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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer mehrere Strukturelemente umfassenden Versteifungsstruktur für ein Luftfahrzeug, insbesondere für den Rumpf eines Luftfahrzeugs. Sie betrifft die durch dieses Verfahren erhältlichen Versteifungsstrukturen und ihre Verwendung zur Anordnung in einer Aussparung in einem Luftfahrzeugrumpf.
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Die Versteifungsstruktur kann eine Türrahmenstruktur sein, die in eine Aussparung in einem Luftfahrzeugrumpf vorgesehen ist. Eine derartige Rahmenstruktur dient gleichzeitig der Anbindung einer Luftfahrzeugtür wie auch der Versteifung des Luftfahrzeugrumpfes.
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Bei der Konstruktion von Luftfahrzeugen stellt die Einsparung von Gewicht wegen der damit verbundenen Einsparung von Treibstoff einen wesentlichen Aspekt dar. Ein hohes Potential für die Gewichtsreduktion bietet der Austausch von metallischen Bauteilen durch Bauteile aus polymerem Faserverbundwerkstoff.
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Die Erfindung befasst sich daher mit der Herstellung der oben beschriebenen Versteifungsstrukturen unter Verwendung von Strukturelementen aus derartigen polymeren Faserverbundwerkstoffen.
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Eine weitere Kosteneinsparung ist möglich, wenn Verfahrensschritte bei der Herstellung eines Luftfahrzeugs automatisiert in einer industriellen Fertigungsstraße durchgeführt werden können und/oder wenn es gelingt, mehrere Verfahrensschritte zu weniger oder nur einem Verfahrensschritt zusammenzufassen. Das Verbinden von Strukturelementen durch Nieten ist beispielsweise zeitaufwändig und daher mit hohen Kosten verbunden, da das Nieten üblicherweise seriell durch einen Arbeiter durchgeführt werden muss und die Anzahl an zu vernietenden Stellen in einem Luftfahrzeug äußerst groß ist.
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Die Erfindung befasst sich daher insbesondere mit der Herstellung der oben beschriebenen Versteifungsstrukturen unter Verwendung von Strukturelementen aus polymeren Faserverbundwerkstoffen, bei der die Strukturelemente ohne Nieten miteinander verbunden werden können.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren für die Herstellung derartiger Versteifungsstrukturen anzugeben.
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Die Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die Erfindung schafft ein Verfahren zum Herstellen einer mehrere Strukturelemente umfassenden Versteifungsstruktur für ein Luftfahrzeug (10), das folgende Schritte umfasst:
- a) Bereitstellen der Strukturelemente für die Versteifungsstruktur;
- b) Bereitstellen eines Formwerkzeugs umfassend mindestens zwei Werkzeugkomponenten, die so geformt sind, dass sie die endkonturnahe Anordnung der einzelnen Strukturelemente entsprechend der Kontur der Versteifungsstruktur in dem zusammengesetzten Formwerkzeug ermöglichen und dass weiterhin im zusammengesetzten Formwerkzeug ein oder mehrere formgebende Hohlräume ausgebildet werden, deren Wandung Oberflächenbereiche der miteinander zu verbindenden Strukturelemente und von einer oder mehreren Werkzeugkomponenten umfasst;
- c) Zusammensetzen des Formwerkzeugs und der Strukturelemente unter endkonturnahem Anordnen der Strukturelemente in dem Formwerkzeug und unter Ausbilden des formgebenden Hohlraums oder der formgebenden Hohlräume;
- d) Einspritzen eines zu einem Duroplasten härtbaren Harzes oder eines geschmolzenen thermoplastischen Polymermaterials in den formgebenden Hohlraum oder die formgebenden Hohlräume;
- e) Aushärtenlassen bzw. Aushärten des eingespritzten härtbaren Harzes zu einem Duroplasten oder Abkühlenlassen bzw. Abkühlen des eingespritzten geschmolzenen thermoplastischen Polymermaterials zu einem erstarrten thermoplastischen Polymermaterial; und
- f) Entnehmen der Versteifungsstruktur aus dem Formwerkzeug.
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Die Verbindung der Strukturelemente zur Versteifungsstruktur erfolgt somit ohne Nieten, wodurch das Herstellverfahren vereinfacht, beschleunigt und verbilligt wird.
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Es ist bevorzugt, dass das härtbare Harz, der daraus entstehende Duroplast, das geschmolzene thermoplastische Material, das daraus entstehende erstarrte thermoplastische Material gemäß Schritt d) Materialien sind, die Verstärkungsfasern, vorzugsweise kurzfaserige Verstärkungsfasern, enthalten, wobei die Verstärkungsfasern insbesondere Kohlenstofffasern sind.
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Es ist bevorzugt, dass Schritt a) das Bereitstellen von Strukturelementen umfasst, die einen Versteifungsgrundkörper und mehrere damit zu verbindende Versteifungsbauteile umfassen.
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Es ist bevorzugt, dass Schritt a) das Bereitstellen von Strukturelementen umfasst, die ein oder mehrere Rahmenelemente und mehrere damit zu verbindende Versteifungselemente, insbesondere flächige Versteifungselemente umfassen. Das Rahmenelement kann beispielsweise ein herkömmlicher Spant, wie ein C-Spant, sein. Die Versteifungselemente können Zwischenrippenelemente für die Anbindung der Versteifungsstruktur an einen Luftfahrzeugrumpf umfassen.
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Es ist bevorzugt, dass Schritt a) das Bereitstellen von Strukturelementen umfasst, die ein umlaufendes Rahmenelement und auf der Außenseite des umlaufenden Rahmenelements zu befestigende Zwischenrippenelemente für die Anbindung der Versteifungsstruktur an einen Luftfahrzeugrumpf umfassen.
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Es ist bevorzugt, dass Schritt a) das Bereitstellen von Strukturelementen umfasst, die ein kontinuierliches, umlaufendes C-Profil mit radial nach außen zeigenden C-Profilflanschen und auf der Außenseite des C-Profils zu befestigende Zwischenrippenelemente für die Anbindung der Versteifungsstruktur an einen Luftfahrzeugrumpf umfassen.
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Es ist bevorzugt, dass Schritt a) das Bereitstellen von Strukturelementen, wie Rahmenelementen, insbesondere C-Profilen, C-Spanten, kontinuierlichen umlaufenden C-Profilen, und Versteifungselementen, insbesondere flächigen Versteifungselementen, wie Zwischenrippenelementen, umfasst, die zusammengesetzt eine Versteifungsstruktur, wie eine Türrahmenstruktur oder eine Fensterrahmenstruktur, bilden, die an eine Aussparung in einem Luftfahrzeugrumpf anbindbar ist.
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Es ist bevorzugt, dass Schritt a) das Bereitstellen von Strukturelementen aus duroplastischem Faserverbundwerkstoff umfasst, der insbesondere Kohlenstofffasern als Verstärkungsfasern enthält.
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Es ist bevorzugt, dass Schritt a) das Bereitstellen von Strukturelementen aus thermoplastischem Faserverbundwerkstoff umfasst, der insbesondere Kohlenstofffasern als Verstärkungsfasern enthält.
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Strukturelemente aus duroplastischem Faserverbundwerkstoff oder thermoplastischem Faserverbundwerkstoff weisen vorzugsweise Verstärkungsfasern auf, die beispielsweise unter einem Winkel von 0°, ± 30°, ± 45°, ± 60° und/oder 90° zur Hauptbelastungsrichtung des Strukturelements angeordnet sind. Sie können beispielsweise im Fall eines umlaufenden Rahmenelements unter solchen Winkeln zur Umfangsrichtung des Rahmenelements angeordnet sein.
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Es ist bevorzugt, dass Schritt a) das Bereitstellen von Strukturelementen aus einem Material umfasst, das nach dem Aushärten des härtbaren Harzes oder dem Erstarren des geschmolzenen thermoplastischen Polymermaterial stoffschlüssig mit dem gebildeten Duroplasten oder dem erstarrten thermoplastischen Polymermaterial verbunden ist.
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Es ist bevorzugt, dass Schritt a) das Bereitstellen von Strukturelementen umfasst, die so geformt sind, dass sie nach dem Aushärten des härtbaren Harzes oder dem Erstarren des geschmolzenen thermoplastischen Polymermaterial mindestens formschlüssig mit dem gebildeten Duroplasten oder dem erstarrten thermoplastischen Polymermaterial verbunden sind.
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Es ist bevorzugt, dass Schritt b) das Bereitstellen eines Formwerkzeugs umfassend zwei, drei oder mehr Werkzeugplatten, die eine Innenoberfläche aufweisen, die die endkonturnahe Anordnung und räumliche Fixierung der Strukturelemente und die Ausbildung der formgebenden Hohlräume ermöglicht, umfasst.
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Es ist bevorzugt, dass Schritt b) das Bereitstellen eines Formwerkzeugs umfassend einen oder mehrere Werkzeugkerne, die innerhalb des Formwerkzeugs angeordnet werden können und die endkonturnahe Anordnung und räumliche Fixierung der Strukturelemente und die Ausbildung der formgebenden Hohlräume ermöglichen, umfasst.
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Es ist bevorzugt, dass Schritt b) das Bereitstellen eines Formwerkzeugs umfassend eine untere Werkzeugplatte, einen oder mehrere Werkzeugkerne zur Anordnung auf oder über der unteren Werkzeugplatte, sowie eine obere Werkzeugplatte und eine seitliche Werkzeugplatte zum Verschließen des Formwerkzeugs umfasst.
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Es ist bevorzugt, dass Schritt b) das Bereitstellen eines Formwerkzeugs umfasst, dessen Werkzeugplatten und Werkzeugkerne so geformt sind, dass in dem geschlossenen Formwerkzeug angeordnete Strukturelemente in Teilbereichen von dem härtbaren Harz oder dem geschmolzenen thermoplastischen Polymermaterial umspritzt werden können.
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Es ist bevorzugt, dass Schritt c) das Anordnen einer unteren Werkzeugplatte, Anordnen von Strukturelemente auf/und oder über der unteren Werkzeugplatte und Verschließen des Formwerkzeugs mit mindestens einer oberen Werkzeugplatte oder mindestens einer oberen Werkzeugplatte und mindestens einer seitlichen Werkzeugplatte unter Anordnung und räumlicher Fixierung der Strukturelemente und Ausbildung der formgebenden Hohlräume umfasst.
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Es ist bevorzugt, dass Schritt c) das Anordnen einer unteren Werkzeugplatte, Anordnen von Strukturelemente auf/und oder über der unteren Werkzeugplatte sowie Anordnen von Werkzeugkernen auf oder über der unteren Werkzeugplatte zwischen den Strukturelementen unter Anordnung und räumlicher Fixierung der Strukturelemente und Ausbildung der formgebenden Hohlräume und Verschließen des Formwerkzeugs mit mindestens einer oberen Werkzeugplatte oder mindestens einer oberen Werkzeugplatte und mindestens einer seitlichen Werkzeugplatte umfasst.
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Es ist bevorzugt, dass Schritt c) das Anordnen von Strukturelementen derart, dass sie von härtbarem Harz oder geschmolzenem thermoplastischen Polymermaterial umspritzbar in den oder die formgebenden Hohlräume hineinragen, umfasst.
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Es ist bevorzugt, dass Schritt d) das Einspritzen eines härtbaren Harzes oder geschmolzenen thermoplastischen Polymermaterials umfasst, das Verstärkungsfasern, insbesondere kurzfaserige Verstärkungsfasern enthält, bei denen es sich vorzugsweise um Kohlenstofffasern handelt.
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Es ist bevorzugt, dass Schritt d) das Einspritzen eines härtbaren Epoxidharzes umfasst.
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Es ist bevorzugt, dass Schritt d) das Einspritzen eines härtbaren Harzes umfasst, das chemisch, thermisch oder durch Strahlung härtbar ist.
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Es ist bevorzugt, dass Schritt d) das Einspritzen eines geschmolzenen thermoplastischen Polymermaterials (60) umfasst, das ein oder mehrere thermoplastische Polymere, insbesondere einen oder mehrere Hochleistungskunststoffe, umfasst. Diese Polymere enthalten vorzugsweise Verstärkungsfasern insbesondere kurzfaserige Kohlenstofffasern.
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Es ist bevorzugt, dass Schritt d) das Einspritzen eines geschmolzenen thermoplastischen Polymermaterials umfasst, das ein oder mehrere thermoplastische Polymere umfasst, die aus der Gruppe ausgewählt werden, die Polyamide, insbesondere aromatische Polyamide, wie Poly-m-phenylenisophthalamid, Polyester, insbesondere aromatische Polyester, Polyaryle, insbesondere Polyphenylensulfide, Polyethersulfone und Polyaryletherketone, heterocyclische Polymere, wie Polyimide, Polybenzimidazole und Polyetherimide, umfasst. Diese Polymere enthalten vorzugsweise Verstärkungsfasern, insbesondere kurzfaserige Kohlenstofffasern.
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Es ist bevorzugt, dass Schritt d) das Einspritzen eines geschmolzenen Polyaryletherketons umfasst, das unter einem oder mehreren von Poly(etheretherketon), Poly(etherketonketon), Poly(etheretheretherketon), Poly(etheretherketonketon und Poly(etherketon-etherketonketon) ausgewählt wird, wobei das Polyaryletherketon vorzugsweise Verstärkungsfasern, insbesondere kurzfaserige Kohlenstofffasern, enthält.
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Es ist bevorzugt, dass Schritt d) das Einspritzen eines härtbaren Harzes oder geschmolzenen thermoplastischen Polymermaterials unter Umspritzen mindestens von Teilbereichen der Strukturelemente umfasst.
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Die Erfindung schafft weiterhin eine Versteifungsstruktur zur Anordnung in einer Aussparung in einem Luftfahrzeugrumpf, die mehrere wie weiter oben beschriebene Strukturelemente umfasst, die durch ein oder mehrere Verbindungselemente mit der Form des oder der formgebenden Hohlräume aus einem Duroplasten oder einem thermoplastischen Polymermaterial, die wie weiter oben beschrieben sind, stoffschlüssig oder stoffschlüssig und formschlüssig miteinander verbunden sind.
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Die Erfindung schafft weiterhin eine Versteifungsstruktur zur Anordnung in einer Aussparung in einem Luftfahrzeugrumpf, die nach einem der weiter oben beschriebenen Verfahren erhältlich ist.
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Die Erfindung schafft weiterhin ein Verfahren zum Herstellen eines Luftfahrzeugrumpfs oder eines Luftfahrzeugs, das das Anordnen der weiter oben beschriebenen Versteifungsstruktur in einer Aussparung in dem Luftfahrzeugrumpf oder dem Luftfahrzeug umfasst.
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Die Erfindung schafft außerdem einen Luftfahrzeugrumpf , der eine wie weiter oben beschriebene Versteifungsstruktur umfasst, die in einer Aussparung in dem Luftfahrzeugrumpf (12) angeordnet ist.
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Gegenstand der Erfindung ist weiterhin ein Luftfahrzeug umfassend einen wie weiter oben beschriebenen Luftfahrzeugrumpf.
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Die Erfindung betrifft nach einem weiteren Aspekt die Verwendung der wie weiter oben beschriebenen Versteifungsstruktur zur Anordnung in einer Aussparung in einem Luftfahrzeugrumpf.
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Ausführungsbeispiel werden im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt:
- 1 eine perspektivische Ansicht eines Flugzeugs;
- 2 eine perspektivische Ansicht einer Türrahmenstruktur;
- 3 den Aufbau eines Zwischenrippenelements;
- 4 eine Ausschnittvergrößerung eines Abschnitts der Türrahmenstruktur und des Zwischenrippenelements;
- 5 eine schematische Darstellung der Komponenten für die Durchführung des Spritzgießverfahrens und ihres Zusammenbaus;
- 6 eine schematische Darstellung des Spritzgießverfahrens;
- 7 die Herstellung einer Versteifungsstruktur mit stoffschlüssiger Verbindung der Strukturelemente;
- 8 eine Ansicht zusätzliche Konstruktionsmerkmale für den Aufbau eines Zwischenrippenelement und seine Anbindung an ein C-Profil; und
- 9 eine weitere Ansicht wie in 8 entlang der Achse A-A ; und
- 10 die Herstellung einer Versteifungsstruktur mit stoffschlüssiger und formschlüssiger Verbindung der Strukturelemente.
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1 zeigt ein Flugzeug 10 mit einem Flugzeugrumpf 12, der zur Gewichtseinsparung teilweise aus thermoplastischem Faserverbundwerkstoff (CFRP - carbon fiber reinforced polymer) gefertigt ist. In dem Flugzeugrumpf 12 sind mehrere Türen 14 sowie zahlreiche Fenster 16 sichtbar. Die Türen 14 bzw. Fenster 16 sind in Aussparungen 18 im Flugzeugrumpf 12 angeordnet. Für eine stabile Anordnung der Türen 14 und Fenster 16 sind Versteifungsstrukturen 20, 22, wie Türrahmenstrukturen 20 und Fensterrahmenstruktur 22, als Verbindungselemente zwischen Türen 14 bzw. Fenstern 16 und dem Flugzeugrumpf 12 erforderlich.
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Die Versteifungsstrukturen 20, 22 umfassen zur Gewichtseinsparung ebenfalls thermoplastischen Faserverbundwerkstoff mit darin eingebetteten Kohlenstofffasern.
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2 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Türrahmenstruktur 21 („door surround structure“ = DSS) als Beispiel für eine Versteifungsstruktur 20. Die Türrahmenstruktur 21 umfasst ein Rahmenelement 24, beispielsweise in Form eines C-Profils 26, wie eines C-Spants oder eines kontinuierlichen C-Profils, dessen C-Profilflansche 28 radial nach außen angeordnet sind, und Zwischenrippenelemente 30 („Interkostal-Elemente“), die auf der Außenseite des kontinuierlichen C-Profils 26 befestigt sind.
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Das C-Profil 26 ist ein Beispiel für einen Versteifungsgrundkörper 32. Die Zwischenrippenelemente 30 stellen ein Beispiel für Versteifungsbauteile 34 dar. Diese Strukturelemente 23, 24, 26, 30, 32, 34 werden vorab aus thermoplastischem Polymer, insbesondere thermoplastischem Faserverbundwerkstoff, hergestellt. Als thermoplastisches Polymer kann beispielsweise Polyetheretherketon verwendet werden, das eine Schmelztemperatur von 343 °C aufweist und bei Temperaturen über der Schmelztemperatur im Spritzgussverfahren verarbeitet werden kann. Die Verstärkungsfasern sind vorzugsweise endlose Kohlenstofffasern. Die Strukturelemente 26, 30, 32, 34 können auch aus einem härtbaren Harz, wie einem Epoxidharz, unter Bildung eines duroplastischen Versteifungsbauteils 34 hergestellt werden. Das härtbare Harz enthält vorzugsweise Verstärkungsfasern, insbesondere endlose Kohlenstofffasern.
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Der Versteifungsgrundkörper 26, 32 und die Versteifungsbauteile 30, 34 werden ohne Nieten in einem einzigen Arbeitsschritt in ein Formwerkzeug miteinander zur Versteifungsstruktur 20, 21, hierzu einer Türrahmenstruktur 21, verbunden.
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Das C-Profil 26 oder der C-Rahmen kann beispielsweise durch Automated Fiber Positioning unter Ablegen von thermoplastischen Prepregs auf eine Werkzeugoberfläche, aber auch durch andere Verfahren hergestellt werden. Die Prepregs enthalten kontinuierliche orientierte Kohlenstofffasern. Die Prepregs werden so abgelegt, dass die endlosen Kohlenstofffasern beispielsweise unter einem Winkel von 0°, ± 30°, ± 45°, ± 60° und/oder 90°, bezogen auf die Umfangsrichtung des C-Profils 26, orientiert sind.
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Die Zwischenrippenelemente 30 enthalten ebenfalls kontinuierliche Kohlenstofffasern. Sie werden an die Haut angebunden. Sie bilden die Bauteile, die die Scherlast aufnehmen. Hierbei handelt es sich um eine von den Türanschlägen herrührende Last oder Belastung. Die Zwischenrippenelemente 30, die auch als Interkostal-Elemente oder Intercostal-Elemente bezeichnet werden, befinden sich in einer Ebene mit Türanschlägen und nicht senkrecht zu der Außenhaut, was die Einarbeitung erschwert. In anderen Ausführungsformen ist jedoch eine Ausrichtung der Intercostals senkrecht zur Haut ebenfalls möglich.
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3 zeigt den Aufbau eines aus zwei spiegelbildlichen Zwischenrippenbauteilen 36, 37 bestehenden Zwischenrippenelements 30, die aus thermoplastischem Verbundwerkstoff mit kurzfaserigen Kohlenstofffasern hergestellt sind. Eine erstes Zwischenrippenbauteil 36 (3 A)) weist eine Hauptplatte 38, einen Zwischenrippenflansch 40 und eine Rahmenelementkontaktplatte 42 für eine vergrößerte Kontaktfläche zwischen dem Zwischenrippenelement 30 und dem Rahmenelement 24 auf. Das Bauteil weist unter anderem die drei Kantenbereiche 44 auf.
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Auf die drei Kantenbereiche 44 wird ein Füllmaterial 46 aus thermoplastischem Polymer mit eingebetteten kurzfaserigen Kohlenstofffasern als klebfähiges, einen Stoffschluss ermöglichendes Material aufgebracht (3 B)).
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Das zu dem ersten Zwischenrippenbauteil 36 spiegelbildliche zweite Zwischenrippenbauteil 37 wird mit Hilfe des Füllmaterials 46 an dem ersten Zwischenrippenbauteil 36 befestigt (3 C)). Bei dem zweiten Zwischenrippenbauteil 37 ist eine weitere Rahmenelementkontaktplatte 43 sichtbar.
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Das so vorab hergestellte Zwischenrippenelement 30 kann als Versteifungsbauteil 34 in dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt werden.
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4 zeigt eine Ausschnittvergrößerung der in 2 abgebildeten Türrahmenstruktur 21 und des in 3 dargestellten Zwischenrippenelements 30. Das Zwischenrippenelement 30 ist an dem Rahmenelement 24 in Form eines kontinuierlichen C-Profil 26 mit zwei C-Profilflanschen 28 befestigt. Die Befestigung erfolgt unter anderem zwischen der ersten C-Profilkontaktplatte 42 und dem C-Profilflansch 28 und zwischen der zweiten C-Profilkontaktplatte 43 und dem C-Profilrücken 29.
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5 enthält eine schematische Darstellung der Komponenten für die Durchführung des Verfahrens und ihres Zusammenbaus. Das Formwerkzeug 48 umfasst mindestens eine untere Werkzeugplatte 50, mindestens eine obere Werkzeugplatte 52, mindestens eine seitliche Werkzeugplatte 54 und Werkzeugkerne 56. Die Anzahl dieser Komponenten kann in Abhängigkeit von der herzustellenden Versteifungsstruktur und den Verfahrensbedingungen stark variieren.
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Die Strukturelemente umfassend einen Versteifungsgrundkörper 24, 26, 32, hier ein Rahmenelement 24 in Form eines kontinuierlichen C-Profils 26, und Versteifungsbauteile 30, 34, hier Zwischenrippenelemente 30, werden vorab aus thermoplastischem Faserverbundwerkstoff oder duroplastischem Faserverbundwerkstoff hergestellt.
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Zunächst werden das kontinuierliche C-Profil 26 und Zwischenrippenelemente 30 endkonturnah entsprechend der Kontur oder Form einer Türrahmenstruktur 21 in der unteren Werkzeugplatte 50 positioniert (5 A). Dann werden Werkzeugkerne 56 zwischen den Zwischenrippenelementen 30 angeordnet (5 B). Schließlich wird das Formwerkzeug 48 mit der oberen Werkzeugplatte 52 und der seitlichen Werkzeugplatte 54 verschlossen, wodurch mindestens ein formgebender Hohlraum 62 im Formwerkzeug 48 entsteht (5 C).
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Der formgebende Hohlraum 62 weist allgemein eine Hohlraumwandung auf, die Oberflächenabschnitte des mindestens einen Versteifungsgrundkörpers 28, 32, der Versteifungsbauteile 34, der Werkzeugplatten und der Werkzeugkerne umfasst.
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Der formgebende Hohlraum 62 wird durch Spritzgießen mit einem härbaren Harz 58, wie beispielsweise einem Epoxidharz, oder mit einem geschmolzenen thermoplastischen Polymermaterial 60, wie beispielsweise einem geschmolzenen Polyaryletherketon, ausgefüllt. Das härtbare Harz 58 oder das thermoplastische Polymermaterial 60 enthält vorzugsweise Verstärkungsfasern, insbesondere kurzfaserige Kohlenstofffasern. Das härtbare Harz 58 kann zu einem Duroplasten 64 aushärten. Die Härtung kann thermisch, chemisch oder mit Strahlung erfolgen. Das geschmolzene thermoplastische Polymermaterial 60 erstarrt beim Abkühlen unter Bildung des gewünschten festen thermoplastischen Polymermaterials. Alle Materialien können kurzfaserige Verstärkungsfasern, insbesondere kurzfaserige Kohlenstofffasern, enthalten.
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6 zeigt diesen Verfahrensschritt, in dem durch Spritzgießen der formgebende Hohlraum 62 ausgefüllt wird und durch Härtung oder Erstarren die Versteifungsstruktur 20 entsteht, in einer schematischen Darstellung. Geschmolzenes thermoplastisches Polymermaterial 60, wie Polyetheretherketon, in das Kurzschnittkohlenstofffasern eingebettet sind, wird in das geschlossene Formwerkzeug 48 eingespritzt. Der formgebende Hohlraum 62 wird mit dem geschmolzenem thermoplastischem Polymermaterial 60 ausgefüllt. Dabei werden vorteilhaft Abschnitt oder Bereiche von Strukturelementen, wie der untere Abschnitt des Zwischenrippenelements 30, von dem geschmolzenen Polymermaterial umspritzt.
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Anschließend lässt man das Formwerkzeug 48 beispielsweise stehen, bis aus dem härtbaren Harz durch chemische Vernetzung gehärteter Duroplast 64 oder aus dem geschmolzenen thermoplastischen Polymermaterial 60 durch Abkühlen erstarrtes thermoplastisches Polymermaterial 66 entstanden ist. Aktives Verfestigen des Harzes mit Strahlung oder Wärme oder des geschmolzenen thermoplastischen Polymermaterials durch zusätzliches Kühlen sind ebenfalls möglich.
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Die Zwischenrippenelemente 30 und das kontinuierliche C-Profil 26 sind nach dieser Verfestigung durch Aushärten oder Erstarren stoffschlüssig miteinander verbunden. Bei entsprechender gewinkelter Ausbildung eines der Strukturelemente, insbesondere der Versteifungsbauteile 34, hier der Zwischenrippenelemente 30, kann der Stoffschluss durch einen die Versteifungsstruktur 20 weiter stabilisierenden Formschluss ergänzt werden.
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7 zeigt die Herstellung einer Versteifungsstruktur 20 mit stoffschlüssiger Verbindung der Strukturelemente.
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7 A stellt das zusammengebaute Formwerkzeug 48 mit darin endkonturnah angeordnetem Versteifungsgrundkörper 32 und endkonturnah angeordneten Versteifungsbauteilen 34 dar. Der Versteifungsgrundkörper 32 ist auf der Oberfläche der unteren Werkzeugplatte 50 positioniert. Werkzeugkerne 56 zwischen den Versteifungsbauteilen 34 fixieren die Lage der Versteifungsbauteile 34 untereinander und relativ zu dem Versteifungsgrundkörper 32. Die Werkzeugkerne 56 halten in diesem Beispiel die flächigen Versteifungsbauteile 34 in einer Position, in der sie von geschmolzenem thermoplastischem Polymermaterial 60 umspritzt werden können. Das Formwerkzeug 48 wird mit einer oberen Werkzeugplatte 52 verschlossen.
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In dem Formwerkzeug 48 gemäß 7 ist ein Werkzeugkern 57 zweiteilig ausgebildet. Ein derartiger zweiteiliger Werkzeugkern 57 vereinfacht das Entformen. Andere Maßnahmen zum Vereinfachen des Entformens der fertigen Versteifungsstruktur 20 umfassen eine veränderte Geometrie der Werkzeugkerne 56, 57, die Verbindungsbereiche zwischen Strukturelementoberfläche und Duroplast 64, oder thermoplastischem Polymermaterial 66 optimiert. Die durch die Injektion gebildete Strukturoberfläche kann Entformungsmerkmale aufweisen, wie bestimmte Bauteilwinkel, trapezförmige Konturen.
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In dem zusammengebauten Formwerkzeug 48 bilden die Oberflächenabschnitte der verschiedenen Komponenten den formgebenden Hohlraum 62, in den im nächsten Schritt geschmolzenes thermoplastisches Polymermaterial 60 eingespritzt wird.
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7 B zeigt die gleiche Struktur wie 7 A mit dem einzigen Unterschied, dass geschmolzenes thermoplastisches Polymermaterial 60 in den formgebenden Hohlraum 62 eingespritzt wurde und diesen vollständig ausfüllt. Die unteren Enden der Versteifungsbauteile 34 nahe dem Versteifungsgrundkörper sind mit geschmolzenen thermoplastischen Polymermaterial 60 umspritzt.
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Beim Abkühlen der Schmelze 60 erstarrt das thermoplastische Polymermaterial 60. Die Versteifungsstruktur 20 kann dann entformt werden (7 C). Der Versteifungsgrundkörper 32 und die flächigen Versteifungsbauteile 34 sind stoffschlüssig miteinander verbunden. Der Stoffschluss wird dadurch verbessert, dass die Versteifungsbauteile 34 in ihrem unteren Bereich von dem erstarrten Polymermaterial 66 umspritzt sind. Der Zusammenbau oder die Integration aller Strukturelemente 26, 30, 32, 34, 35 erfolgt in einem einzigen Spritzgießschritt, insbesondere unter Umspritzen von Abschnitten der Strukturelemente 26, 30, 32, 34, 35 mit einem härtbaren Harz oder einem geschmolzenen thermoplastischen Material. Die Verbindung der Strukturelemente 26, 30, 32, 34, 35 erfolgt ohne Nieten, wodurch das Herstellverfahren vereinfacht und beschleunigt wird.
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Die 8 zeigt zusätzliche Konstruktionsmerkmale für die Verbindungsbereiche zwischen dem Rahmenelement 24 und einem Zwischenrippenelement 30 in einer Draufsicht auf das Zwischenrippenelement 30. Das Rahmenelemente 24 ist ein C-Profil 26 mit zwei C-Profilflanschen 28 und einem C-Profilrücken 29. Das Zwischenrippenelement 30 umfasst erstes Zwischenrippenversteifungselement 68, das um Bereich des C-Profilrückens 29 zwei Aussparungen aufweist. Durch die beiden Aussparungen ist das darunter angeordnete zweite Zwischenrippenversteifungselement 70 sichtbar. Das zweite Zwischenrippenversteifungselement 70 weist ebenfalls derartige Aussparungen auf, die aber von der Zwischenrippenelementhauptfläche 76 des ersten Zwischenrippenversteifungselement verdeckt werden.
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Die Zwischenräume 78 zwischen dem Zwischenrippenelement 30 und der Innenseite des C-Profils ist vollständig mit erstarrtem thermoplastischem Polymermaterial 66 ausgefüllt. Außerdem ist ein Flächenbereich 80 der Zwischenrippenelementhauptfläche 76, der auch die Aussparungen 74 erfasst, von erstarrtem thermoplastischem Polymermaterial 66 bedeckt. In dieser Anordnung ist das erstarrte thermoplastische Polymermaterial 66 auf beiden Seiten mit beiden Zwischenrippenversteifungselementen 68, 70 in stoffschlüssigem Kontakt.
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9 zeigt die gleiche Versteifungsstruktur 20 wie 8 in einer Schnittansicht entlang der Linie AA'. Die beiden Zwischenrippenversteifungselement 68,70 sind in einer Art Steckverbindung miteinander verbunden und dadurch weiter stabilisiert. Das den Flächenbereich 80 in 8 abdeckende erstarrte thermoplastische Polymermaterial 66 ist hier in Form zweier schmaler Streifen 82 links und rechts von der vertikal angeordneten Steckverbindungskontur sichtbar. In dieser Ansicht sind auch dritte C-Profilkontaktplatten 72 der Zwischenrippenversteifungselemente 68, 70 sichtbar, die durch erstarrtes thermoplastisches Polymermaterial 66 auf ihrer Unterseite (nicht sichtbar) stoffschlüssig mit der Oberfläche des C-Profilrückens 29 verbunden sind.
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10 zeigt die Herstellung einer Versteifungsstruktur 20, 21, 22, bei der die Strukturelemente 26, 30, 32, 34, 35 gleichzeitig stoffschlüssig und formschlüssig miteinander verbunden sind. Die Versteifungsstruktur 20, 21, 22 umfasst hier Zwischenrippenelemente 30, die aus einem ersten Zwischenrippenbauteil 36 und einem dazu spiegelsymmetrischen zweiten Zwischenrippenbauteil 37 jeweils mit um 90° abgewinkeltem Zwischenrippenflansch 40 bestehen, sowie ein C-Profil 26 als Rahmenelement 24.
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Die Zwischenrippenelemente 30 werden so in dem Formwerkzeug 48 angeordnet, dass ein formgebender Hohlraum 62 entsteht, in dem der eingespritzte thermoplastische Faserverbundwerkstoff 60 auch die abgewinkelten Zwischenrippenflansche 40 der beiden Zwischenrippenbauteile 36, 37 umspritzt. Nach dem Erstarren des thermoplastischen Faserverbundwerkstoffs 60 zu dem formgleichen Verbindungselement 67 verbindet das so entstehende Verbindungselement 67 aus erstarrtem thermoplastischem Polymermaterial 66 die Zwischenrippenelemente 30 und das C-Profil 26 nicht nur stoffschlüssig, sondern sind die Zwischenrippenelemente 30 durch ihre in das erstarrte Polymer eingebetteten Zwischenrippenflansche 40 auch formschlüssig mit dem Verbindungselement 67 verbunden.
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Die Zwischenrippenbauteile 36, 37 können mit ihren Zwischenrippenflanschen 40 auch direkt auf dem C-Profilrücken 29 angeordnet sein. Auch in diesem Fall kommt es zu einem Stoffschluss und einem Formschluss der Strukturelemente, jedoch ohne vollständiges Umspritzen der Zwischenrippenflansche 40.
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Wie in 9 dargestellt können die Zwischenrippenbauteile 36, 37 korrespondierende oder zueinander versetzte Aussparungen aufweisen, die den Stoffschluss und/oder den Formschluss zwischen den Strukturelementen und/oder mit dem Verbindungselement 67 weiter verstärken.
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Im Folgenden werden nochmals verschiedene Aspekte der Erfindung zusammengefasst.
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Im Rahmen der Entwicklung neuer Flugzeugrümpfe wird die Verwendung thermoplastischer Materialien in Rahmenstrukturen für den Luftfahrzeugrumpf diskutiert. Ein kosteneffiziente Türrahmenstrukturkonzept (DSS „door surround structure“) für ein mit hoher Fertigstellungsgeschwindigkeit produziertes Luftfahrzeug wird als Wegbereiter für die Anwendung von thermoplastischem Faserverbundwerkstoff (= CFRP, „carbon fiber reinforced polymer“) betrachtet, mit dem die erwünschten Ziele hinsichtlich wiederkehrender Kosten und Fertigungsgeschwindigkeit erreicht werden können.
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Das Überspritzen oder Umspritzen (engl. „overmolding“) ist eine im Stand der Technik bekannte Technologie. Die Konzepte zielen überwiegend auf CFRP-Materialien mit einer Matrix aus duroplastischem Polymer ab.
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Im Folgenden werden integrierte Türen beschrieben. Ein integrierter Türrahmen umfasst einen „C-Rahmen“, der beispielsweise durch AFP mit TP-„Prepregs“, aber auch durch andere Verfahren hergestellt werden kann, und Zwischenrippenelemente, bei denen es sich um abgewinkelte oder gefalzte oder gefaltete Platten bzw. Bögen handeln kann, die beispielsweise aus thermoplastischem oder duroplastischem Polymer, die Verstärkungsfasern, insbesondere kurzfaserige Kohlenstofffasern, gefertigt sind.
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Für die Zwischenrippenelemente werden kontinuierliche Fasern benötigt. Eine Anbindung der Zwischenrippenelemente an die Haut ist erforderlich. Die Zwischenrippenelemente stehen im Betrieb unter Scherbelastung. Die Lasten stammen von den Türanschlägen. Das Element ist ein Zwischenrippenelement in einer Ebene mit dem Türanschlag und nicht senkrecht zu der Haut (schwierig für die Einweisung). In anderen Ausführungsformen können die Zwischenrippenelement oder Intercostals auch senkrecht zur Haut ausgerichtet sein.
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Der „C-Rahmen“ kann beispielsweise ein C-Spant oder ein kontinuierliches C-Profil sein. Es werden kontinuierliche Fasern verwendet. Sie können beispielsweise unter einem Winkel von 0°, ± 30°, ± 45°, ± 60°, 90° oder dergleichen abgelegt werden.
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Merkmale für die TP-Herstellung: Zwischenrippenelemente sind Versteifungsbauteile. Sie können zwei abgewinkelte Versteifungselemente umfassen. Jedes Versteifungselement weist ein Rückenteil und dazu abgewinkelte Flansche auf. Zwei Versteifungselemente werden durch Inkontaktbringen ihrer gleich geformten Rückenteile miteinander in flächigen Kontakt gebracht.
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Eine Hälfte des Versteifungsbauteils wird durch Knicken einer Platte oder eines Bogens aus organischem Material hergestellt. Ein zweites dazu spiegelbildliches Versteifungselement wird in gleicher Weise hergestellt. Die zwei Versteifungselemente werden an ihren Rückenteilen miteinander in flächigen Kontakt gebracht. Ränder der Rückenteile werden mit einem Füllmaterial versehen, das injizierte kurze Fasern enthalten kann.
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Eine vollständige Subanordnung in Form eines Versteifungsbauteils umfasst zwei geknickte Teile, durch das Knicken entstandene Flansche und das aufgebrachte Füllmaterial. Die Subanordnung wird an einem C-Profi oder C-Rahmen befestigt.
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Die Erfindung ermöglicht deutliche ökonomische Vorteile hinsichtlich der Produktionszeit und der wiederkehrenden Kosten (RC).
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Der Hauptvorteil besteht in der Integration der einzelnen Strukturelemente in einem einzigen Schritt durch Überspritzen. Es kann auch eine Gewichtseinsparung erzielt werden, weil das Überspritzen Möglichkeiten zur Optimierung der räumlichen Struktur bietet.
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Das Konzept kann nicht nur bei Türrahmenstrukturen angewendet werden. Es kann auch bei allen sonstigen versteifenden Stützstrukturen für Schalen in der Thermoplast- oder der Duroplast-Technologie angewendet werden. Dieses Konzept wird hier am Beispiel einer Türrahmenstruktur (DSS) in der Thermoplast-Technologie erklärt.
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Die Erfindung zielt darauf ab, Herstellungskonzepte und Prozesse, die mit der industriellen Herstellung von TP-CFRP-Türrahmenstrukturen verbunden sind, an die Anforderungen und Bedürfnisse hinsichtlich Konstruktions- und Designzielen, wie Gewicht, anzupassen.
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Die Erfindung schlägt die Anwendung des Umspritzverfahrens als Integrations- und Zusammenbaukonzept für Türrahmenelemente vor. Der Zusammenbau soll in einem Verfahren ohne Nieten erfolgen, um die Kosten für das Nieten zu vermeiden. Daher muss die Konstruktion in Richtung eines Umspritzverfahrens angepasst werden.
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Einzelheiten des Werkzeugkonzepts und einige Konstruktionsmerkmale können in 5 und 6 gefunden werden.
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Für das Umspritzverfahren werden die Strukturelemente (z. B. C-förmige Türrahmen) und die Versteifungselemente (Zwischenrippenelemente) vorab hergestellt, z. B. aus mit Endlosfasern verstärktem Material. Diese im Wesentlichen flächigen oder C-förmigen Elemente werden in dem unteren Formwerkzeugteil angeordnet.
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Anschließend werden die inneren Kerne zwischen den Versteifungselementen positioniert. Das Formwerkzeug wird dann mit dem abdeckenden oberen Formwerkzeugteil und dem dritten Formwerkzeugteil verschlossen.
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Wenn das Formwerkzeug vollständig geschlossen ist, wird das mit kurzen Fasern verstärkte Matrixmaterial eingespritzt.
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Nach dem Einspritzen kühlt das injizierte Material ab und wird fest. Dadurch wird die strukturelle Verbindung zwischen allen Elementen geschaffen. Diese Verbindungsbereiche können so gestaltet werden, dass sie strukturoptimiert sind und ein Entformen der inneren Kerne und anderer Kerne oder der Formwerkzeugteile erlauben. Die eingespritzte Struktur sollte Entformungsmerkmale aufweisen (z. B. „drafting angles“ , trapezförmige Umrisse). Außerdem können die inneren Kerne auch in Untereinheiten geteilt sein, um das Entformen zu ermöglichen.
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In den 8 und 9 sind weitere Konstruktionsmerkmale für die Verbindungsgebiete zwischen dem Rahmenelement und den Zwischenrippenelementen erklärt.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Luftfahrzeug
- 12
- Luftfahrzeugrumpf
- 14
- Tür
- 16
- Fenster
- 18
- Aussparung
- 20
- Versteifungsstruktur
- 21
- Türrahmenstruktur
- 22
- Fensterrahmenstruktur
- 24
- Rahmenelement
- 26
- C-Profil
- 28
- C-Profilflansch
- 29
- C-Profilrücken
- 30
- Zwischenrippenelement
- 32
- Versteifungsgrundkörper
- 34
- Versteifungsbauteil
- 35
- flächiges Versteifungselement
- 36
- erstes Zwischenrippenbauteil
- 37
- zweites Zwischenrippenbauteil
- 38
- Hauptplatte
- 40
- Zwischenrippenflansch
- 42
- erste C-Profilkontaktplatte
- 43
- zweite C-Profilkontaktplatte
- 44
- Kantenbereich
- 46
- Füllmaterial
- 48
- Formwerkzeug
- 50
- untere Werkzeugplatte
- 52
- obere Werkzeugplatte
- 54
- seitliche Werkzeugplatte
- 56
- Werkzeugkern
- 57
- zweiteiliger Werkzeugkern
- 58
- härtbares Harz
- 60
- geschmolzenes thermoplastisches Polymermaterial
- 62
- formgebender Hohlraum
- 64
- Duroplast
- 66
- erstarrtes thermoplastisches Polymermaterial
- 67
- Verbindungselement
- 68
- erstes Zwischenrippenversteifungselement
- 70
- zweites Zwischenrippenversteifungselement
- 72
- dritte C-Profilkontaktplatte
- 74
- Aussparung
- 76
- Zwischenrippenelementhauptfläche
- 78
- Zwischenraum
- 80
- Flächenbereich
- 82
- Streifen
