DE102019111836B4

DE102019111836B4 - Profilbauteil zur Verstärkung von Bauteilstrukturen, Bauteilstruktur sowie Herstellungsverfahren hierzu

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Publication number: DE102019111836B4
Application number: DE102019111836.0A
Authority: DE
Inventors: Markus Kleineberg; Sven Ropte
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2019-05-07
Filing date: 2019-05-07
Publication date: 2023-06-29
Anticipated expiration: 2039-05-08
Also published as: FR3095775A1; FR3095775B1; DE102019111836A1

Abstract

Profilbauteil (10) zur Verstärkung von Bauteilstrukturen, welches eine längliche Ausdehnung aufweist und eine profilierte Querschnittsform hat, die einen Stegabschnitt (11) und wenigstens einen an einer Seite des Stegabschnittes (11) angrenzenden Gurtabschnitt (12, 13) ausbildet, wobei das Profilbauteil (10) aus einem Faserverbundwerkstoff aufweisend ein Fasermaterial und ein das Fasermaterial einbettendes Matrixmaterial hergestellt ist, wobei das Profilbauteil (10) aus einer Mehrzahl von einzelnen Profilsegmenten (20) gebildet ist, die einzeln aus dem Faserverbundwerkstoff hergestellt sind und an den beiden Längsenden (21, 22) jeweils einen Fügeabschnitt (23, 24) ausbilden, über den die einzelnen Profilsegmente (20) stoff-, kraft- und/oder formschlüssig miteinander zur Bildung des Profilbauteils (10) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Profilbauteil (10) in Längsrichtung gekrümmt ist,- indem die einzelnen Profilsegmente (20) in Längsrichtung gekrümmt sind, wobei der Radius eines einzelnen gekrümmten Profilsegmentes (20) größer ist als der Radius des Profilbauteils (10) und/oder dass der Radius einer Hauptfaserrichtung des Fasermaterials eines einzelnen gekrümmten Profilsegmentes (20) größer ist als der Radius des Profilbauteils (10), oder- indem die einzelnen Profilsegmente (20) ungekrümmt und in ihren jeweiligen Fügeabschnitten (23, 24) unter einem entsprechenden Krümmungswinkel miteinander verbunden sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Profilbauteil zur Verstärkung von Bauteilstrukturen, wobei ein solches gattungsgemäßes Profilbauteil eine längliche Ausdehnung aufweist und eine profilierte Querschnittsform hat. Die Erfindung betrifft ebenso eine Bauteilstruktur mit mindestens einem solchen Profilbauteil.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Profilbauteils zur Verstärkung von Bauteilstrukturen sowie ein Verfahren zur Herstellung derartiger Bauteilstrukturen, welche die erfindungsgemäßen Profilbauteile aufweisen.
Aufgrund der gewichtsspezifischen Festigkeit und Steifigkeit sind Faserverbundwerkstoffe aus der Luft- und Raumfahrt sowie aus anderen gewichtskritischen Bereichen kaum mehr wegzudenken. Faserverbundwerkstoffe weisen dabei hauptsächlich zwei wesentliche Bestandteile auf, nämlich zum einen ein Fasermaterial und zum anderen ein das Fasermaterial einbettendes Matrixmaterial. Bei der Herstellung von Faserverbund-Bauteilen aus einem solchen Faserverbundwerkstoff wird dabei in der Regel das Fasermaterial in die entsprechende spätere Bauteilform gebracht und anschließend dann das Matrixmaterial ausgehärtet. Das Aushärten geschieht in den allermeisten Fällen durch Temperatur- und gegebenenfalls Druckbeaufschlagung, wobei durch das Aushärten die lasttragenden Fasern des Fasermaterials in ihre vorbestimmte Richtung gezwungen werden und dabei zusammen mit dem ausgehärteten Matrixmaterial eine integrale Einheit zur Lastabtragung bilden.
Das Matrixmaterial, welches das Fasermaterial des Faserverbundwerkstoffes entsprechend einbettet, kann dabei bereits in dem Fasermaterial enthalten sein (sogenannte Prepregs) oder später in eine sogenannte Faserpreform, die aus trockenen Fasermaterialien aufgebaut wurde, in einem Infusionsprozess infundiert werden.
Eine Faserpreform stellt dabei eine Art Vorbauteil dar, das aus dem Fasermaterial des Faserverbundwerkstoffes gebildet und dabei zumindest teilweise die spätere Bauteilform des herzustellenden Faserverbundbauteils enthält. Durch das Aushärten des Matrixmaterials, welches in dem Fasermaterial der Faserpreform eingebettet ist, kann so das Faserverbundbauteil hergestellt werden. Die Faserpreform kann demzufolge sowohl aus trockenem Fasermaterial als auch aus vorimprägnierten Fasermaterialien eines Faserverbundwerkstoffes hergestellt werden.
Faserverbundbauteile weisen bei der Herstellung gegenüber isotropen Werkstoffen einige Nachteile auf, da die Bauteilform eines Faserverbundbauteils in der Regel durch entsprechende Formwerkzeuge gebildet werden muss, welche eine Art Negativabdruck des späteren Bauteils darstellen. Die Herstellung komplexer Bauteilgeometrien kann dabei werkstoffbedingt sehr kosten- und zeitintensiv werden, was die Stückkosten deutlich erhöht.
Ein Flugzeugrumpf, der aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt werden soll, wird dabei in der Regel aus schalen- oder röhrenförmigen Teilsegmenten zusammengesetzt. Die Teilsegmente bestehen dabei aus einer dünnen Haut, die eine gekrümmte Form aufweist und so dem späteren Flugzeugrumpf seine röhrenförmige Form verleiht. Die dünne Haut wird im Inneren durch gekrümmte Spante in Umfangsrichtung und häufig auch durch gerade Stringerversteifungen in Längsrichtung gestützt, sodass die dünne Haut des Flugzeugsrumpfes durch die Stringerversteifungen und durch die gekrümmten Spante seine Stabilität verliehen bekommt.
Werden neben den Spanten für die Stabilität auch Stringerversteifungen verwendet, so weisen die Spanten hierfür in der Regel Aussparungen auf, damit die Stringer ohne Unterbrechung durch die Spante durchlaufen können bzw. hindurchführbar sind. Die Stringer und Spante eines Flugzeugrumpfes bilden demzufolge eine Mehrzahl von Kreuzungspunkten, ohne dass hierbei die Stabilität des Flugzeugrumpfes wesentlich beeinträchtigt wird.
Derartige Spante aus einem Faserverbundwerkstoff werden in der Praxis meist unter Verwendung einer Duromer-Matrix hergestellt. Nicht ausgehärtete 2-dimensionale Halbzeuge, Prepregs oder trockene Faserhalbzeuge, werden geformt, oftmals in eigenen Werkzeugen, und anschließend wird die Matrix ausgehärtet. Bei Verwendung trockener Faserhalbzeuge erfolgt zunächst jedoch die Infusion/Tränkung der Preform mit dem Harzsystem. Vor dem Hintergrund eines besonders großen Leichtbaugrades sowie einem möglichst automatisierten Fertigungszenario stellt diese integrale Bauweise, bei dem der gesamte Spant in einem Stück hergestellt wird, aufgrund der Größe des Bauteils sowie des verwendeten Werkstoffes eine besondere Herausforderung dar. Die integrale Bauweise ergibt sich dabei aus der Tatsache, dass bei Faserverbundwerkstoffen durchgehende Fasern des Fasermaterials eine besonders gute Lastabtragung darstellen. Bei Spanten von Flugzeugrümpfen als strukturkritische Bauteile stellt die gute Lastabtragung eine notwendige Voraussetzung dar.
Aus der DE 10 2016 124 966 A1 ist eine Bauteilstruktur mit wenigstens einem gekrümmten Flächenbauteil bekannt, wobei an dem gekrümmten Flächenbauteil in Umfangsrichtung der Krümmung des gekrümmten Flächenbauteils entsprechende Versteifungsbauteile angeordnet sind. Das gekrümmte Versteifungsbauteil ist aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt und bildet Biegeabschnitte aus, die mit Stegversteifungen gefestigt werden.
Aus der DE 10 2012 202 504 A1 ist ein aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellter Spant zur Herstellung von Flugzeugsstrukturen offenbart, der entsprechende Durchführungen zur Aufnahme von Längsversteifungen hat. Des Weiteren sind gemäß der dort bezeichneten technischen Lehre Ausschnitte in dem Spant enthalten, die das Gewicht reduzieren und zur Durchführung von Infrastrukturelementen dienen sollen.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung auch ein verbessertes Versteifungsbauteil bzw. eine verbesserte Bauteilstruktur anzugeben, die sich unter Verwendung eines Faserverbundwerkstoffes einfacher und kostengünstiger herstellen lassen, ohne die Bauteilstabilität zu beeinflussen.
Die Aufgabe wird mit dem Profilbauteil gemäß Anspruch 1 sowie der Bauteilstruktur mit einem solchen Profilbauteil gemäß Anspruch 8 erfindungsgemäß gelöst. Die Aufgabe wird im Übrigen auch mit dem Verfahren zur Herstellung eines solchen Profilbauteils gemäß Anspruch 10 sowie einem Verfahren zur Herstellung einer derartigen Bauteilstruktur gemäß Anspruch 14 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.
Gemäß Patentanspruch 1 wird ein Profilbauteil zur Verstärkung von Bauteilstrukturen vorgeschlagen, welches eine längliche Ausdehnung aufweist und eine profilierte Querschnittsform hat. Solche Profilbauteile sind bei isotropen Werkstoffen beispielsweise unter dem Begriff „Stahlprofil“ bekannt. Mithilfe derartiger Profilbauteile können insbesondere Biegebelastungen abgetragen werden, sodass derartige Profilbauteile auch als Biegeträger bekannt sind. Im Flugzeugbau können derartige Profilbauteile beispielsweise Spanten, Stringer oder Holme sein.
Das gattungsgemäße Profilbauteil hat dabei eine längliche Ausdehnung, die um ein Vielfaches größer ist als die Ausdehnung in den übrigen Raumrichtungen. Aufgrund der profilierten Querschnittsform wird dem Profilbauteil dabei eine besondere Steifigkeit in Bezug auf Biegebelastungen verliehen. Derartige profilierte Querschnittsformen können beispielsweise L- Profile, I- Profile oder Z-Profile sein.
Derartige gattungsgemäße Profilbauteile weisen dabei in der Regel eine profilierte Querschnittsform auf, die einen Stegabschnitt und wenigstens einen an einer Seite des Stegabschnittes angrenzenden Gurtabschnitt ausbilden. Oftmals wird dabei an zwei gegenüberliegenden Seiten des Stegabschnittes jeweils ein Gurtabschnitt ausgebildet, um beispielsweise ein Z-Profil zu bilden. Bei der Bildung eines L-Profils grenzt hingegen lediglich ein Gurtabschnitt an den Stegabschnitt an. Um dem Profilbauteil eine entsprechende Biegesteifigkeit zu verleihen, grenzt der Gurtabschnitt unter einem gewissen Winkel an den Stegabschnitt an, beispielsweise in einem Winkel von 90°.
Das Profilbauteil wird dabei sowohl hinsichtlich des Stegabschnittes als auch hinsichtlich des Gurtabschnittes aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt, um so dem Leichtbaugedanken entsprechend Rechnung zu tragen.
Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass das Profilbauteil aus einer Mehrzahl von einzelnen Profilsegmenten gebildet ist, die einzeln aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt sind und an den beiden Längsenden jeweils einen Fügeabschnitt ausbilden, über den die einzelnen Profilsegmente stoff-, kraft- und/oder formschlüssig miteinander zur Bildung des Profilbauteils verbunden sind.
Aufgrund der Tatsache, dass ein solches Profilbauteil nunmehr aus vorgefertigten einzelnen Profilsegmenten hergestellt wird, die an ihren Längsenden stoff-, kraft- und/oder formschlüssig miteinander verbunden werden, kann der gesamte Herstellungsprozess deutlich vereinfacht werden, da nunmehr das Profilbauteil nicht mehr einstückig bzw. integral hergestellt werden muss. Dies erleichtert insbesondere bei komplexen Bauteilgeometrie mit komplexen Querschnittsformen und Krümmungen in Längsrichtung die Herstellung deutlich und reduziert damit die Herstellungskosten.
Vorzugsweise sind die einzelnen Profilsegmente vor dem zusammenfügen vollständig hergestellt, d. h. das Matrixmaterial der einzelnen Profilsegmente ist ausgehärtet oder im Fall einer thermoplastischen Matrix hinreichend (Endqualität) konsolidiert. In den Fügeabschnitten an den Längsenden der Profilsegmente ergibt sich demnach eine Fügestelle, an der die Profilsegmente stoff-, kraft- und/oder formschlüssig miteinander verbunden sind.
Die Erfinder haben dabei erkannt, dass solche Profilbauteile, die insbesondere zur Abtragung von Biegebelastungen vorgesehen sind, aus einzelnen vorgefertigten Segmenten aus Faserverbundwerkstoff hergestellt werden können, ohne dabei die Stabilität und Steifigkeit des Profilbauteils negativ zu beeinflussen. Vielmehr hat sich gezeigt, dass durch eine stoff-, kraft- und/oder formschlüssige Verbindung der einzelnen Segmente an ihren Längsenden dennoch eine hinreichende Stabilität und Steifigkeit erreicht werden kann, die zur Abtragung von Biegebelastungen insbesondere in der Luft- und Raumfahrt ausreichend ist. Auf diese Weise können Profilbauteile als Spanten für Rumpfstrukturen bereitgestellt werden, ohne dass diese einstückig und integral in einer komplizierten Art und Weise hergestellt werden müssen.
Des Weiteren wird es mit der vorliegenden Erfindung möglich, in Art eines Querbaukastens verschiedene Segmente bereitzustellen, um so unterschiedliche Profilbauteile herstellen zu können. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Profilbauteile ortsspezifische Anpassungen aufweisen müssen. So können beispielsweise Profilsegmente mit unterschiedlichen Steghöhen der Stegabschnitt vorgesehen sein, wodurch das Profilbauteil insgesamt eine variierende Steghöhe des Stegabschnittes erhält.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Matrixmaterial des Faserverbundwerkstoffes ein thermoplastisches Matrixmaterial ist, wobei die einzelnen Profilsegmente mittels Schweißen stoffschlüssig in ihrem jeweiligen Fügeabschnitt miteinander verbunden sind. Es hat sich gezeigt, dass die einzelnen Profilsegmente des Profilbauteils für eine stoffschlüssige Verbindung an den Längsenden miteinander verschweißt werden können, sofern ein thermoplastisches Matrixmaterial verwendet wird, ohne hierbei die Festigkeit und Steifigkeit insbesondere im Hinblick auf Biegebelastungen wesentlich negativ zu beeinträchtigen.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Profilbauteil an einer ersten Seite des Stegabschnittes einen angrenzenden ersten Gurtabschnitt und an einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite des Stegabschnittes einen angrenzenden zweiten Gurtabschnitt ausbildet.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass an wenigstens einem Gurtabschnitt der Profilsegmente eine Gurtversteifung angeordnet ist, die sich über zwei, mehr als zwei oder alle miteinander verbundener Profilsegmente erstreckt. Über eine gemeinsame Gurtversteifung können dabei alle Segmente des Profilbauteils miteinander verbunden werden, sodass hierdurch insbesondere Biegebelastungen besser abgetragen werden und gleichmäßiger auf das gesamte Profilbauteil verteilt werden können. Eine solche Gurtversteifung weist vorzugsweise in Umfangsrichtung (0° Faserorientierung) orientierte Verstärkungsfasern auf.
Dabei kann vorgesehen sein, dass auch die Gurtversteifung aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt ist, die separat und einzeln zu den Profilsegmenten hergestellt wurde. Die Gurtversteifung ist mit den Profilsegmenten im Gurtabschnitt verbunden. Somit ist das gesamte Profilbauteil aus einzelnen Profilsegmenten sowie einer Gurtversteifung hergestellt, wobei die Herstellung der einzelnen Segmente bzw. der Gurtversteifung deutlich einfacher ist als eine integrale Bauweise. Die Anordnung der Gurtversteifung an den Gurtabschnitt der Profilsegmente erfolgt dabei ebenfalls unter Bildung einer entsprechenden Fügestelle.
Wurden die Profilsegmente aus einem thermoplastischen Matrixmaterial hergestellt, so ist es vorteilhaft, wenn auch die Gurtversteifung aus einem thermoplastischen Matrixmaterial eines Faserverbundwerkstoffes hergestellt ist, da nun die Gurtversteifung mit den einzelnen Profilsegmenten in dem Gurtabschnitt mittels Schweißen zumindest stoffschlüssig verbunden werden kann. Zusätzlich hierzu kann die Gurtversteifung so ausgebildet sein, dass sich in den Gurtabschnitt des Weiteren auch kraft- und/oder formschlüssig eingreift, wodurch eine noch bessere Lastabtragung erreicht werden kann, ohne die stoffschlüssige Verbindung zwischen Gurtversteifung und Gurtabschnitt über zu strapazieren.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Profilbauteil in Längsrichtung gekrümmt ist, indem die einzelnen Profilsegmente in Längsrichtung gekrümmt sind und/oder die einzelnen Profilsegmente in ihren jeweiligen Fügeabschnitten unter einem entsprechenden Krümmungswinkel miteinander verbunden sind. Hierdurch wird es möglich, dem Profilbauteil eine Krümmung in Längsrichtung zu verleihen, indem die einzelnen Profilsegmente entsprechend so angepasst sind, dass nach dem zusammensetzen die entsprechende Krümmung des Profilbauteils ausbilden.
Unter einer Krümmung in Längsrichtung wird insbesondere verstanden, dass das Profilbauteil in der Ebene des Stegabschnittes gekrümmt ist, insbesondere derart, dass die Krümmung nicht aus der Ebene des Profilbauteils herausgeführt.
Die Krümmung in Längsrichtung muss dabei nicht zwingend durchgehend bzw. kontinuierlich sein, wie sie sich ergibt, wenn die einzelnen Profilsegmente kontinuierlich und insbesondere harmonisch gekrümmt sind. Vielmehr kann die Krümmung auch diskontinuierlich sein, indem die an sich ungekrümmten Profilsegmente unter einem gewissen Krümmungswinkel miteinander verbunden sind.
Hierbei ist vorgesehen, dass der Radius eines einzelnen gekrümmten Profilsegmentes größer ist als der Radius des Profilbauteils und/oder dass der Radius einer Hauptfaserrichtung des Fasermaterials eines einzelnen gekrümmten Profilsegmentes größer ist als der Radius des Profilbauteils. Mit anderen Worten, der Grad der Krümmung eines Profilsegmentes bzw. der Grad der Krümmung der Hauptfaserrichtung eines solchen Profilsegmentes ist geringer als der Grad Gesamtkrümmung des Profilbauteils, wobei zum Erreichen der Krümmung des Profilbauteils die Profilsegmente unter einem gewissen Krümmungswinkel miteinander verbunden sind.
Dies hat den Vorteil, dass zum Erreichen der Krümmung des Profilbauteils das Fasermaterial der einzelnen Profilsegmente deutlich weniger verscherte werden muss, um die Krümmung zu erzielen. So kann der Übergang der Hauptfaserrichtung eines ersten Profilsegmentes zu der Hauptfaserrichtung eines angrenzenden zweiten Profilsegmentes auch nicht kontinuierlich sein, sondern im Fügeabschnitt sprunghaft erfolgen, sodass beide Hauptfaserrichtungen unter einem gewissen Krümmungswinkel im Fügeabschnitt vorliegen.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Profilbauteil eine Mehrzahl von Durchführungen hat, die sich von dem Stegabschnitt in Richtung eines der Gurtabschnitte erstrecken. Diese Durchführungen sind dabei insbesondere dafür vorgesehen, querlaufende Bauelemente durch das Profilbauteil hindurchführen zu können, wie dies beispielsweise bei einer Rumpfstruktur der Fall ist, die Spanten und dazu querlaufende Stringer zur Versteifung hat.
Dabei kann vorgesehen sein, dass jedes einzelne Profilsegment eine oder gegebenenfalls zwei Durchführungen hat, wobei an den Längsenden der einzelnen Profilsegmente gegebenenfalls Durchführungshälften vorgesehen sind, die mit einer anderen Durchführungshälfte eines angrenzenden Profilsegmentes zur Bildung einer Durchführung zusammenwirkt.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass zwei aneinandergrenzende Profilsegmente in ihrem jeweiligen Fügeabschnitt ineinander und/oder übereinander angeordnet sind. Hierbei sind die Profilsegmente an ihren Längsenden im Fügeabschnitt so ausgebildet, dass sie einen Form- und/oder Kraftschluss ausbilden, der dann beispielsweise zusätzlich durch Schweißen stoffschlüssig verbunden wird.
Die Aufgabe wird im Übrigen auch mit der Bauteilstruktur gemäß Anspruch 8 erfindungsgemäß gelöst, wobei die Bauteilstruktur wenigstens ein Flächenbauteil hat, welches aus einem Faserverbundwerkstoff aufweisend ein Fasermaterial und ein das Fasermaterial einbettendes Matrixmaterial hergestellt ist, und wenigstens ein Verstärkungsbauteil hat, welches an dem Flächenbauteil zur Verstärkung angeordnet ist. Gemäß ist vorgesehen, dass das Verstärkungsbauteil ein Profilbauteil wie vorstehend beschrieben ist.
Bei einer derartigen Bauteilstruktur kann es sich beispielsweise um eine Rumpfstruktur eines Flugobjektes, insbesondere eines Flugzeuges, handeln, wobei das wenigstens eine Flächenbauteil zumindest teilweise die Außenhülle der Rumpfstruktur bildet und eine Mehrzahl von Profilbauteilen vorgesehen sind, die zur Verstärkung der Außenhülle in Form von Spanten und/oder Stringern ausgebildet sind. Bei einer derartigen Bauteilstruktur in Form einer Rumpfstruktur eines Flugobjektes ist das Flächenbauteil in der Regel gekrümmt, wobei die Profilbauteile eine hierzu korrespondierende Krümmung in Längsrichtung aufweisen können.
Die Aufgabe wird im Übrigen auch mit dem Verfahren gemäß Anspruch 10 zur Herstellung eines Profilbauteils zur Verstärkung von Bauteilstrukturen erfindungsgemäß gelöst, wobei das Profilbauteil eine längliche Ausdehnung aufweist und eine profilierte Querschnittsform hat, die einen Stegabschnitt und wenigstens einen an einer Seite des Stegabschnittes angrenzenden Gurtabschnitt ausbildet.
Gemäß dem Verfahren wird zunächst eine gewisse Anzahl von einzelnen Profilsegmenten bereitgestellt, aus denen dann das Profilbauteil hergestellt werden soll. Die einzelnen Profilsegmente sind oder werden dabei aus einem Faserverbundwerkstoff aufweisend ein Fasermaterial und ein das Fasermaterial einbettenden Matrixmaterials hergestellt. In der Regel erfolgt das Bereitstellen der Profilsegmente derart, dass das Matrixmaterial der Profilsegmente zu diesem Zeitpunkt bereits vollständig ausgehärtet ist. Darüber hinaus erfolgt die Herstellung derart, dass an den beiden Längsenden jeweiligen Profilsegmente jeweils ein Fügeabschnitt ausgebildet wird. Diese Fügeabschnittes so ausgebildet, dass zwei Profilsegmente stoff-, kraft- und/oder formschlüssig verbunden werden können.
Anschließend wird das Profilbauteil hergestellt, indem jeweils ein erstes Profilsegment mit einem zweiten Profilsegment über die jeweiligen Fügeabschnitte der beiden Profilsegmente stoff-, kraft- und/oder formschlüssig miteinander verbunden werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens finden sich in den entsprechenden Unteransprüchen. So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass nach dem zusammensetzen der einzelnen Profilsegmente zu dem Profilbauteil an wenigstens einem Gurtabschnitt der Profilsegmente eine Gurtversteifung angeordnet wird, die sich über zwei, mehr als zwei oder alle miteinander verbundenen Profilsegmente erstreckt. Die Gurtversteifung kann dabei stoff-, kraft- und/oder formschlüssig an dem Gurtabschnitt der einzelnen Profilsegmente angeordnet werden und bieten eine hohe Steifigkeit in Umfangsrichtung.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass zunächst eine Vielzahl von einzelnen, bereits vorgefertigten und vollständig hergestellten Profilsegmenten bereitgestellt wird, aus denen dann die gewisse Anzahl von einzelnen Profilsegmenten für das entsprechende Profilbauteil ausgewählt wird. Hierdurch wird es möglich, ein solches Profilbauteil aus verschiedenen einzelnen Profilsegmenten individuell zusammensetzen zu können.
Bei der Vielzahl von bereitgestellten Profilsegmenten können verschiedene Formen, Geometrie und Abmessungen der Profilsegmente vorgesehen sein, sodass individuell die entsprechende Anzahl und Form der Profilsegmente ausgewählt wird, die für das jeweilige Profilbauteil benötigt werden. So können sich die Profilsegmente insbesondere in der Steghöhe unterscheiden, sodass hierdurch unterschiedliche, in der Regel ortsspezifische Steifigkeit des Profilbauteils erzeugen lassen.
Die Aufgabe wird im Übrigen auch mit dem Verfahren zur Herstellung einer Bauteilstruktur gemäß Anspruch 14 erfindungsgemäß gelöst, wobei die Bauteilstruktur wenigstens ein Flächenbauteil und wenigstens ein Verstärkungsbauteil hat.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

1: Darstellung eines Profilbauteils in Form eines Spantes;
2: Detailansicht eines Profilsegmentes;
3: Darstellung zweier zusammengefügter Profilsegmente;
4: Darstellung zweier zusammengefügter Profilsegmente mit aufgeschweißter Gurtversteifung;
5: Darstellung einer Variation zusammengefügter Profilsegmente;
6: Darstellung einer Variation mit variierender Steghöhe.

1 zeigt ein Profilbauteil 10, welches einen Stegabschnitt 11 sowie einen ersten Gurtabschnitt 12 und einen zweiten Gurtabschnitt 13 hat. In dem Profilbauteil 10 € sind mehrere Durchführungen 14 vorgesehen, die sich von einem Teil des Stegabschnittes 11 in den unteren zweiten Gurtabschnitt 13 erstrecken. Im Ausführungsbeispiel der 1 ist dabei ein Profilbauteil 10 gezeigt, welches als Spant für einen Flugzeugrumpf vorgesehen ist. Dabei wird das Profilbauteil 10 mit seinem unteren zweiten Gurtabschnitt 13 auf ein nicht gezeigtes Flächenbauteil angeordnet, dass die Außenhülle des Flugzeugrumpfes darstellt. Die Durchführungen 14 dienen dabei zum hindurchlaufen von quer angeordneten Versteifungselementen, wie beispielsweise Stringern, sodass diese nicht unterbrochen werden müssen.
Das Profilbauteil 10 in 1 ist dabei in Längsrichtung gekrümmt, wobei die Krümmung dabei innerhalb der Ebene des Stegabschnittes 11 verläuft. Die sich an dem oberen und unteren Ende des Stegabschnittes 11 angrenzenden Gurtabschnitte 12 und 13 stehen dabei unter einem gewissen Winkel, hier 90°, von dem Stegabschnitt 11 ab, und zwar in gegenläufigen Richtungen.
Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass das in 1 gezeigte Profilbauteil 10 nicht einstückig hergestellt wird, sondern aus einzelnen Profilsegmenten 20 zusammengesetzt wird, was in den 2 bis 4 gezeigt ist. In 2 wird dabei ein Profilsegment 20 beispielhaft gezeigt. Das Profilsegment 20 hat ebenfalls einen Stegabschnitt 11 sowie einen ersten Gurtabschnitt 12 und einen zweiten Gurtabschnitt 13 sowie wenigstens eine Durchführung 14.
An den beiden gegenüberliegenden Längsenden 21 und 22 wird jeweils ein Fügeabschnitt 23 und 24 ausgebildet, um die bereits vorgefertigten Profilsegmente 20 miteinander verbinden zu können. Der erste Fügeabschnitt 23 an dem ersten Längsende 21 ist dabei so ausgebildet, dass er mit dem zweiten Fügeabschnitt 24 an dem zweiten Längsende 22 so zusammenwirken kann, dass zwei so hergestellte Profilsegmente 20 miteinander verbunden werden können.
Im Ausführungsbeispiel der 2 wird dabei im ersten Fügeabschnitt 23 der erster Gurtabschnitt 12 innenseitig geschäftet, während der Stegabschnitt 11 nach außen versetzt gefaltet wird (oder toleranzfähige Schubverbindung der Stege benachbarter Komponenten). Der zweite Fügeabschnitt 24 im Ausführungsbeispiel der 2 ist dabei so ausgebildet, dass der Gurtabschnitt 12 außenseitig geschäftet ist, wobei im Stegabschnitt 11 keine weitere Anpassung notwendig ist.
Die Verbindung zweier Profilsegmente ist dabei in 3 gezeigt. Der Gurtabschnitt 12 im ersten Fügeabschnitt 23 greift dabei in den Gurtabschnitt 12 des zweiten Fügeabschnittes 24 eines benachbarten Profilsegmentes ein und überlappt diesen. Selbiges geschieht mit dem nach außen versetzt gefalteten Stegabschnitt 11 im ersten Fügeabschnitt 23. Hierdurch kann ein Formschluss und gegebenenfalls auch ein Kraftschluss bei der Verbindung zweier Profilsegmente 20 erreicht werden.
Sind die Profilsegmente 20 aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt wurden, der ein thermoplastisches Matrixmaterial aufweist, so können nach dem Verbinden zweier Profilsegmente die ineinandergreifenden Fügeabschnitte 23 und 24 verschweißt werden, indem durch einen Wärmeeintrag in die Fügeabschnitte 23 und 24 das thermoplastische Matrixmaterial des Faserverbundwerkstoffes aufschmilzt und sich mit dem jeweils anderen Segment verbindet. Hierdurch wird eine stoffschlüssige Verbindung der beiden zusammengefügten Segmente erzielt.
4 zeigt schließlich das Anordnen einer Gurtversteifung 30 auf die zuvor zusammengesetzten Profilsegmente 20 zumindest im Bereich des ersten Gurtabschnittes 12. Die Gurtversteifung 30 kann dabei eine Nut 31 aufweisen, in die der Gurtabschnitt 12 der beiden zusammengefügten Profilsegmente 20 in Form einer Feder hineingeschoben wird. Die Gurtversteifung 30 ist dabei einstückig ausgebildet und verbindet so gemeinsam die beiden Profilsegmente 20 in Form einer zunächst nur form- und kraftschlüssigen Verbindung. Denkbar ist aber auch, dass die Gurtversteifung 30 aus zwei Teilsegmenten besteht, die an einer Oberseite und an einer Unterseite des Gurtabschnittes 12 angeordnet werden.
Wurde auch die Gurtversteifung 30 aus einem Faserverbundwerkstoff mit einem thermoplastischen Matrixmaterial hergestellt, so kann in einem anschließenden Prozessschritt die Gurtversteifung 30 mit dem Gurtabschnitt 12 der zusammengesetzten Segmente verschweißt und somit stoffschlüssig verbunden werden.
5 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem der Stegabschnitt 11 im ersten Fügeabschnitt 23 nicht nach außen versetzt gefaltet ist, sondern gerade verläuft. Stattdessen werden die einzelnen Profilsegmente 20 leicht versetzt zueinander zusammengesetzt bzw. gefügt. Dabei ist es sinnvoll, wenn der untere zweite Gurtabschnitt 13 abwechselnd länger ist, jeweils um das Maß der Stegdicke. Die Verlängerung der Breite der Gurtversteifung 30 kann verhältnismäßig leicht durch eine unterschiedliche Besäumung der Bauteile nach der Herstellung (z.B. Warmumformung) erreicht werden.
6 zeigt eine Ausführungsform, bei der die Steghöhe h des Stegabschnittes 11 zwischen 2 aneinandergrenzenden Profilsegmenten 20 variiert. Durch die Kompatibilität der Komponenten zueinander ist es möglich, jedes Profilbauteil anforderungsgerecht aus einem zuvor definierten Systembaukasten verfügbarer Komponenten zusammenzusetzen. Je nach Bedarf werden dann diejenigen Profilsegmente ausgewählt, die an der jeweiligen Position verwendet werden sollen.
Bezugszeichenliste

10: Profilbauteil
11: Stegabschnitt
12: erster Gurtabschnitt
13: zweiter Gurtabschnitt
14: Durchführung
20: Profilsegment
21: erstes Längsende
22: zweites Längsende
23: erste Fügeabschnitt
24: zweiter Fügeabschnitt
30: Gurtversteifung
31: Nut der Gurtversteifung
h1: erste Steghöhe
h2: erste Steghöhe

Claims

Profilbauteil (10) zur Verstärkung von Bauteilstrukturen, welches eine längliche Ausdehnung aufweist und eine profilierte Querschnittsform hat, die einen Stegabschnitt (11) und wenigstens einen an einer Seite des Stegabschnittes (11) angrenzenden Gurtabschnitt (12, 13) ausbildet, wobei das Profilbauteil (10) aus einem Faserverbundwerkstoff aufweisend ein Fasermaterial und ein das Fasermaterial einbettendes Matrixmaterial hergestellt ist, wobei das Profilbauteil (10) aus einer Mehrzahl von einzelnen Profilsegmenten (20) gebildet ist, die einzeln aus dem Faserverbundwerkstoff hergestellt sind und an den beiden Längsenden (21, 22) jeweils einen Fügeabschnitt (23, 24) ausbilden, über den die einzelnen Profilsegmente (20) stoff-, kraft- und/oder formschlüssig miteinander zur Bildung des Profilbauteils (10) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Profilbauteil (10) in Längsrichtung gekrümmt ist, - indem die einzelnen Profilsegmente (20) in Längsrichtung gekrümmt sind, wobei der Radius eines einzelnen gekrümmten Profilsegmentes (20) größer ist als der Radius des Profilbauteils (10) und/oder dass der Radius einer Hauptfaserrichtung des Fasermaterials eines einzelnen gekrümmten Profilsegmentes (20) größer ist als der Radius des Profilbauteils (10), oder - indem die einzelnen Profilsegmente (20) ungekrümmt und in ihren jeweiligen Fügeabschnitten (23, 24) unter einem entsprechenden Krümmungswinkel miteinander verbunden sind.
Profilbauteil (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Matrixmaterial des Faserverbundwerkstoffes ein thermoplastisches Matrixmaterial ist und die einzelnen Profilsegmente (20) mittels Schweißen stoffschlüssig in ihrem jeweiligen Fügeabschnitt (23, 24) miteinander verbunden sind.
Profilbauteil (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Profilbauteil (10) an einer ersten Seite des Stegabschnittes (11) einen angrenzenden ersten Gurtabschnitt (12) und an einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite des Stegabschnittes (11) einen angrenzenden zweiten Gurtabschnitt (13) ausbildet.
Profilbauteil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an wenigstens einem Gurtabschnitt (12, 13) der Profilsegmente (20) mindestens eine Gurtversteifung (30) angeordnet ist, die sich über zwei, mehr als zwei oder alle miteinander verbundener Profilsegmente (20) erstreckt.
Profilbauteil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Profilbauteil (10) eine Mehrzahl von Durchführungen (14) hat, die sich von dem Stegabschnitt (11) in Richtung eines der Gurtabschnitte (12, 13) erstrecken.
Profilbauteil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei aneinandergrenzende Profilsegmente (20) in ihrem jeweiligen Fügeabschnitt (23, 24) ineinander und/oder übereinander angeordnet sind.
Profilbauteil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Form des Stegabschnittes (11) und/oder wenigstens eines Gurtabschnittes (12, 13) zwischen zwei aneinandergrenzenden Profilsegmenten (20) verschieden ist.
Bauteilstruktur mit wenigstens einem Flächenbauteil, welches aus einem Faserverbundwerkstoff aufweisend ein Fasermaterial und ein das Fasermaterial einbettendes Matrixmaterial hergestellt ist, und mit wenigstens einem Verstärkungsbauteil, welches an dem Flächenbauteil angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungsbauteil ein Profilbauteil (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche ist.
Bauteilstruktur nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteilstruktur eine Rumpfstruktur eines Flugobjektes ist, wobei das wenigstens eine Flächenbauteil zumindest teilweise die Außenhülle der Rumpfstruktur bildet und eine Mehrzahl von Profilbauteilen (10) vorgesehen sind, die zur Verstärkung der Außenhülle in Form von Spanten und/oder Stringern ausgebildet sind.
Verfahren zur Herstellung eines Profilbauteils (10) zur Verstärkung von Bauteilstrukturen, wobei das Profilbauteil (10) eine längliche Ausdehnung aufweist und eine profilierte Querschnittsform hat, die einen Stegabschnitt und wenigstens einen an einer Seite des Stegabschnittes angrenzenden Gurtabschnitt ausbildet, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: - Bereitstellen einer gewissen Anzahl von einzelnen Profilsegmenten (20), mit denen sich ein Profilbauteil (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 herstellen lässt, und - Herstellen des Profilbauteils (10) aus den einzelnen Profilsegmenten (20), indem jeweils ein erstes Profilsegment (20) mit einem zweiten Profilsegment (20) über die jeweiligen Fügeabschnitte (23, 24) der beiden Profilsegmente (20) stoff-, kraft- und/oder formschlüssig miteinander verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Profilsegmente (20) aus einem thermoplastischen Matrixmaterial des Faserverbundwerkstoffes hergestellt sind oder werden, wobei die einzelnen Profilsegmente (20) mittels Schweißen stoffschlüssig in ihrem jeweiligen Fügeabschnitt (23, 24) miteinander verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von einzelnen Profilsegmenten (20) bereitgestellt wird, aus denen dann die gewisse Anzahl von einzelnen Profilsegmenten (20) ausgewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Zusammensetzen der einzelnen Profilsegmente (20) zu dem Profilbauteil (10) an wenigstens einem Gurtabschnitt der Profilsegmente (20) eine Gurtversteifung (30) angeordnet wird, die sich über zwei, mehr als zwei oder alle miteinander verbundenen Profilsegmente (20) erstreckt.
Verfahren zur Herstellung einer Bauteilstruktur, die wenigstens ein Flächenbauteil und wenigstens ein Verstärkungsbauteil hat, mit den Schritten: - Herstellen mindestens eines Profilbauteils (10) gemäß einem der Ansprüche 10 bis 13, - Bereitstellen mindestens eines Flächenbauteils, und - Anordnen des mindestens einen hergestellten Profilbauteils (10) an das mindestens eine bereitgestellte Flächenbauteil.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteilstruktur eine Rumpfstruktur eines Flugobjektes ist, wobei das wenigstens eine Flächenbauteil zumindest teilweise die Außenhülle der Rumpfstruktur bildet und eine Mehrzahl von Profilbauteilen (10) vorgesehen sind, die zur Verstärkung der Außenhülle in Form von Spanten und/oder Stringern ausgebildet sind.