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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines hybridlaminarisierten Flügelkörpers, bei dem durch Formgebung und Grenzschichtabsaugen eine laminare Umströmung des Flügelkörpers erreicht werden soll.
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Unter dem stetig steigenden Kostendruck sind die Flugzeughersteller bemüht, durch geeignete Maßnahmen den Betrieb ihrer Flugzeuge kostengünstiger werden zu lassen. Ein wesentliches Hauptaugenmerk hierbei liegt in einer deutlichen Gewichtsreduktion des Gesamtgewichtes von Verkehrsflugzeugen sowie der Reduzierung von Luftwiderständen im Flug.
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Durch die konsequente Verwendung von Faserverbundwerkstoffen auch für kritische bzw. lasttragende Strukturen kann der Aspekt der Gewichtsreduzierung und somit die Einsparung von Treibstoff adressiert werden. Für die Reduzierung des Luftwiderstandes hat es sich darüber hinaus gezeigt, dass es im Flug vorteilhaft ist, wenn an der äußeren Oberfläche der Flügelkörper, insbesondere der auftriebserzeugenden Flügelkörper, möglichst lange eine laminare Grenzschicht aufrechterhalten wird, da insbesondere turbulente Strömungsanteile zu einer deutlichen Erhöhung des Luftwiderstandes führen und somit zu einem erhöhten Treibstoffverbrauch.
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Luftströmungen, die auf einen aerodynamischen Profilkörper auftreffen, neigen grundsätzlich zu einer laminaren Grenzschichtströmung. Allerdings kann es durch eine entsprechende Formgebung, bspw. durch abstehende Nieten oder Kanten in der aerodynamischen Profiloberfläche, schnell dazu führen, dass die grundsätzliche laminare Grenzschicht in eine turbulente Grenzschicht umschlägt und so den Luftwiderstand erhöht. Daher ist es für das Aufrechterhalten einer laminaren Grenzschichtströmung wichtig, dass die Formgebung das Aufrechterhalten einer Laminarströmung begünstigt und das Umschlagen in eine turbulente Grenzschichtströmung möglichst verhindert. Es hat sich darüber hinaus gezeigt, dass durch ein Absaugen der Grenzschicht mit Hilfe eines in dem Flügelkörper vorgesehenen Absaugsystems und einer mikroperforierten aerodynamischen Oberfläche eine möglichst langanhaltende Laminarströmung an dem aerodynamischen Profilkörper erreicht werden kann, was den Luftwiderstand weiter senkt und somit insgesamt Treibstoff einspart. Eine langanhaltende Laminarströmung meint hierbei, dass der Strömungsweg entlang der Profiloberfläche möglichst lang ist und im besten Fall von der Vorderkante bis zur Hinterkante des aerodynamischen Profilkörpers reicht.
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Aerodynamische Profilkörper bzw. Flügelkörper die sowohl aufgrund ihrer Formgebung als auch mit Hilfe einer Grenzschichtabsaugung eine möglichst langanhaltende Laminarströmung aufrechterhalten sollen, werden auch als hybridlaminarisierte Flügelkörper bzw. Profilkörper bezeichnet und sind unter der Bezeichnung der HLFC-Technologie zumindest derzeit im experimentellen Stadium bekannt. Ein solcher Flügelkörper weist dabei eine Struktur auf, bei der eine perforierte Außenhaut, bspw. aus einem erosionsbeständigen Material wie Metall oder Aluminium, auf eine Tragstruktur aufgebracht ist, die aufgrund ihrer Formgebung zusammen mit der darauf aufgebrachten perforierten Außenhaut einzelne Absaugkammern unter der perforierten Außenhaut bildet, um so die Luftströmung an der Außenhaut im Grenzschichtbereich absaugen zu können. Die einzelnen gebildeten Absaugkammern weisen jeweils eine oder mehrere Drosselöffnungen auf, mit denen die jeweilige Absaugkammer dann mit einem Absaugsystem zur Erzeugung eines Unterdrucks kommunizierend in Verbindung steht. Erzeugen der Absaugkammern kann bspw. dadurch erfolgen, dass die Tragstruktur an der der perforierten Außenhaut zugewandten Seite eine wellenförmige Struktur bzw. Form hat, sodass durch das Auflegen der perforierten Außenhaut aufgrund der Wellenstruktur Kammern zwischen der Tragstruktur und der perforierten Außenhaut entstehen.
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Soll eine derartige Tragstruktur für die HLFC-Technologie aus einem Faserverbundwerkstoff zur weiteren Gewichtsreduktion hergestellt werden, so ergibt sich hierbei das Problem, dass die in der Tragstruktur vorgesehenen Drosselöffnungen in spanabhebenden Verfahren in die lasttragende Faserverbundstruktur der Tragstruktur eingebracht werden müssen, was prinzipiell eine Beeinträchtigung der tragenden Struktur darstellt und entsprechende Anforderungen an die industrielle Fertigung stellt. Denn spanabhebende Verfahren durchtrennen lasttragende Fasern und schwächen somit die Struktur, was durch zusätzliches Material kompensiert werden muss. Hierdurch wird jedoch der Gewichtsvorteil durch Verwendung von Faserverbundwerkstoffen zum Teil wieder eliminiert. Des Weiteren sind Faserverbundkunststoffe meist inhomogen aufgebaut und daher mechanisch schwer zu bearbeiten, was sich in einer geringeren Maßhaltigkeit über eine Vielzahl von Bohrungen hinweg äußert. Werkzeugstandzeiten sind ebenso begrenzt wie Vorschubgeschwindigkeiten, was in einer langen Bearbeitungsdauer zum Einbringen der Drosselöffnungen resultiert. Zusätzlich ist eine geschmierte Zerspanung von Faserverbundkunststoff-Strukturen bisher nicht industriell umgesetzt, sodass infolge der Bearbeitung Stäube freigesetzt werden, welche zu binden sind.
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Des Weiteren kann das Einbringen der Drosselöffnungen erst nach Abschluss der Aushärtungsreaktion erfolgen und muss demnach an geometrisch komplex gestaltete Strukturen erfolgen, was mitunter zu Kollisionen von Werkzeug und Faserverbundstrukturen führen kann.
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Aus der
DE 10 2013 109 995 A1 ist ein Herstellungsverfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils bekannt, bei dem vor dem Aushärten des Matrixmaterials eine Art Dorn in das Fasermaterial eingebracht wird, der die Fasern nicht durchtrennt, sondern lediglich verdrängt, um so eine Öffnung in dem Faserverbundbauteil zu erzeugen. Der Dorn verbleibt bis zum Abschluss des Aushärtens des Matrixmaterials in dem Faserverbundbauteil und wird anschließend ausgebohrt, wobei die daraus entstehende Öffnung in dem Faserverbundbauteil mit einem Insert belegt wird oder mit einem Bolzen bzw. einem Niet, um das Faserverbundbauteil mit anderen Bauteilen zu verbinden. Durch das spätere Ausbohren des Platzhalters entsteht jedoch wiederum die Notwendigkeit eines spanabhebenden Verfahrens, was die oben genannten Nachteile in der industriellen Fertigung mit sich bringt.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines hybridlaminarisierten Flügelkörpers anzugeben, mit dem derartige Flügelkörper auch in einem industriellen Kontext effizient hergestellt werden können.
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Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Anspruch 1 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den entsprechenden Unteransprüchen.
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Gemäß Anspruch 1 wird ein Verfahren zur Herstellung eines hybridlaminarisierten Flügelkörpers vorgeschlagen, bei dem durch Formgebung und Grenzschichtabsaugen eine laminare Umströmung des Flügelkörpers zumindest teilweise erreicht werden soll. Der hybridlaminarisierte Flügelkörper wird dabei durch Anordnen einer perforierten Außenhaut auf eine innenliegende Tragstruktur unter Bildung einer Mehrzahl von separaten Absaugkammern derart hergestellt, dass die Absaugkammern mit der perforierten Außenhaut zum Absaugen der Grenzschicht einerseits und mit in der innenliegenden Tragstruktur vorgesehenen Drosselöffnungen zum Verbinden mit einem Absaugsystem andererseits in Wirkverbindung stehen.
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Erfindungsgemäß wird das Herstellungsverfahren nun dadurch gekennzeichnet, dass die innenliegende Tragstruktur aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt wird, wobei die in der innenliegenden Tragstruktur vorgesehenen Drosselöffnungen gerade nicht durch ein spanabhebendes Verfahren eingebracht werden sollen. Der Faserverbundwerkstoff weist dabei zum einen ein Fasermaterial und zum anderen ein Matrixmaterial als wesentliche Bestandteile auf, wobei das Matrixmaterial das Fasermaterial einbettet und nach dem Aushärten mit dem Fasermaterial eine integrale Einheit bildet.
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Erfindungsgemäß ist weiterhin vorgesehen, dass zur Realisierung eines nicht spanabhebenden Verfahrens die Drosselöffnungen eingebracht werden, indem zunächst flächige, undrapierte Faserhalbzeuge des Faserverbundwerkstoffes bereitgestellt werden. In diese flächigen, undrapierten Faserhalbzeuge werden nun Verdrängungskörper an den Stellen eingebracht, an denen später die Drosselöffnungen in die innenliegende Tragstruktur vorgesehen sein sollen, wobei das Einbringen der Verdrängungskörper so erfolgt, dass die Fasern der jeweiligen Faserhalbzeuge zerstörungsfrei verdrängt werden.
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Anschließend werden die Faserhalbzeuge mit den eingebrachten Verdrängungskörpern auf einer formgebenden Werkzeugoberfläche eines Formwerkzeuges drapiert, sodass die spätere Bauteilform der Tragstruktur gebildet wird. Anschließend wird ein die Fasern der Faserhalbzeuge einbettendes Matrixmaterial des Faserverbundwerkstoffes ausgehärtet, bspw. durch Temperierung und gegebenenfalls Druckbeaufschlagung, wobei während des Aushärtprozesses, der einige Zeit in Anspruch nehmen kann, die Verdrängungskörper in den Faserhalbzeugen verbleiben.
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Nach dem Aushärten des Matrixmaterials und die Bildung einer integralen Einheit zwischen Matrixmaterial und Fasermaterial werden die Verdrängungskörper aus dem hergestellten Bauteil entfernt und so die entsprechenden Drosselöffnungen in der Tragstruktur gebildet.
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Mit einem derartigen erfindungsgemäßen Verfahren wird es möglich, eine Tragstruktur für Flügelkörper mit HLFC-Technologie aus einem Faserverbundwerkstoff herzustellen, ohne dass die dafür benötigten Drosselöffnungen für das Absaugsystem mittels eines spanabhebenden Verfahrens eingebracht werden müssen.
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Erfindungsgemäß wurde dabei erkannt, dass in die flächigen, undrapierten Faserhalbzeuge die Verdrängungskörper eingebracht werden können und anschließend diese mit dem Verdrängungskörper versehenen Faserhalbzeuge dann auf der entsprechenden formgebenden Werkzeugoberfläche drapiert werden können, ohne dass die eingebrachten Verdrängungskörper die Fasern beschädigen oder das Faserhalbzeug insgesamt unbrauchbar machen. Denn der Prozess des Drapierens ist in dem gesamten Herstellungsprozess ein sehr kritischer Prozessschritt, da hier nicht selten Fasern verschoben bzw. verschert werden und es nicht selten zu Materialstauchungen oder -streckungen kommt, die später dann zu einer strukturbedingten Beeinflussung führen. Erfindungsgemäß können jedoch die Verdrängungskörper in den Faserhalbzeugen während des Drapiervorgangs verbleiben, ohne den Prozess des Drapierens negativ zu beeinflussen, sodass sich hierdurch der Vorteil ergibt, dass später nicht die Verdrängungskörper in die bereits drapierten Faserhalbzeuge und somit in die komplexe geometrische Struktur eingebracht werden müssen.
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Des Weiteren wurde von dem Erfinder erkannt, dass eine derartige Drosselöffnung, die mit Hilfe eines solchen Verdrängungskörpers, wie er erfindungsgemäß beschrieben ist, hergestellt wurde, als Drosselöffnung zur Absaugung der Grenzschicht geeignet ist, auch wenn die Innenwandung der Drosselöffnung nicht mit einem Insert ausgekleidet wurde. Tatsächlich kann mit Hilfe eines derartigen Verdrängungskörpers eine Drosselöffnung so hergestellt werden, dass diese den vorgegebenen Toleranzwerten und Maßen entspricht und diese Maßhaltigkeit über eine Vielzahl dieser Drosselöffnungen hinweg eingehalten werden kann, und zwar auch dann, wenn die Verdrängungskörper in die flächigen, undrapierten Faserhalbzeuge eingebracht und anschließend die Faserhalbzeuge erst drapiert werden.
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Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass durch die mit den Verdrängungskörpern erzeugten Drosselöffnungen keine Faserenden freigelegt werden. Eine nachträgliche Kantenversiegelung der Drosselöffnungen zur Minimierung der Wasseraufnahme von Faserverbundbauteilen in feuchten Umgebungen kann somit entfallen.
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Unter dem Begriff „flächig“ wird dabei insbesondere ein Faserhalbzeug verstanden, das eine flache Ausdehnung hat und dabei eine relativ geringe Stärke bzw. Dicke oder Höhe aufweist. Unter dem Begriff „undrapiert“ wird darüber hinaus verstanden, dass das Faserhalbzeug noch nicht in seine endgültige Bauteilform gebracht wurde und bevorzugter Weise noch in einem flachen, nicht verformten Zustand vorliegt.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform wird zunächst aus den bereitgestellten, undrapierten Faserhalbzeugen eine oder mehrere Faserlagenpakte gebildet, die aus mehreren Schichten bzw. Lagen der bereitgestellten Faserhalbzeuge hergestellt werden. In diese so lagen- bzw. schichtweise erzeugten Faserlagenpakte werden nun die Verdrängungskörper eingebracht, wobei anschließend nach dem Schritt der Preformherstellung und des Einbringens der Verdrängungskörper dann die Faserlagenpakete bzw. das nur eine Faserlagenpaket dann auf das Formwerkzeug drapiert wird. Hier wurde erkannt, dass ein solcher Verdrängungskörper im undrapierten Zustand auch durch mehrere Schichten bzw. Lagen Fasermaterial hindurch eingebracht werden kann, ohne dabei die Fasern zu zerstören, wobei dennoch die an die Drosselöffnungen bestellten Randbedingungen eingehalten werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform werden mehrere verschiedene Verdrängungskörper bereitgestellt, die jeweils unterschiedliche Querschnittsgrößen und/oder Querschnittsformen haben, wobei jeder Drosselöffnung eine bestimmte Öffnungsgröße und/oder Öffnungsform vorgegeben ist und ein Verdrängungskörper für eine gewisse Stelle, an der eine Drosselöffnung gebildet werden soll, in Abhängigkeit von der für die jeweilige Drosselöffnung an dieser Stelle vorgegebenen Öffnungsgröße und/oder Öffnungsform ausgewählt wird.
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Somit lassen sich über die gesamte Ausdehnung der Tragstruktur hinweg verschiedene Drosselöffnungen mit jeweils verschiedenen Querschnittsgrößen und/oder Querschnittsformen einbringen, wodurch die Absaugung an der aerodynamischen Oberfläche des Profilkörpers hinsichtlich der Stärke beeinflusst werden kann. So werden im Bereich der Vorderkante grundsätzlich größere Drosselöffnungen vorgesehen, um hier den Effekt der Absaugung zu verstärken, während in Richtung der Hinterkante des Flügelkörpers die Drosselöffnungen kleiner werden, um so die Absaugkraft abzuschwächen.
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Dabei ist es denkbar, dass als Verdrängungskörper ein Dorn verwendet wird, der eine kegelförmige Spitze aufweist, um den Dorn zerstörungsfrei in das Fasermaterial einführen zu können. Denkbar ist aber auch, dass ein Faden als Verdrängungskörper verwendet wird, der bspw. verschiedene Stärken aufweisen kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform werden als Faserhalbzeuge zumindest trockene Faserhalbzeuge bereitgestellt, die noch nicht mit einem Matrixmaterial imprägniert bzw. vorimprägniert sind, wobei nach dem Drapieren der Faserhalbzeuge auf der vorgegebenen Werkzeugoberfläche die trockenen Faserhalbzeuge mit einem Matrixmaterial infundiert werden. Hierfür ist es bspw. vorteilhaft, wenn das auf dem Formwerkzeug drapierte Fasermaterial mit Hilfe eines Vakuumaufbaus vakuumdicht abgedichtet wird und anschließend das Bauteil evakuiert wird, um so das Matrixmaterial besser in das Fasermaterial infundieren zu können. Denkbar ist es allerdings auch, dass bereits vorimprägnierte Faserhalbzeuge (sogenannte Prepregs) bereitgestellt werden, die im weiteren Herstellungsverlauf nicht notwendigerweise mit einem Matrixmaterial infundiert werden müssen.
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Es hat sich des Weiteren als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Verdrängungskörper mit einem Trennmittel beschichtet bzw. versehen werden oder mit einem solchen Trennmittel bereitgestellt werden, damit sich die Verdrängungskörper ohne ein zu starkes Anhaften an das sich aushärtende Matrixmaterial wieder aus den gebildeten Öffnungen zerstörungsfrei entfernt werden können. Denkbar ist aber auch, dass die Verdrängungskörper aus einem Material bestehen, das grundsätzlich die Eigenschaft hat, nur schwer mit dem Matrixmaterial eine klebende Verbindung einzugehen.
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Die Aufgabe wird im Übrigen auch mit dem Verwendungsanspruch 8 zur Verwendung eines Faserverbundbauteils als Tragstruktur eines hybridlaminarisierten Flügelkörpers gelöst, wobei das Faserverbundbauteil eine Mehrzahl von Drosselöffnungen enthält, die durch Verdrängungskörper gebildet werden, die in die Faserhalbzeuge an den Stellen, an denen spätere die Drosselöffnungen in der innenliegenden Tragstruktur vorgesehen sein sollen, durch zerstörungsfreies Verdrängen der Fasern der jeweiligen Faserhalbzeuge eingebracht und nach dem Aushärten eines die Fasern der Faserhalbzeuge einbettenden Matrixmaterials entfernt werden.
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Die Erfindung wird anhand der beigefügten Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
- 1 schematische Darstellung eines Teilausschnittes eines hybridlaminarisierten Flügelkörpers;
- 2 schematische Darstellung des Einbringens eines Verdrängungskörpers in Faserhalbzeuge;
- 3 beispielhafte schematische Darstellung des Herstellungsverfahrens in einem Teilaspekt.
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1 zeigt in einem Ausschnitt einen Teil eines hybridlaminarisierten Flügelkörpers 1, der eine Außenhaut 2 und eine Tragstruktur 3 hat. Die Tragstruktur 3 weist an ihrer der Außenhaut 2 zugewandten Seite eine wellenförmige Profilierung 4 auf, wobei zwischen zwei Wellenbergen eine Kavität 5 gebildet wird, aus der sich dann durch Anordnen der Außenhaut 2 auf diese wellenförmige Profilierung 4 der Tragstruktur 3 dann die Absaugkammern 6 bilden lassen.
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Die Außenhaut 2 ist dabei perforiert ausgebildet, insbesondere im Bereich der Mikroperforierung und kann bspw. Öffnungen von weniger als 100 µm aufweisen. Durch diese perforierte Außenhaut 2 kann durch Erzeugen eines Unterdrucks in den Absaugkammern 6 ein Absaugen von einem umströmenden Fluid in die Absaugkammern 6 erreicht werden, was schematisch durch die Pfeile 7 angedeutet ist.
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Zum Erzeugen eines Unterdrucks in den Absaugkammern 6 ist darüber hinaus jede Absaugkammer 6 über eine Drosselöffnung 8 kommunizierend mit einem Absaugsystem 9 verbunden, wobei das Absaugsystem 9 bspw. eine Unterdruckkammer innerhalb der Flügelvorderkante sein kann, die mit den jeweiligen Absaugkammern 6 über die Drosselöffnungen 8 kommunizierend in Verbindung steht.
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Die Drosselöffnungen 8 können dabei unterschiedliche Durchmesser aufweisen, um so die Absaugkraft entsprechend einstellen zu können.
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Mit einem derartigen Flügelkörper 1 ist es möglich, gezielt die Grenzschicht bei der Anströmung des aerodynamischen Flügelkörpers 1 abzusaugen und so einen langanhaltenden Verlauf einer laminaren Grenzschicht über den Querschnitt des Flügelkörpers hinweg aufrechtzuerhalten.
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Erfindungsgemäß soll dabei die Tragstruktur 3 mit den Drosselöffnungen 8 aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt werden, wobei die Drosselöffnungen 8 gerade nicht mit Hilfe eines spanabhebenden Verfahrens erzeugt werden sollen, wie dies bspw. beim Bohren der Fall wäre. Erfindungsgemäß wird nunmehr vorgeschlagen, dass mit Hilfe eines Verdrängungskörpers 100, wie er in 2 schematisch angedeutet ist, die Fasern durch Einbringen des Verdrängungskörpers 100 in das Faserhalbzeug 110 zerstörungsfrei verdrängt werden, wobei der Verdrängungskörper 100 während des Aushärtens des Matrixmaterials in dem Fasermaterial 110 verbleibt. Es ist schematisch angedeutet, dass im Verdrängungsbereich 120 die Fasern des Fasermaterials 110 nicht zerstört, sondern lediglich aus ihrer Bahn abgelenkt werden, wodurch die lasttragende Eigenschaft des Bauteils weiter erhalten bleibt.
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3 zeigt schematisch das flächige Faserlagenpaket 200, das aus mehreren Lagen Faserhalbzeug 110 aufgebaut ist. Im Verdrängungsbereich 120, an deren Stelle später die entsprechende Drosselöffnung vorgesehen sein soll, wird nun ein Verdrängungskörper 210 eingebracht, der am oberen Ende einen Flansch aufweist und so bündig mit dem oberen Faserlagenpaket 200 abschließt. An einer Unterseite, die später dann mit einem Formwerkzeug in Kontakt gebracht wird, schließt der Verdrängungskörper 210 bündig mit der Unterseite des Faserlagenpaketes ab.
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Nach Bildung derartiger Faserlagenpakete sowie dem Einbringen der jeweiligen Verdrängungskörper 200 wird das Faserlagenpaket 200 auf eine formgebende Werkzeugoberfläche 310 eines Formwerkzeuges 300 aufgelegt, was im unteren Teil der 3 schematisch angedeutet ist. Hierbei wird das Faserlagenpaket 200 in seine spätere Bauteilform gebracht und kann nun als Bauteil 320 bezeichnet werden. Hierbei wird das Faserlagenpaket 200 insbesondere aus seiner ursprünglichen Faserebene heraus, auch mehrfach, gekrümmt und erhält so seine spätere Bauteilform.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- hybridlaminarisierter Flügelkörper
- 2
- Außenhaut
- 3
- Tragstruktur
- 4
- wellenförmige Profilierung
- 5
- Kavität
- 6
- Absaugkammern
- 7
- Absaugung
- 8
- Drosselöffnung
- 9
- Absaugsystem
- 100
- Verdrängungskörper
- 110
- Faserhalbzeug
- 120
- Verdrängungsbereich
- 200
- Faserlagenpaket
- 210
- Verdrängungskörper
- 300
- Werkzeug
- 310
- formgebende Werkzeugoberfläche
- 320
- Bauteil
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013109995 A1 [0008]
