufbringung einer Anpresskraft K″ über den Fußbereich 106 des Stringers 105 gerollt wird. Der zu verschweißende Fußbereich 106 ist in 11 punktiert gekennzeichnet. Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel können die Stringer 105 beispielsweise ebenfalls mittels einer nicht dargestellten Montageeinrichtung gehalten und positioniert werden, wobei die Montageeinrichtung dann vorzugsweise genug Raum für die Bewegung der Rolle 64 lässt.
• Die 12, 13 und 14 illustrieren ferner drei Varianten des ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung.
• Bei der Variante der 12 unterscheidet sich die Montageeinrichtung 36 von jener der 7 bis 10 dahingehend, dass an beiden Seiten der Ausnehmung 45, die zur Aufnahme des Mittenbereichs des mit Omega-Querschnitt ausgebildeten Stringers 105 vorgesehen ist, jeweils ein fluidgefülltes, verformbares Kissen 48 angeordnet ist, das in seitlichen Erweiterungen 47 der Ausnehmung 45 teilweise aufgenommen ist und an einer mit einem Metallmaterial gebildeten Basiskomponente 50 der Montageeinrichtung 36 anliegt. Das Kissen 48 ist mit einer verformbaren, temperatur- und druckbeständigen Haut 48a gebildet, die einen mit einem Fluid F, insbesondere einem Öl, gefüllten Hohlraum des Kissens 48 umschließt. Die Haut 48a kann als eine Metallmembran, eine Kunststofffolie, oder eine Verbundfolie mit einer Metallschicht und einer Kunststoffschicht, ausgebildet sein, wobei die Metallmembran oder Metallschicht insbesondere zur Druckaufnahme und die Kunststofffolie oder Kunststoffschicht zur Verbesserung der Dichtigkeit und zum Schutz der Stringer 105 vor dem Fluid F vorgesehen sein können. Das Fluid F kann in einem (in 12 nicht dargestellten) geschlossenen Fluidkreislauf den Innenraum der Kissen 48 durchströmen und auf eine gewünschte erhöhte Temperatur aufgeheizt sein. Das Verschweißen der Fußbereiche 106 der Stringer 105 mit dem Hautelement 101 erfolgt hierbei unter Verwendung des erhitzten Fluids F, das den Fußbereich 106 auf die angestrebte Schweißtemperatur für die thermoplastische Schweißverbindung bringt. Das Kissen 48 bildet somit eine Schweißeinrichtung 40. Mittels des Kissens 48 kann beim Zusammenfahren der Montageeinrichtung 36 und des weiblichen Werkzeugteils 28 und Aufbringen der Kraft K‘, wie in 9, Druck im Wesentlichen nach Art eines hydrostatischen Drucks gleichmäßig und auch radial, also senkrecht zu den Fußbereichen 106, auf diese aufgebracht werden. Dies ermöglicht eine Verbesserung der Qualität der Schweißverbindung durch gleichmäßige Druckverteilung, einen vorteilhaften Kontur- und Toleranzausgleich durch die Verformbarkeit des Kissens 48, sowie eine gute Kontrolle des wirkenden Drucks durch Messung des anliegenden Fluiddrucks im Fluid F, und kann eine komplizierte Kinematik zum Auseinanderspreizen einzelner Teile der Montageeinrichtung 36 vermeiden. Stattdessen kann die Basiskomponente 50 als ein starres Teil ausgeführt werden. Über die vorgenannten Unterschiede hinausgehend wird auf die Ausführungen zum ersten Ausführungsbeispiel verwiesen.
• Die Variante der 13 unterscheidet sich von der Variante der 12 lediglich dahingehend, dass anstelle der fluidgefüllten Kissen 48 Polymerkissen 49 vorgesehen sind. Die Polymerkissen 49 ermöglichen ebenfalls, durch eine elastische Nachgiebigkeit zumindest unter den einwirkenden Schweißtemperaturen, einen weiter verbesserten Kontur- und Toleranzausgleich sowie eine Druckaufbringung in hydrostatischer Art. Die Polymerkissen 49 können mittels einer integrierten Heizeinrichtung 49a, die beispielsweise elektrisch, etwa als elektrische Heizpatrone, betrieben werden kann, auf die benötigte Schweißtemperatur aufgeheizt werden. Dies ist in 13 beispielhaft für das linke der beiden Polymerkissen 49 gezeigt. Alternativ oder zusätzlich kann eine Heizeinrichtung 49b zur Erreichen der gewünschten Temperatur in die Basiskomponente 50 integriert sein, siehe den Bereich des rechten der beiden in 13 gezeigten Polymerkissen 49. Somit bildet das Polymerkissen 49 zusammen mit der Heizeinrichtung 49a und/oder 49b eine Schweißeinrichtung 40.
• Die Variante der 14 unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel dahingehend, dass die Montageeinrichtung 36 eine starre, mit einem Metallmaterial ausgebildete Basiskomponente 50 sowie einen wechselbaren Einsatz 52 aufweist, wobei der wechselbare Einsatz 52 an seiner Außenseite 52a zu einer Aussparung 53 in der Basiskomponente 50 passend geformt ist und die Ausnehmung 45 zur Aufnahme des Stringers 105 in dem Einsatz 52 vorgesehen ist. Der Einsatz 52 ist mit geeigneten, in 14 nicht näher dargestellten Befestigungsmitteln an der Basiskomponente 50 befestigt. In den Einsatz 52 sind Schweißeinrichtungen 40 integriert, die wiederum, wie bereits zu dem ersten Ausführungsbeispiel der 8 beschrieben, ein Verschweißen der Fußbereiche 106 der Stringer 105 mit der Innenseite des Hautelements 101 beispielsweise mittels Induktion oder Ultraschall oder Laserstrahlung ermöglichen. Eine Kühlung der Einsätze 52 mittels eines gekühlten Fluids, das (in 14 nicht bildlich dargestellte) Kanäle in den Einsätzen 52 und/oder der Basiskomponente 50 durchströmen kann, ist ebenfalls vorstellbar. Die Einsätze 52 können bei einem Wechsel der Stringergeometrie gegen andere, passende Einsätze nach Bedarf ausgetauscht werden.
• Gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung werden als Elemente einer innenseitigen Hinterbaustruktur 13 für den Hautabschnitt eines Strukturbauteils, insbesondere der Rumpfschale 10 oder 11, Spante 110 mit dem Hautelement 101 in Fußbereichen 111 der Spante 110 durch Erweichen und/oder Aufschmelzen und nachfolgendes Wiedererstarren des thermoplastischen Kunststoffmaterials verschweißt.
• Einige im Zusammenhang mit dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendbare Querschnittsgeometrien für die Spante 110 sind in 15 skizziert. Die Spante 110 können jeweils beispielhaft eine C-förmige Querschnittsgeometrie, in 15(a) schematisch dargestellt, eine Z-förmige Querschnittsgeometrie, in 15(b) schematisch dargestellt oder eine Omega-förmige Querschnittsgeometrie, in 15(c) schematisch dargestellt, aufweisen. Ferner können Stabilisierungselemente 112, so genannte „Cleats“ zur lateralen Stabilisierung, beispielsweise als separate Elemente hergestellt und mit dem Grundprofil 110a des Spantes 110, etwa einem C-Profil, siehe 15(d), verbunden werden, etwa durch Nieten oder Kleben oder Verschweißen. Die Stabilisierungselemente 112 können getrennt aus einem thermoplastischen Kunststoffmaterial durch Spritzgießen mit in das Kunststoffmaterial eingebetteten Verstärkungsfasern, z. B. Kurzfasern, hergestellt werden. Zudem können die Spante 110 integral mit Ausschnitten, so genannten „Mauselöchern“ oder „mouse holes“, zur Durchführung von Stringern ausgebildet sein, wobei die „Mauselöcher“ z. B. in der weiter unten näher erläuterten 20 als Ausschnitte 113 sichtbar sind.
• Gemäß einer weiteren Alternative, schematisch dargestellt in den 16 und 17, kann der Spant 110 ein integrales Stabilisierungselement oder „Cleat“ 112‘ aufweisen, welches eine lokale Beule oder Delle bildet, die sie in den Fußbereich 111 und einen Steg des Spants 110 hinein erstreckt, z. B. außerhalb der Bereiche der „Mauselöcher“. Die Delle oder Beule kann im Querschnitt eine gerundete, z. B. in etwa halbrunde, Form aufweisen, siehe 17.
• Die Spante 110 können mittels zum Beispiel mittels Pressformen mit Hilfe eines starren Werkzeugs oder eines Werkzeugs mit einer fluidgefüllten, durch eine flexible Wand begrenzten Kammer hergestellt werden. Hierfür können Halbzeugabschnitte mit thermoplastischem Matrixmaterial und Verstärkungsfasern eben oder bereits in der Zielgeometrie aufgelegt werden, etwa mittels „automated fibre placement“ (AFP) oder „automated tape laying“ (ATL). Die Spante 110 sind somit Elemente aus einem faserverstärkten Verbundmaterial mit thermoplastischer Matrix.
• Bei den vorstehend beschriebenen Varianten für den Spant 110 kann jeweils der Spantfußbereich 111 für eine thermoplastische Schweißverbindung mit dem Hautelement 101 optimiert sein.
• Die in 18 dargestellte Anordnung 55 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel umfasst das äußere, weibliche Werkzeugteil 28, wie vorstehend bereits beschrieben, mit einem darin angeordneten, konsolidierten Hautabschnitt 151, an dessen Innenseite bereits Stringer 105 angeschweißt sind, beispielsweise wie zu den vorangehenden Ausführungsbeispielen erläutert. Die Anordnung 55 der 18 beinhaltet ferner eine Handhabungsvorrichtung 78, die im Ganzen in Richtungen 79 entlang der Längsrichtung L des Hautabschnitts 151 und der Stringer 105 verfahren werden kann und beispielsweise als ein Roboter mit mehrachsiger Beweglichkeit ausgebildet ist. Am Ende eines Roboterarms 80 ist eine Montageeinrichtung 36‘ zum Aufspannen und Positionieren eines in 18 nur schematisch dargestellten Spants 110 für ein Aufschweißen desselben auf die Innenseite des Hautabschnitts 151 angeordnet und gehalten. Mittels der in 18 gezeigten Anordnung werden mehrere Spante 110 sukzessive als Elemente der innenseitigen Hinterbautruktur 13 in aufeinanderfolgenden Schritten mit dem bereits den Hautabschnitt 151 bildenden Hautelement 101 verschweißt, wobei die Montageeinrichtung 36‘ bei diesem Ausführungsbeispiel nur einen Spant 110 aufnehmen kann. Das Anpressen und Anschweißen eines Spants 110 zeigt 19 schematisch. Das Verschweißen des Spantes 110 und des Hautabschnitts 151 in den Fußbereichen 111 des Spants 110 kann wiederum, ähnlich wie für den Stringer 105 weiter oben beschrieben, mittels einer Schweißeinrichtung 40‘ erfolgen, welche das Verschweißen z. B. induktiv oder mittels Ultraschall oder mittels Laserstrahlung ermöglicht, wobei zum Beispiel das Laserverschweißen die Möglichkeit einer relativ leichtgewichtigen Montageeinrichtung 36‘ bietet und mittels Ultraschall- oder Induktionsschweißverfahren die Schweißverbindung schnell herstellbar ist. Mittels der Handhabungsvorrichtung 78 wird der Spant 110 hierfür geeignet positioniert, vgl. die 19. Auch eine Schweißeinrichtung 40‘, die die Schweißtemperatur mittels erhitzten Fluids, etwa erhitzten Öls, bereitstellt, kann verwendet werden.
• 20 und 21 zeigen das Verschweißen der Fußbereiche 111 des Spants 110 detaillierter. Die Montageeinrichtung 36‘ weist eine Mehrzahl von lokalen, adaptiven und hierzu bewegbaren Schweiß- und Druckaufbringungseinheiten 91 auf, die, wie in 20 und 21 durch Doppelpfeil angedeutet, in im Wesentlichen radialer Richtung, insbesondere normal zu dem Hautabschnitt 151 und dem zugeordneten Fußbereich 11, bewegbar ist. Auf diese Weise kann die Schweiß- und Druckaufbringungseinheit 91 auf den jeweils zugeordneten Fußbereich 111 Druck ausüben. Zur Aufbringung der für die thermoplastische Verschweißung nötigen Temperatur ist mindestens eine Schweißeinrichtung 40 in jede der Schweiß- und Druckaufbringungseinheiten 91 integriert. Ein erhöhter Temperatur ausgesetzter Schweißbereich 43‘ ist in 20 und 21 schematisch angedeutet.
• Die Schweißeinrichtung 40‘ kann jeweils induktiv, mittels Ultraschall, mittels Laserstrahl oder auch anders, wie vorstehend für das Anschweißen der Stringer 105 beschrieben, z. B. als elektrische Heizeinrichtung, arbeiten. Insbesondere ist auch für die Integration der Spanten 110 gemäß Varianten des dritten Ausführungsbeispiels die Verwendung eines fluidgefüllten Kissens oder eines Polymerkissens, wie weiter oben im Detail erläutert, denkbar. Ein solches Kissen könnte in dem in 20 punktierten Bereich 99, der in 20 ein starres Druckstück bildet, angeordnet sein. Durch die Anwendung von Druck und Temperatur im Bereich des Fußbereichs 111 können Toleranzen des Spants 110 gegenüber dem Hautabschnitt 151 ausgeglichen und bei Bedarf der Fußbereich 111 noch an die Geometrie des Hautabschnitts 151 angepasst werden. Auch bei dem dritten Ausführungsbeispiel ist eine zusätzliche Kühlung denkbar, analog zur Kühlung im Falle der Stringerintegration. Diesbezüglich wird auf die obigen Ausführungen verwiesen.
• Die Schweiß- und Druckaufbringungseinheiten 91 sind jeweils mit einer starren Basiskomponente 50‘ der Montageeinrichtung 36‘ gekoppelt und individuell gegenüber der Basiskomponente 50‘ bewegbar. Die Basiskomponente 50‘ dient dem Aufspannen und Halten des Spants 110, siehe 21, wofür die Montageeinrichtung 36‘ eine mit der Basiskomponente 50‘ gekoppelte Klemmeinrichtung 51 zum Festklemmen des Spants 110 an der Montageeinrichtung 36‘ aufweist. Die Positionierung des Spants 110 relativ zu der Montageeinrichtung 36‘ kann mittels geeigneter Bohrungen (sog. „F-hole“) erfolgen.
• In dem Bereich 99 kann zudem in Varianten des dritten Ausführungsbeispiels ein wechselbarer Schweißadapter 98 vorgesehen sein, wobei die Schweißeinrichtung 40‘ in dem Adapter 98 enthalten sein kann oder getrennt von diesem in der Schweiß- und Druckaufbringungseinheit 91 angeordnet sein kann. Der Schweißadapter 98 kann beispielsweise erwärmt werden oder er kann für eine Ultraschallverschweißung des Fußbereichs 111 mit dem Hautabschnitt 151 ausgebildet sein. Mittels des Schweißadapters 98 können Geometrieänderungen, wie sie zum Beispiel durch konstruktive Anpassungen und Änderungen an dem Hautabschnitt 151 auftreten können, berücksichtigt werden, wobei der Schweißadapter 98 an die jeweils vorliegende Geometrie angepasst wird. Im einer möglichen Variante ist der Schweißadapter 98 im Wesentlichen als ein wechselbares, starres, plattenartiges Druckstück zur Druck- und Temperaturaufbringung ausgebildet. Für die Druckaufbringung ist zwischen der Schweißund Druckaufbringungseinheit 91 und der Basiskomponente 50‘ ein geeignete Kinematik realisiert, beispielsweise indem die Schweiß- und Druckaufbringungseinheit 91 motorisch gegenüber der Basiskomponente 50‘ in Radialrichtung R verschoben werden kann.
• Eine Anordnung 55 und ein Verfahren gemäß dem in 22 skizzierten vierten Ausführungsbeispiel stellen eine Variante des dritten Ausführungsbeispiels dar. Das vierte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem dritten Ausführungsbeispiel dahingehend, dass mehrere Montageeinrichtungen 36‘ zum Aufspannen jeweils eines Spants 110 zu einer kombinierten Montageeinrichtung 36″ zusammengefasst sind, wobei die kombinierte Montageeinrichtung 36″ als Ganzes in einem Schritt in das weibliche Werkzeugteil 28 gesenkt werden kann. Nachfolgend erfolgt das Verschweißen einer Mehrzahl von Spanten 110 in einem Schritt in der zum dritten Ausführungsbeispiel erläuterten Weise. Die ebenfalls vorgesehenen Schweiß- und Druckaufbringungseinheiten 91 sind in 22 der besseren Übersicht halber nicht im Einzelnen gezeigt.
• Gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung werden als Elemente einer innenseitigen Hinterbaustruktur 13 für den Hautabschnitt 151 eines Strukturbauteils 150, insbesondere der Rumpfschale 10 oder 11, eine Türrahmenstruktur 120 oder ein Element der Türrahmenstruktur 120, mit dem Hautelement 101 verschweißt. Die Türrahmenstruktur 120 kann auch als Türumgebungsstruktur bezeichnet werden und ist schematisch in 24 dargestellt. Die Türrahmenstruktur 120 beinhaltet in der gezeigten, beispielhaft zumindest teilweise differentiellen Bauweise zwei Haupt- oder Türspante 121, zwei Hilfsspante 122, eine Mehrzahl von Interkostalelementen 123 (sog. „intercostals“) sowie einen oberen Balken 124 und eine Schwelle 125. Der Balken 124 und die Schwelle 125 werden häufig auch als „sills“ bezeichnet. Alle Elemente 121, 122, 123, 124, 125 sind als Faserverbundbauteile mit einer thermoplastischen Matrix und Verstärkungsfasern gefertigt. Zumindest einige der Elemente 121–125 werden mit dem Hautelement 101, auf welches ggf. bereits Stringer 105 und Spante 110 wie vorstehend beschrieben aufgeschweißt wurden, durch Erweichen und/oder Aufschmelzen und nachfolgendes Wiedererstarren des thermoplastischen Kunststoffmaterials verschweißt. Die Elemente 121–125 können zuvor zum Beispiel durch Pressformen hergestellt werden und jeweils einen offenen Querschnitt, z. B. eine C-förmigen Querschnitt oder einen Z-förmigen Querschnitt, aufweisen.
• Um die Elemente 121–125 der Türrahmenstruktur 120 oder einige dieser mit dem Hautelement 101 bzw. dem Hautabschnitt 151 zu verschweißen, ist wiederum eine Anordnung mit einer Montageeinrichtung 36''' vorgesehen. Die Montageeinrichtung 36''', in 24 schematisch gestrichelt eingezeichnet, ist als Vormontageeinrichtung ausgebildet und ermöglicht es, die einzelnen Elemente 121–125 jeweils in der gewünschten Relativposition zueinander zu halten und die Positionen und Lagen der einzelnen Elemente 121–125 zueinander einzustellen.
• In einer ersten Variante kann hierfür vorgesehen sein, dass die Montageeinrichtung 36''' die Elemente 121–125 nicht völlig starr, sondern mit einer gewissen freien Beweglichkeit zum Ausgleich von Toleranzen zueinander hält. Wird dann die Montageeinrichtung 36''', beispielsweise wiederum mittels einer Handhabungsvorrichtung 78, in das weibliche Werkzeugteil 28 eingebracht, siehe 25, derart, dass die Elemente 121–125 für das Verbinden mit dem Hautelement 101 in Kontakt treten, dann können sich die Elemente 121–125 hierbei entsprechend den vorliegenden Toleranzen in ihrer Relativposition und ggf. Relativlage selbsttätig einstellen, wodurch Spaltmaße und „shims“ vermieden werden.
• Darauf erfolgt ein Verschweißen zumindest einiger der Elemente 121–125 mit dem Hautabschnitt 101, wobei ferner ggf. die nicht mit dem Hautelement 101 zu verschweißenden der Elemente 121–125 mit dem Hautelement 101 vernietet oder verbolzt werden können. Nieten oder Bolzen können insbesondere in Bereichen besonders hoher mechanischer Belastung verwendet werden, etwa zur Verbindung der Hauptspante 121 mit dem Hautelement 101. Das Verschweißen einiger oder aller Elemente 121–125 kann analog zu den vorstehend unter Bezugnahme auf die 6–22 beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung erfolgen, wobei diesbezüglich auf die obigen Ausführungen verwiesen wird. Vor oder während des Verschweißens mit dem Hautelement 101 werden die Elemente 121–125, oder zumindest einige dieser, miteinander verschweißt, was ebenfalls durch entsprechend vorgesehene Einrichtungen der Montageeinrichtung 36''' direkt in dieser vorgenommen werden kann. Während des Verschweißens mit dem Hautelement 101 kann zudem ein Verschweißen einiger der Elemente 121–125 mit angrenzenden, bereits mit dem Hautelement 101 verschweißten Spanten (in 25 nicht dargestellt) erfolgen.
• Bevorzugt wird in einer zweiten und dritten Variante jedoch zunächst, wie in 23 schematisch dargestellt, die Innengeometrie des Hautelements 101 (sog. „inner mould line“ oder „IML“), welches nach dessen Konsolidierung in dem weiblichen Werkzeugteil 28 verbleibt, dreidimensional vermessen, z. B. mittels einer optischen Messeinrichtung 115.
• Gemäß der zweiten und dritten Variante ist die als Vormontageeinrichtung ausgeführte Montageeinrichtung 36''' dann dafür eingerichtet, die Position und Lage einzelner Elemente 121–125 zueinander entsprechend der durchgeführten Messung exakt einzustellen und die Elemente 121–125 dann in den eingestellten Positionen und Ausrichtungen zu halten.
• Die Elemente 121–125 sind in der zweiten Variante des fünften Ausführungsbeispiels bereits vor dem Verbringen der Montageeinrichtung 36''' zur Innenseite 101a des Hautelements 101 so zueinander positioniert und ausgerichtet, dass sie mit möglichst geringen Spaltmaßen auf die Innenseite 101a passen.
• Hierbei kann vorteilhaft in der Weise vorgegangen werden, dass nach der dreidimensionalen Messung der „IML“ die Hauptspanten 121 auf der Montageeinrichtung 36''' aufgenommen und entsprechend dem dreidimensionalen Messergebnis ausgerichtet werden. Daraufhin werden die weiteren Elemente 122–125 auf der Montageeinrichtung 36''' aufgenommen und voll oder punktweise verschweißt, wobei für einen Teil der Verbindungen der Elemente 121–125 Nieten oder Bolzen verwendet werden können, insbesondere in hochbelasteten Bereichen. Sodann wird mittels der Handhabungsvorrichtung 78, siehe 25, die Montageeinrichtung 36''' zu dem in dem weiblichen Werkzeugteil 28 verbleibenden Hautelement 101, mit dem bereits Spanten 110 und Stringer 105 verschweißt sein können, verbracht, in der gewünschten Position auf der Innenseite 101a positioniert, und einige oder alle der Elemente 121–125 mit dem Hautelement 101 verschweißt, wobei wiederum in einzelnen Verbindungsbereichen Nieten oder Bolzen genutzt werden können. Auch ein Verschweißen mit angrenzenden Spanten 110 ist möglich. Das Verschweißen einiger oder aller Elemente 121–125 mit dem Hautelement 101 erfolgt wiederum analog zu den vorstehend erläuterten Ausführungsbeispielen der 6–22. Falls die Elemente 121–125 aneinander im Vormontageschritt nur geheftet wurden, werden sie während oder nach dem Verschweißvorgang dieser mit dem Hautelement 101 miteinander voll verschweißt.
• Die dritte Variante bildet eine Abwandlung der zweiten Variante. Anstatt eines Heftens oder Verschweißens der Elemente 121–125 auf der Montageeinrichtung 36''' vor dem Verbringen zum Hautelement 101 wird zunächst nur eine Einstellung der Elemente 121–125 zueinander abhängig von der dreidimensionalen Messung vorgenommen. Die Montageeinrichtung 36''' wird dann mittels der Handhabungsvorrichtung 78 zu dem Hautelement 101 positioniert, wobei die Elemente 121–125 dann bei Bedarf nochmals abhängig von den tatsächlich beobachteten Spaltmaßen hinsichtlich Position und Lage eingestellt werden können. Sodann erfolgt das Verschweißen mit dem Hautelement sowie der Elemente 121–125 untereinander wie vorstehend beschrieben.
• Wiederum alternativ kann in einer separaten Vormontagevorrichtung (in den Figuren nicht dargestellt), die entsprechend der durchgeführten dreidimensionalen Messung einstellbar ist, ein volles Verschweißen, der relativ zueinander für geringstmögliche Spaltmaße positionierten und ausgerichteten Elemente 121–125 aneinander erfolgen, bevor die auf diese Weise vormontierte Türrahmenstruktur 120 komplett zu dem Hautelement 101 verbracht und als Ganzes mit dem Hautelement 101 auf dessen Innenseite 101a, und ggf. bereits vorhandenen Spanten 110 zur Verbindung dieser mit der Türrahmenstruktur 120, verschweißt wird. Auch bei dieser Variante können einzelne Bereiche anstelle einer Schweißverbindung vernietet werden, etwa in Bereichen besonders hoher Lasten.
• Sofern auf der Montageeinrichtung 36''' Verschweißvorgänge der Elemente 121–125 untereinander durchzuführen sind, kann die Montageeinrichtung 36''' geeignete Schweißeinrichtungen, zum Beispiel Schweißklemmen, aufweisen, oder ein Roboter mit einer geeigneten Schweißeinrichtung kann die Heftschweißungen oder vollen Schweißungen zwischen den positionierten Elementen 121–125 vornehmen.
• Durch die Möglichkeit der Einstellung der Montageeinrichtung 36''' werden vorteilhaft die Spaltmaße bei allen dieser Varianten gering gehalten. Verbleibende Spalten können bei dem Verschweißvorgang geschlossen werden.
• Gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel wird als ein Element einer innenseitigen Struktur 13 für den Hautabschnitt 151 eines Strukturbauteils 150, insbesondere der Rumpfschale 10 oder 11, eine Fensterrahmenstruktur 131 zur Versteifung des Hautabschnitts 151 im Bereich eines Fensters 130, oder ein Element dieser, beispielsweise ein Fensterrahmen 132, mit dem Hautelement 101 verschweißt. Gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel wird ein Halter 145 als Element einer innenseitigen Lasteinleitungsstruktur 13 für den Hautabschnitt 151 mit dem Hautelement 101 verschweißt. Gemäß einem achten Ausführungsbeispiel wird ein Doppler 140 für den Hautabschnitt 151 als lokale, innenseitige Verstärkungsstruktur 13 mit dem Hautelement 101 verschweißt, wobei der Doppler beispielsweise zur Hautaufdickung im Bereich eines Türausschnitts dienen kann. Das Aufschweißen des Fensterrahmens 132 oder der Fensterrahmenstruktur 131, des Halters 145 und/oder der lokalen Verstärkungsstruktur 140 kann z.B. mittels der Handhabungsvorrichtung 78 der 18 und einer geeigneten, angepassten Montageeinrichtung, die in den Figuren nicht näher dargestellt ist, erfolgen, entweder in einem separaten Verfahrensschritt, oder zugleich mit dem Aufschweißen einer/mehrerer Spante 110 oder eines/mehrerer Stringer 105 oder der Türrahmenstruktur 120 oder einiger der Elemente 121–125. Im letzteren Fall können die vorstehend beschriebenen Montageeinrichtungen entsprechend weitergebildet sein. Hinsichtlich der Aufbringung von Druck und Temperatur wird auf die vorstehenden Ausführungen verwiesen, die analoge Anwendung finden können.
• Als Beispiel eines gemäß den Ausführungsbeispielen der Erfindung hergestelltes Strukturbauteil 150 zeigt 27 eine Rumpfschale für einen Flugzeugrumpf. Stringer 105 und Spante 110 bilden beispielhaft einen innenseitige Hinterbaustruktur 13 zur Versteifung des Hautabschnitts 151. Die Innenseite 162 und die Außenseite 161 des Strukturbauteils 150 sind in 27 ebenfalls angedeutet. Wird die Türrahmenstruktur 120 in die Rumpfschale integriert, dann ist es bevorzugt, wenn der Türausschnitt samt der Türrahmenstruktur 120 vollständig innerhalb dieser Rumpfschale zu liegen kommt. Dies kann durch geeignete Teilung des Rumpfes 3 erreicht werden, vgl. 28A, 28B.
• Bei allen vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung wird als das thermoplastische Kunststoffmaterial der Matrix für das Hautelement 101 sowie die Stringer 105, die Spanten 110, die Elemente 121, 122, 123, 124, 125 der Türrahmenstruktur 120, die Elemente der Fensterrahmenstruktur 131, das Verstärkungselement 140 sowie den Halter 145 ein Hochleistungsthermoplast verwendet. Hierbei kommt beispielsweise ein Polyaryletherketon (PAEK), ein Polyetheretherketon (PEEK), oder dergleichen zum Einsatz. Die Schweißeinrichtungen 40 sind bei den vorstehend erläuterten Ausführungsbeispielen für ein Verschweißen durch Erweichen und/oder Aufschmelzen einer derartigen thermoplastischen Kunststoffmatrix eingerichtet. Als Verstärkungsfasern sind Kohlenstofffasern, Glasfasern oder andere geeignete Fasern, oder Kombinationen dieser, in die thermoplastischen Kunststoffmatrix eingebettet.
• Soweit dies bereichsweise erforderlich oder wünschenswert ist, können zusätzlich zu den beschriebenen Schweißverbindungen Nieten oder Bolzen in den verschweißten Bereich eingebracht werden, jedoch können die thermoplastischen Schweißverbindungen alternativ ohne derartige zusätzliche Nieten oder Bolzen vorgesehen sein.
• Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.
• Bezugszeichenliste

1

Flugzeug

3

Rumpf

4

Tragfläche

6

Leitwerk

7

Leitwerk

10

Rumpfschale

11

Rumpfschale

13

innenseitige Struktur

15

Vorrichtung

15a

Legekopf

16

Vorrichtung

16a

Einrichtung

19

Pressformwerkzeug

20

Relativbewegung

21

männliches Werkzeugteil

22

Oberfläche (männliches Werkzeugteil)

28

weibliches Werkzeugteil

29

formgebende Oberfläche (weibliches Werkzeugteil)

31

Halbzeuganordnung

36

Montageeinrichtung

36‘

Montageeinrichtung

36″

Montageeinrichtung

36'''

Montageeinrichtung

37

erstes Teil (Montageeinrichtung 36)

38

zweites Teil (Montageeinrichtung 36)

39

Trennlinie

40

Schweißeinrichtung

40‘

Schweißeinrichtung

42

Kühlkanal

43‘

Schweißbereich

44

Kontaktbereich

44‘

Kontaktbereich

45

Ausnehmung (Montageeinrichtung)

46

Außenseite (Montageeinrichtung)

47

Erweiterung (Ausnehmung)

48

fluidgefülltes Kissen

48a

Haut (fluidgefülltes Kissen)

49

Polymerkissen

49a

Heizeinrichtung

49b

Heizeinrichtung

50

Basiskomponente (Montageeinrichtung)

50‘

Basiskomponente

51

Klemmeinrichtung

52

wechselbarer Einsatz

52a

Außenseite (wechselbarer Einsatz)

53

Aussparung (Basiskomponente)

55

Anordnung

64

beheizte Rolle

78

Handhabungsvorrichtung

79

Bewegungsrichtungen

80

Roboterarm (Handhabungsvorrichtung)

91

bewegbare Schweiß- und Druckaufbringungseinheit

98

Schweißadapter

99

Bereich

101

Hautelement

101a

Innenseite (Hautelement)

102

innenseitige Oberfläche (Hautelement)

105

Stringer

106

Fußbereich (Stringer)

110

Spant

110a

Grundprofil (Spant)

111

Fußbereich (Spant)

112

Stabilisierungselement (Spant)

112′

integrales Stabilisierungselement (Spant)

113

Ausschnitt (Spant)

115

optische Messeinrichtung

120

Türrahmenstruktur

121

Hauptspant

122

Hilfsspant

123

Interkostalelement

124

Balken

125

Schwelle

130

Fenster

131

Fensterrahmenstruktur

132

Fensterrahmen

140

Doppler

145

Halter

150

Strukturbauteil

151

Hautabschnitt

161

Außenseite (Strukturbauteil)

162

Innenseite (Strukturbauteil)

236

Kinematik

237

elastisches Element

E

Einsetzen

F

Fluid

K

Kraft

K′

Kraft

K″

Anpresskraft

L

Längsrichtung

R

Radialrichtung

V

Verbindungsstelle

• 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
• WO 2011/120717 A1 [0003]
• DE 102010050740 B4 [0004]

Claims (15)

1. Verfahren zum Herstellen eines Strukturbauteils (150) für ein Luft- oder Raumfahrzeug (1), wobei das Strukturbauteil (150) eine Innenseite (162) und eine Außenseite (161), einen Hautabschnitt (151) und eine innenseitige, mit dem Hautabschnitt (151) verbundene Struktur (13) zur Versteifung, Verstärkung oder Lasteinleitung aufweist, wobei ein Hautelement (101) zur Bildung des Hautabschnitts (151) und mindestens ein Element (105; 110; 121–125; 132; 140; 145) der innenseitigen Struktur (13) jeweils mit einem Faserverbundmaterial mit einer thermoplastischen Kunststoffmatrix ausgebildet werden, und wobei das Element (105; 110; 121–125; 132; 140; 145) der innenseitigen Struktur (13) mit dem Hautelement (101) zumindest abschnittsweise verschweißt wird, während das Hautelement (101) in einem in einem vorangehenden Schritt für eine Formgebung des Hautelements (101) verwendeten Werkzeugteil (28) verbleibt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als das Werkzeugteil (28) ein weibliches Werkzeugteil (28) eines zur Konsolidierung des Hautelements (101) verwendeten Pressformwerkzeugs (19) verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Verschweißen eine zumindest bereichsweise plastische Anpassung des Elements (105; 110; 121–125; 132; 140; 145) der innenseitigen Struktur (13) an das Hautelement (101), insbesondere zum Ausgleich von Fertigungstoleranzen des Elements (105; 110; 121–125; 132; 140; 145) der innenseitigen Struktur (13) und/oder des Hautelements (101), erfolgt.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschweißen induktiv oder mittels Ultraschall oder mittels eines Lasers oder durch Oberflächenkontakt mit einem erwärmten Körper erfolgt, wobei als erwärmter Körper insbesondere ein starres Druckstück (37, 38; 52; 98) oder ein mit einem erhitzten Fluid (F) gefülltes Kissen (48) oder ein beheiztes Polymerkissen (49) oder eine beheizte Rolle (64) verwendet wird, oder dass das Verschweißen mittels abschnittsweiser Erwärmung des Elements (105; 110; 121–125; 132; 140; 145) der innenseitigen Struktur (13), insbesondere mittels Infrarotstrahlung, und nachfolgendes Inkontaktbringen des Elements (105; 110; 121–125; 132; 140; 145) der innenseitigen Struktur (13) mit dem Hautelement (101) erfolgt.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschweißen ferner ein zumindest bereichsweises Kühlen des Elements (105; 110; 121–125; 132; 140; 145) der innenseitigen Struktur (13) beinhaltet.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während des Verschweißens zumindest auf einen Bereich (106; 111) des Elements (105; 110; 121–125; 132; 140; 145) der innenseitigen Struktur (13) ein Druck ausgeübt wird, wobei der Druck – mittels eines starren Druckstücks (37, 38; 52; 98) und einer geeigneten Kinematik (236) zur Bewegung des starren Druckstücks (37, 38; 52; 98) oder eines elastischen Elements (237) zur Bereitstellung einer elastischen Bewegbarkeit des starren Druckstücks (37, 38), oder – mittels eines fluidgefüllten und zumindest abschnittsweise verformbaren Kissens (48), oder – mittels eines elastisch verformbaren Polymerkissens (49), oder – mittels einer drehbaren Rolle (64) auf den Bereich (106; 111) des Elements (105; 110; 121–125; 132; 140; 145) der innenseitigen Struktur (13) ausgeübt wird.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschweißen unter Verwendung einer Montageeinrichtung (36) erfolgt, welche einen wechselbaren Einsatz (52) oder mehrere wechselbare Einsätze (52) zur Aufnahme eines Elements (105) oder mehrerer Elemente (105) der innenseitigen Struktur (13) aufweist.
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die innenseitige Struktur (13) eine Hinterbaustruktur für den Hautabschnitt (151) ist und dass als das Element der innenseitigen Struktur (13) ein Stringer (105) oder ein Spant (110) mit dem Hautelement (101) zumindest abschnittsweise verschweißt wird.
9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Elementen (105; 110; 121–125; 132; 140; 145) der innenseitigen Struktur (13) in einem Schritt mit dem Hautelement (101) verschweißt werden.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Stringern (105) als Elemente der innenseitigen Struktur (13) in einem Schritt mit dem Hautelement (101) verschweißt werden.
11. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das eine Mehrzahl von Spanten (110) als Elemente der innenseitigen Struktur (13) in einem Schritt mit dem Hautelement (101) verschweißt werden oder dass mehrere Spanten (110) sukzessive als Elemente der innenseitigen Struktur (13) in aufeinanderfolgenden Schritten mit dem Hautelement (101) verschweißt werden.
12. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die innenseitige Struktur (13) eine Hinterbaustruktur für den Hautabschnitt (151) ist und dass als das Element der innenseitigen Struktur (13) eine Türrahmenstruktur (120) oder ein Element (121–125) einer Türrahmenstruktur (120) mit dem Hautelement (101) zumindest abschnittsweise verschweißt wird.
13. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als das Element der innenseitigen Struktur (13) ein Element zur Verstärkung und/oder Versteifung des Hautabschnitts (151) im Bereich eines Ausschnitts in dem Hautabschnitt (151), insbesondere ein Fensterrahmen (132) oder ein Element (132) einer Fensterrahmenstruktur (131), mit dem Hautelement (101) zumindest abschnittsweise verschweißt wird.
14. Anordnung (55) für die Herstellung eines Strukturbauteils (150) für ein Luft- oder Raumfahrzeug (1), insbesondere mittels eines Verfahrens gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Strukturbauteil (150) eine Innenseite (162) und eine Außenseite (161), einen Hautabschnitt (151) und eine innenseitige, mit dem Hautabschnitt (151) verbundene Struktur (13) zur Versteifung, Verstärkung oder Lasteinleitung aufweist, wobei die Anordnung aufweist: ein Werkzeugteil (28), welches für eine Formgebung eines mit einem Faserverbundmaterial mit einer thermoplastischen Kunststoffmatrix ausgebildeten Hautelements (101) zur Bildung des Hautabschnitts (151) eingerichtet ist und als ein Teil eines Pressformwerkzeugs (19) zum Pressformen des Hautelements (101) in einem Stück unter der Einwirkung von Druck und erhöhter Temperatur ausgebildet ist; eine relativ zu dem Werkzeugteil (28) bewegbare Montageeinrichtung (36; 36‘; 36″; 36''') zum Aufnehmen und/oder Aufspannen und zum Positionieren mindestens eines mit einem Faserverbundmaterial mit einer thermoplastischen Kunststoffmatrix ausgebildeten Elements (105; 110; 121–125; 132; 140; 145) der innenseitigen Struktur (13); und eine Schweißeinrichtung (40; 40‘) zum zumindest abschnittsweisen Verschweißen des Elements (105; 110; 121–125; 132; 140; 145) der innenseitigen Struktur (13) mit dem Hautelement (101).
15. Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißeinrichtung (40‘) als Bestandteil einer lokalen, adaptiven Schweiß- und Druckaufbringungseinheit (91) ausgebildet ist.

Images