DE102017201532A1

DE102017201532A1 - Doppelwandiges Rohrelement und Verfahren zur Herstellung eines doppelwandigen Rohrelements

Info

Publication number: DE102017201532A1
Application number: DE102017201532.2A
Authority: DE
Inventors: Florian KEDOR; Tobias FISLAGE; Ralf Wördemann; Christian Grützmann
Original assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2016-02-02
Filing date: 2017-01-31
Publication date: 2017-08-03
Also published as: US20170219134A1

Abstract

Ein insbesondere zur Verwendung in einem Treibstoffsystem eines Luftfahrzeugs geeignetes Rohrelement (10) umfasst ein Innenrohr (12) und ein das Innenrohr (12) abdichtend umgebendes und mit dem Innenrohr (12) verbundenes Außenrohr (14). Das Rohrelement (10) ist einstückig aufgebaut und durch ein 3D-Druckverfahren hergestellt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein insbesondere zur Verwendung in einem Treibstoffsystem eines Luftfahrzeugs geeignetes Rohrelement. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Rohrelements.
Durch einen bedruckten Rumpfbereich eines Luftfahrzeugs verlaufende treibstoffführende Rohre sind üblicherweise doppelwandig ausgeführt, so dass im Fall einer Leckage aus einem Innenrohr austretender Treibstoff in einem Außenrohr aufgefangen wird. Das Außenrohr steht über ein entsprechendes Drainagesystem mit der Flugzeugumgebung in Verbindung, wodurch sichergestellt wird, dass im Fall einer Leckage in dem Außenrohr aufgefangener Treibstoff sicher in die Flugzeugumgebung abgeleitet werden kann.
Gegenwärtig in Luftfahrzeugen verbaute doppelwandige Treibstoffrohre werden in einem mehrstufigen Herstellungsprozess gefertigt. In einem ersten Arbeitsgang werden zunächst das Innenrohr und das Außenrohr getrennt voneinander gegossen oder zerspant. Anschließend erfolgt eine Vorzerspanung von Fügeflächen der Rohre. Im nächsten Schritt werden das Innenrohr und das Außenrohr miteinander verschweißt. Schließlich erfolgt in den meisten Fällen die Endzerspanung, d. h. die spanende End- und Feinbearbeitung des Bauteils.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein insbesondere zur Verwendung in einem Treibstoffsystem eines Luftfahrzeugs geeignetes Rohrelement anzugeben, das einfach und kostengünstig und, falls erforderlich, mit einer komplexen Geometrie herstellbar ist. Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem ein insbesondere zur Verwendung in einem Treibstoffsystem eines Luftfahrzeugs geeignetes Rohrelement einfach und kostengünstig und, falls erforderlich, mit einer komplexen Geometrie hergestellt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch ein doppelwandiges Rohrelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung eines doppelwandigen Rohrelements mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst.
Ein insbesondere zur Verwendung in einem Treibstoffsystem eines Luftfahrzeugs geeignetes Rohrelement umfasst ein Innenrohr sowie ein das Innenrohr abdichtend umgebendes und mit dem Innenrohr verbundenes Außenrohr. Durch eine derartige Gestaltung des Rohrelements wird sichergestellt, dass eine im Fall einer Leckage aus dem Innenrohr austretende Flüssigkeit, beispielsweise Treibstoff, in dem Außenrohr aufgefangen wird. Von dem Außenrohr kann die Flüssigkeit dann, beispielsweise über ein geeignetes Drainagesystem, abgeleitet werden.
Das Rohrelement ist einstückig aufgebaut und durch ein 3D-Druckverfahren hergestellt. Ein 3D-Druckverfahren ist ein generatives Schichtbauverfahren, durch das pulverförmige Rohstoffe zu komplex geformten 3-dimensionalen Werkstücken verarbeitet werden können. Hierzu wird eine Rohstoffpulverschicht auf einen Träger aufgebracht und in Abhängigkeit der gewünschten Geometrie des zu erstellenden Werkstücks ortsselektiv mit Laserstrahlung beaufschlagt. Die Steuerung des Lasers erfolgt anhand von CAD-Daten. Die in die Pulverschicht eindringende Laserstrahlung bewirkt eine Erwärmung und folglich Verschmelzung oder Versinterung der Rohstoffpulverpartikel. Anschließend werden sukzessiv weitere Rohstoffpulverschichten auf die bereits bestrahlte Schicht auf dem Träger aufgebracht, bis das Werkstück die gewünschte Form und Größe hat.
Mittels des 3D-Druckverfahrens können das Innenrohr und das Außenrohr gleichzeitig und in einem Stück hergestellt werden. Dadurch werden kürzere Herstellzeiten und verringerte Produktionskosten möglich. Ferner können durch 3D-Drucken sehr komplexe Geometrien, wie zum Beispiel Hinterschnitte oder dergleichen, hergestellt werden, die mit konventionellen Fertigungsverfahren nicht realisierbar sein. Dadurch kann das Design des Rohrelements hinsichtlich seiner Funktion und seines Gewichts optimiert werden. Schließlich entfällt die bei einem Gussverfahren erforderliche Gussform als Zwischenschritt zur Herstellung des Gussrohlings.
In einer bevorzugten Ausführungsform besteht das Rohrelement aus Metall und ist durch ein 3D-Metalldruckverfahren hergestellt. Das Rohrelement ist dann gut zur Verwendung in einem Treibstoffsystem eines Luftfahrzeugs geeignet.
Vorzugsweise besteht das Rohrelement aus Titan oder einer Titanlegierung. Titan ist ein korrosions- und feuerresistenter, leichtgewichtiger Werkstoff, der sich besonders gut zur Herstellung von Rohrelementen eines Luftfahrzeugtreibstoffsystems eignet. Alternativ dazu kann das Rohrelement aber auch aus anderen metallischen Materialien, wie z. B. Aluminium oder Stahllegierungen gefertigt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Rohrelements bildet eine Oberfläche eines Bauteilüberhangs, die einer horizontalen Basisebene des Rohrelements zugewandt ist, mit der horizontalen Basisebene des Rohrelements einen Winkel, der größer ist als 35°. Das Rohrelement kann dann ohne zusätzliche Stützelemente für diese Oberfläche gedruckt werden. Vorzugsweise ist das Rohrelement so gestaltet, dass alle der horizontalen Basisebene des Rohrelements zugewandten Oberflächen aller an dem Rohrelement vorgesehenen Bauteilüberhänge mit der horizontalen Basisebene des Rohrelements einen Winkel bilden, der größer ist als 35°. Alternativ dazu kann eine einer horizontalen Basisebene des Rohrelements zugewandte Oberfläche eines Bauteilüberhangs, die mit der horizontalen Basisebene des Rohrelements einen Winkel bildet, der kleiner ist als 35°, mittels eines Stützelements oder mehrerer Stützelemente abgestützt sein. Durch das Vorsehen eines Stützelements können somit auch Bauteilgeometrien realisiert werden, die sonst nicht ohne weiteres gedruckt werden können. Es versteht sich, dass das Rohrelement neben Bauteilüberhängen, deren der horizontalen Basisebene des Rohrelements zugewandte Oberflächen durch ein Stützelement abgestützt sind, auch Bauteilüberhänge aufweisen kann, deren der horizontalen Basisebene des Rohrelements zugewandte Oberflächen mit der horizontalen Basisebene des Rohrelements einen Winkel bilden, der größer ist als 35°, und damit ohne Stützelement auskommen.
Das mindestens eine Stützelement, das die der horizontalen Basisebene des Rohrelements zugewandte Oberfläche des Bauteilüberhangs, die mit der horizontalen Basisebene des Rohrelements einen Winkel bildet, der kleiner ist als 35°, abstützt, erstreckt sich vorzugsweise im Wesentlichen senkrecht zu der horizontalen Basisebene des Rohrelements. Dadurch wird eine optimale Abstützwirkung erreicht. Gleichzeitig ist das Stützelement gut zugänglich.
Vorzugsweise ist das mindestens eine Stützelement nach der Beendigung des 3D-Druckprozesses durch ein spanendes Verfahren von dem Rohrelement entfernbar. Beispielsweise kann das Stützelement so angebracht und dimensioniert sein, dass es durch Fräsen oder ein anderes geeignetes spanabhebendes Verfahren entfernt werden kann, wenn das 3D-Druckverfahren abgeschlossen und eine Abstützung der der horizontalen Basisebene des Rohrelements zugewandte Oberfläche des Bauteilüberhangs nicht länger erforderlich ist.
Bei einem Verfahren zur Herstellung eines Rohrelements, das insbesondere zur Verwendung in einem Treibstoffsystem eines Luftfahrzeugs geeignet ist, werden ein Innenrohr und ein das Innenrohr abdichtend umgebendes mit dem Innenrohr verbundenes Außenrohr gleichzeitig durch ein 3D Druckverfahren hergestellt. Dadurch wird ein einstückig aufgebautes Rohrelement erhalten.
Vorzugsweise besteht das Rohrelement aus Metall und wird durch ein 3D-Metalldruckverfahren hergestellt.
Insbesondere kann das Rohrelement aus Titan oder einer Titanlegierung bestehen. Alternativ dazu kann das Rohrelement aber auch aus anderen metallischen Materialien, wie z. B. Aluminium oder Stahllegierungen gefertigt werden.
Vorzugsweise wird das Rohrelement mit einer derartigen Geometrie hergestellt, dass eine einer horizontalen Basisebene des Rohrelements zugewandte Oberfläche eines Bauteilüberhangs mit der horizontalen Basisebene des Rohrelements einen Winkel bildet, der größer ist als 35°.
Alternativ oder zusätzlich dazu kann durch das 3D-Druckverfahren gleichzeitig mit dem Innenrohr und dem Außenrohr mindestens ein Stützelement hergestellt werden, dass eine einer horizontalen Basisebene des Rohrelements zugewandte Oberfläche eines Bauteilüberhang abstützt, die mit der horizontalen Basisebene des Rohrelements einen Winkel bildet, der kleiner ist als 35°.
Das mindestens eine Stützelement, das die der horizontalen Basisebene des Rohrelements zugewandte Oberfläche des Bauteilüberhangs abstützt, kann sich im Wesentlichen senkrecht zu der horizontalen Basisebene des Rohrelements erstrecken.
Vorzugsweise wird das mindestens eine Stützelement nach der Beendigung des 3D-Druckprozesses durch ein spanendes Verfahren von dem Rohrelement entfernt. Beispielsweise kann das Stützelement durch Fräsen oder ein anderes geeignetes spanabhebendes Verfahren von dem Rohrelement entfernt werden.
Zusätzlich oder alternativ zu der Entfernung des Stützelements kann nach der Beendigung des 3D-Druckprozesses eine spanende Nachbearbeitung des Rohrelements erfolgen, die beispielsweise der Feinbearbeitung der endgültigen Geometrie des Rohrelements oder der Bearbeitung von Oberflächen des Rohrelements dienen kann.
Ein Treibstoffsystem zur Installation in einem Luftfahrzeug umfasst ein oben beschriebenes Rohrelement.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nun anhand der beigefügten, schematischen Zeichnung näher erläutert, von denen
1 eine dreidimensionale Darstellung eines zur Verwendung in einem Treibstoffsystem eines Luftfahrzeugs geeignetes Rohrelement zeigt und
2 eine dreidimensionale aufgeschnittene Darstellung des Rohrelements gemäß 1 zeigt
3 eine Schnittansicht des Rohrelements gemäß 1 zeigt und
4a und b Seitenansichten zweier verschieden geformter Rohrelemente zeigen, die das Design der Rohrelemente mit und ohne Stützelemente veranschaulichen.
Ein in 1 bis 3 veranschaulichtes Rohrelement 10, das zum Einsatz in einem Treibstoffsystem eines Luftfahrzeugs vorgesehen ist, umfasst ein Innenrohr 12. Ferner ist ein Außenrohr 14 vorhanden, das das Innenrohr 12 abdichtend umgibt und über Stege 16 mit dem Innenrohr 12 verbunden ist. Durch ein derartiges Design des Rohrelements 10 wird sichergestellt, dass bei einer Leckage aus dem Innenrohr 12 austretender Treibstoff in dem Außenrohr 14 aufgefangen wird. Das Außenrohr 14 steht über ein entsprechendes Drainagesystem (nicht gezeigt) mit der Flugzeugumgebung in Verbindung. Über das Drainagesystem kann im Fall einer Leckage des Innenrohrs 12 in dem Außenrohr 14 aufgefangener Treibstoff sicher in die Flugzeugumgebung abgeleitet werden.
Das Rohrelement 10 ist einstückig aufgebaut und durch ein 3D-Druckverfahren hergestellt. Zur Herstellung des Rohrelements 10 wird eine Rohstoffpulverschicht auf einen Träger aufgebracht und in Abhängigkeit der gewünschten Geometrie des Rohrelements 10 ortsselektiv mit Laserstrahlung beaufschlagt. Die Steuerung des Lasers erfolgt anhand von CAD-Daten. Die in die Pulverschicht eindringende Laserstrahlung bewirkt eine Erwärmung und folglich Verschmelzung oder Versinterung der Rohstoffpulverpartikel. Anschließend werden sukzessiv weitere Rohstoffpulverschichten auf die bereits bestrahlte Schicht auf dem Träger aufgebracht, bis das Rohrelement 10 die gewünschte Form und Größe hat.
In der in den Figuren gezeigten bevorzugten Ausführungsform besteht das Rohrelement 10 aus Metall, insbesondere Titan oder einer Titanlegierung, und ist durch ein 3D-Metalldruckverfahren hergestellt. Bei dem 3D-Metalldruckverfahren zur Herstellung des Rohrelements 10 werden folglich Metallpulverpartikel, insbesondere Titan- oder Titanlegierungspulverpartikel, wie oben beschrieben, verarbeitet. Alternativ dazu kann das Rohrelement aber auch aus anderen metallischen Materialien, wie z. B. Aluminium oder Stahllegierungen gefertigt werden.
Grundsätzlich wird angestrebt, die Geometrie des Rohrelements 10 so zu gestalten, dass möglichst alle einer horizontalen Basisebene B des Rohrelements 10 zugewandte Oberflächen eines Bauteilüberhangs mit der horizontalen Basisebene B des Rohrelements 10 einen Winkel bilden, der größer ist als 35°. In dem in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiel bildet jedoch eine Oberfläche 18 eines Bauteilüberhangs 20, hier die Unterseite eines an dem Rohrelement 10 vorgesehenen Flanschs 26, mit der horizontalen Basisebene B des Rohrelements 10 einen Winkel α der kleiner ist als 35°, siehe insbesondere 3.
Um das Rohrelement 10 mit dieser Geometrie in einem 3D-Druckverfahren herstellen zu können, wird mindestens ein in den 1 und 2 veranschaulichtes Stützelement 22 vorgesehen, das gemeinsam mit dem Innenrohr 12 und dem Außenrohr 14 gedruckt wird und während des schichtweisen Aufbaus des Rohrelements 10 dafür sorgt, dass der Bauteilüberhang 20 und die der horizontalen Basisebene B des Rohrelements zugewandte Oberfläche 18 des Bauteilüberhangs 20 die gewünschte Orientierung erhalten und in dieser Orientierung gehalten werden. Das Stützelement 22 erstreckt sich im Wesentlichen senkrecht zu der Basisebene B des Rohrelements 10.
Nach Beendigung des 3D-Druckprozesses wird das mindestens eine Stützelement 22 durch ein spanendes Verfahren von dem Rohrelement 10 entfernt. Beispielsweise kann das Stützelement 22 von dem Rohrelement 10 abgefräst werden, um dem Rohrelement 10 die in 3 veranschaulichte endgültige Gestalt zu geben. Schließlich erfolgt eine spanende Nachbearbeitung des Rohrelements 10, die beispielsweise der Feinbearbeitung der endgültigen Geometrie des Rohrelements 10 oder der Bearbeitung von Oberflächen des Rohrelements 10 dienen kann.
Die 4a und b zeigen verschiedene Designs des Rohrelements 10, die nochmals die Ausgestaltung des Rohrelements 10 mit und ohne Stützelement(e) 22 veranschaulichen. Bei dem in 4a gezeigten Rohrelement 10 ist die ”kritische” der horizontalen Basisebene B des Rohrelements 10 zugewandte Oberfläche des Bauteilüberhangs 20 ein Abschnitt 24a einer Außenfläche 24 des in Richtung der horizontalen Basisebene B gekrümmten Außenrohrs 14. Dieser Flächenabschnitt 24a bildet mit der horizontalen Basisebene B einen Winkel α, der kleiner ist als 35° und muss daher durch ein entsprechendes Stützelement 22 abgestützt werden.
Bei dem in 4b gezeigten Rohrelement 10, dessen Außenrohr 14 weniger stark gekrümmt ist, bilden dagegen alle Abschnitte der Außenfläche 24 mit der horizontalen Basisebene B einen Winkel α, der größer ist als 35°. Dementsprechend können diese Oberflächen im Zuge eines 3D-Druckprozesses ohne Stützelemente gefertigt werden. Bei dem Rohrelement 10 gemäß 4b bildet jedoch, wie in der Anordnung gemäß 3, die Oberfläche 18, d. h. die Unterseite eines an dem Rohrelement 10 vorgesehenen Flanschs 26, die ”kritische” der horizontalen Basisebene B des Rohrelements 10 zugewandte Oberfläche des Bauteilüberhangs 20. Diese Oberfläche 18 bildet mit der horizontalen Basisebene B einen Winkel α von ca. 30°, d. h. einen Winkel α, der kleiner ist als 35° und muss daher während des 3D-Druckprozesses mittels entsprechender Stützelemente 22 abgestützt werden.

Claims

Rohrelement (10), insbesondere zur Verwendung in einem Treibstoffsystem eines Luftfahrzeugs, das umfasst: – ein Innenrohr (12) und – ein das Innenrohr (12) abdichtend umgebendes und mit dem Innenrohr (12) verbundenes Außenrohr (14), wobei das Rohrelement (10) einstückig aufgebaut und durch ein 3D-Druckverfahren hergestellt ist.
Rohrelement nach Anspruch 1, wobei das Rohrelement (10) aus Metall besteht und durch ein 3D-Metalldruckverfahren hergestellt ist.
Rohrelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Rohrelement (10) aus Titan oder einer Titanlegierung, Aluminium oder einer Stahllegierung besteht.
Rohrelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei eine einer horizontalen Basisebene (B) des Rohrelements (10) zugewandte Oberfläche (18) eines Bauteilüberhangs (20) mit der horizontalen Basisebene (B) des Rohrelements (10) einen Winkel bildet, der größer ist als 35°.
Rohrelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine einer horizontalen Basisebene (B) des Rohrelements (10) zugewandte Oberfläche (18) eines Bauteilüberhangs (20), die mit der horizontalen Basisebene (B) des Rohrelements (10) einen Winkel bildet, der kleiner ist als 35°, mittels mindestens eines Stützelements (22) abgestützt ist.
Rohrelement nach Anspruch 5, wobei sich das mindestens eine Stützelement (22) im Wesentlichen senkrecht zu der horizontalen Basisebene (B) des Rohrelements (10) erstreckt.
Rohrelement nach Anspruch 5 oder 6, wobei das Stützelement (22) nach der Beendigung des 3D-Druckprozesses durch ein spanendes Verfahren von dem Rohrelement (10) entfernbar ist.
Verfahren zur Herstellung eines Rohrelements (10), das insbesondere zur Verwendung in einem Treibstoffsystem eines Luftfahrzeugs geeignet ist, bei dem ein Innenrohr (12) und ein das Innenrohr (12) abdichtend umgebendes und mit dem Innenrohr (12) verbundenes Außenrohr (14) gleichzeitig durch ein 3D-Druckverfahren hergestellt werden und dadurch ein einstückig aufgebautes Rohrelement (10) erhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Rohrelement (10) aus Metall besteht und durch ein 3D-Metalldruckverfahren hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei das Rohrelement (10) aus Titan oder einer Titanlegierung, Aluminium oder einer Stahllegierung besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei das Rohrelement (10) mit einer derartigen Geometrie hergestellt wird, dass eine einer horizontalen Basisebene (B) des Rohrelements (10) zugewandte Oberfläche (18) eines Bauteilüberhangs (20) mit der horizontalen Basisebene (B) des Rohrelements (10) einen Winkel bildet, der größer ist als 35°.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei durch das 3D-Druckverfahren gleichzeitig mit dem Innenrohr (12) und dem Außenrohr (14) mindestens ein Stützelement (22) hergestellt wird, das eine einer horizontalen Basisebene (B) des Rohrelements (10) zugewandte Oberfläche (18) eines Bauteilüberhangs (20) abstützt, die mit der horizontalen Basisebene (B) des Rohrelements (10) einen Winkel bildet, der kleiner ist als 35°.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei sich das Stützelement (22) im Wesentlichen senkrecht zu der horizontalen Basisebene (B) des Rohrelements (10) erstreckt.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei das mindestens eine Stützelement (22) nach der Beendigung des 3D-Druckprozesses durch ein spanendes Verfahren von dem Rohrelement (10) entfernt wird.
Treibstoffsystem zur Installation in einem Luftfahrzeug, das ein Rohrelement (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 umfasst.