DE102019122480A1

DE102019122480A1 - Applikationsdüsenelement, Applikationsvorrichtung und Applikationsverfahren zum gleichmäßigen Applizieren thixotroper Füllmassen

Info

Publication number: DE102019122480A1
Application number: DE102019122480.2A
Authority: DE
Inventors: Christian HERRLES; Luigi Aloe
Original assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2019-08-21
Filing date: 2019-08-21
Publication date: 2021-02-25

Abstract

Um die Herstellung komplexer Verbindungsfugen (10) zwischen Luftfahrzeugbauteilen (14, 16) zu verbessern, wird vorgeschlagen ein Applikationsdüsenelement (38) mit einer Metallschichtstruktur (64) zu überziehen. Nach zunächst chemischer Abscheidung der ersten Metallschicht, können weitere Metallschichten galvanisch aufgetragen werden. Die Metallschichtstruktur (64) erlaubt eine Erwärmung der zum Füllen der Verbindungsfuge (10) vorgesehenen thixotropen Füllmasse lediglich in einem schmalen Randbereich (42). Der schmale Randbereich (42) fungiert als Gleitschicht und erlaubt es dem nicht erwärmten Anteil der Füllmasse (18) gleichmäßiger als bisher aus dem Düsenelement (38) auszutreten. Ferner wird eine Applikationsvorrichtung (30) vorgeschlagen, mittels der die Füllmasse (18) gleichmäßig auf den Fugenbereich (10) aufgebracht werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft Vorrichtungen und Verfahren zum gleichmäßigen Applizieren einer thixotropen Füllmasse.
Um den Luftwiderstand während des Fluges zu verringern bzw. zu minimieren, sollten Luftfahrzeuge mit einer laminaren Oberfläche versehen sein, insbesondere an den Flügeln, dem Seitenleitwerk (engl.: vertical tail plane, VTP) oder dem Höhenleitwerk (engl.: horizontal tail plane, HTP). Somit sollten komplexe Verbindungsfugen (tiefer und flacher Nutabschnitt), beispielsweise zwischen der Vorderkante eines Flügels und dem Flügelkasten, sehr gleichmäßig (± 0,1 mm) mit einer Füllmasse gefüllt werden, um die aerodynamischen Anforderungen zu erfüllen.
Verbindungsfugen und Verfahren zu deren Füllung sind beispielsweise aus EP 3 301 012 A1 , EP 3 147 086 A1 , US 2017 / 0 080 575 A1 und EP 3 178 627 B1 sowie der nicht vorveröffentlichten DE 10 2019 113 566.4 bekannt.
DE 10 2015 224 834 A1 offenbart eine Extrusionsdüse.
Heutzutage wird die Füllmasse solcher Verbindungsfugen manuell mit Applikationspistole und Spachtel aufgebracht und geglättet. Der Vorgang ist entsprechend wenig reproduzierbar. Ferner wird zusätzlich ein Maskierungsprozess benötigt, um die angrenzenden Flächen vor der Füllmasse zu schützen. Nach dem Aufbringen der Füllmasse wird das Maskierband entfernt. Der Vorgang wird solange wiederholt, bis die aerodyanmischen Anforderungen erfüllt werden können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Herstellung komplexer Verbindungsfugen, insbesondere bei Luftfahrzeugen, zu verbessern.
Die Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung schafft ein Applikationsdüsenelement zum gleichmäßigen Applizieren einer thixotropen Füllmasse, wobei das Applikationsdüsenelement einen Düsenkörper umfasst, der einen Düsenholraum in Umfangsrichtung umschließt und der eine Eintrittsöffnung und eine Austrittsöffnung für die Füllmasse definiert, wobei zumindest auf der den Düsenhohlraum begrenzende Innenumfangsfläche eine Metallschichtstruktur aufgebracht ist, die eine Kontaktschicht, die ausgebildet ist, die zu applizierende Füllmasse zu kontaktieren, und eine an die Kontaktschicht angrenzende Ausgleichsschicht aufweist, wobei die Kontaktschicht eine niedrigere Oberflächenrauigkeit als die Ausgleichsschicht und/oder die Innenumfangsfläche aufweist.
Es ist bevorzugt, dass der Düsenkörper aus einem Polymermaterial gebildet ist oder aus dem Polymermaterial besteht.
Es ist bevorzugt, dass die Metallschichtstruktur eine Haftvermittlungsschicht aufweist, die an den Düsenkörper und an die Ausgleichsschicht angrenzt.
Es ist bevorzugt, dass die Haftvermittlungsschicht aus Kupfer, aus demselben Metall wie die Ausgleichsschicht oder aus Nickel gebildet ist, wobei insbesondere Nickel mit einem Phosphorgehalt von höchstens 7 % verwendet wird.
Es ist bevorzugt, dass die Kontaktschicht aus einem ferromagnetischen Material, insbesondere ferromagnetischen Metall, gebildet ist.
Es ist bevorzugt, dass die Ausgleichsschicht aus einem ferromagnetischen Material, insbesondere ferromagnetischen Metall, gebildet ist.
Es ist bevorzugt, dass die Haftvermittlungsschicht aus einem ferromagnetischen Material, insbesondere ferromagnetischen Metall, gebildet ist.
Es ist bevorzugt, dass die Ausgleichsschicht eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist als die Kontaktschicht.
Es ist bevorzugt, dass die Kontaktschicht eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist als die Ausgleichsschicht.
Es ist bevorzugt, dass die Kontaktschicht aus Weißbronze, einer Kupfer-Zinn-Knetlegierung oder Nickel gebildet ist, wobei insbesondere Nickel mit einem Phosphorgehalt von höchstens 7 % verwendet wird.
Es ist bevorzugt, dass die Ausgleichsschicht aus Kupfer, Weißbronze, einer Kupfer-Zinn-Knetlegierung oder Nickel gebildet ist, wobei insbesondere Nickel mit einem Phosphorgehalt von höchstens 7 % verwendet wird.
Die Erfindung schafft eine Applikationsvorrichtung zum gleichmäßigen Applizieren einer thixotropen Füllmasse an einem von mindestens zwei Bauteilen, insbesondere Luftfahrzeugbauteilen, definierten Fugenbereich, wobei die Applikationsvorrichtung eine Heizeinrichtung zum Beheizen der Metallschichtstruktur und ein bevorzugtes Applikationsdüsenelement umfasst, wobei die Heizeinrichtung derart ausgebildet ist, die Metallschichtstruktur derart zu beheizen, dass lediglich ein schmaler Randbereich der in dem Applikationsdüsenelement befindlichen Füllmasse erwärmt wird.
Es ist bevorzugt, dass die Heizeinrichtung eine Induktionsheizeinrichtung umfasst, die ausgebildet ist, mittels Induktion in wenigstens einer der Schichten der Metallschichtstruktur diese zu beheizen.
Es ist bevorzugt, dass die Heizeinrichtung ausgebildet ist, den schmalen Randbereich auf eine Verarbeitungstemperatur zwischen 25 °C und 60 °C, insbesondere 30 °C und 60 °C, insbesondere 45 °C und 55 °C, mehr insbesondere 48 °C und 52 °C, bevorzugt 50 °C zu erwärmen.
Vorzugsweise umfasst die Applikationsvorrichtung eine Füllmassenkartuscheneinrichtung, die zum Aufnehmen einer Füllmassenkartusche und zum Fluidverbinden des Applikationsdüsenelements mit der Füllmassenkartusche ausgebildet ist. Vorzugsweise umfasst die Applikationsvorrichtung eine Füllmassenkartuscheneinrichtung, die zum Ausdrücken der Füllmasse aus einer Füllmassenkartusche ausgebildet ist, um die Füllmasse mittels des Applikationsdüsenelements auszugeben.
Vorzugsweise umfasst die Applikationsvorrichtung eine Füllmassenkartusche, die eine thixotrope Füllmasse enthält.
Es ist bevorzugt, dass die Füllmasse eine Zwei-Komponenten-Füllmasse ist, wobei die Füllmassenkartusche ausgebildet ist, die zwei Komponenten getrennt zu lagern und beim Ausdrücken zu vermischen.
Die Erfindung schafft einen Applikationsteilesatz zum gleichmäßigen Applizieren einer thixotropen Füllmasse, wobei der Applikationsteilesatz eine Füllmassenkartusche, die eine thixotrope Zwei-Komponenten-Füllmasse enthält, wobei die Füllmassenkartusche ausgebildet ist, die zwei Komponenten getrennt zu lagern und beim Ausdrücken zu vermischen, und ein bevorzugtes Applikationsdüsenelement und/oder eine Heizeinrichtung umfasst, die ausgebildet ist, lediglich einen schmalen Randbereich von sich in einem Applikationsdüsenelement befindlicher Füllmasse zu erwärmen.
Die Erfindung schafft ein Herstellungsverfahren zum Herstellen eines, insbesondere bevorzugten, Applikationsdüsenelements, das zum gleichmäßigen Applizieren thixotroper Füllmasse ausgebildet ist, mit den Schritten:

a) Bereitstellen eines Düsenkörpers, der einen Düsenholraum in Umfangsrichtung umschließt, der eine Eintrittsöffnung und eine Austrittsöffnung für die Füllmasse definiert und der eine den Düsenhohlraum begrenzende Innenumfangsfläche aufweist;
b) Erzeugen einer Metallschichtstruktur auf wenigstens der Innenumfangsfläche durch Ausbilden einer Ausgleichsschicht und Ausbilden einer an die Ausgleichsschicht angrenzenden Kontaktschicht, die ausgebildet ist, die zu applizierende Füllmasse zu kontaktieren, wobei die Kontaktschicht mit einer niedrigeren Oberflächenrauigkeit als die Ausgleichsschicht und/oder die Innenumfangsfläche erzeugt wird.

Es ist bevorzugt, dass in Schritt a) der Düsenkörper durch ein generatives Fertigungsverfahren, insbesondere 3D-Druck, hergestellt wird.
Es ist bevorzugt, dass in Schritt b) die Metallschichtstruktur mit einer Haftvermittlungsschicht erzeugt wird, die auf dem Düsenkörper ausgebildet wird.
Es ist bevorzugt, dass in Schritt b) die Haftvermittlungsschicht mittels chemischer Abscheidung auf dem Düsenkörper ausgebildet wird.
Es ist bevorzugt, dass die Haftvermittlungsschicht aus Kupfer, aus demselben Metall wie die Ausgleichsschicht oder aus Nickel ausgebildet wird, wobei insbesondere Nickel mit einem Phosphorgehalt von höchstens 7 % verwendet wird.
Es ist bevorzugt, dass die Kontaktschicht aus einem ferromagnetischen Material, insbesondere ferromagnetischen Metall, ausgebildet wird.
Es ist bevorzugt, dass die Ausgleichsschicht aus einem ferromagnetischen Material, insbesondere ferromagnetischen Metall, ausgebildet wird.
Es ist bevorzugt, dass die Haftvermittlungsschicht aus einem ferromagnetischen Material, insbesondere ferromagnetischen Metall, ausgebildet wird.
Es ist bevorzugt, dass die Ausgleichsschicht eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist als die Kontaktschicht.
Es ist bevorzugt, dass die Kontaktschicht eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist als die Ausgleichsschicht.
Es ist bevorzugt, dass die Kontaktschicht aus Weißbronze, einer Kupfer-Zinn-Knetlegierung oder Nickel gebildet ist, wobei insbesondere Nickel mit einem Phosphorgehalt von höchstens 7 % verwendet wird.
Es ist bevorzugt, dass die Kontaktschicht als Dispersionsschicht ausgebildet ist, die eine PTFE-Matrix und darin dispergierte Teilchen enthält, wobei die Teilchen ausgewählt sind aus einer Gruppe, die Nickel-, Diamant-, und Bornitrid-Partikel enthalten.
Es ist bevorzugt, dass die Ausgleichsschicht aus Kupfer oder Nickel gebildet ist, wobei insbesondere Nickel mit einem Phosphorgehalt von höchstens 7 % verwendet wird.
Es ist bevorzugt, dass die Ausgleichsschicht mittels galvanischer Abscheidung ausgebildet wird.
Es ist bevorzugt, dass die Kontaktschicht mittels galvanischer Abscheidung ausgebildet wird.
Die Erfindung schafft ein Applikationsverfahren zum gleichmäßigen Applizieren einer thixotropen Füllmasse an einem von mindestens zwei Bauteilen, insbesondere Luftfahrzeugbauteilen, definierten Fugenbereich, indem beim Applizieren der Füllmasse durch ein, insbesondere bevorzugtes, Applikationsdüsenelement lediglich ein schmaler Randbereich der Füllmasse erwärmt wird, während die Füllmasse mittels des Applikationsdüsenelements entlang des Fugenbereichs ausgegeben wird, um den Fugenbereich mit Füllmasse derart zu befüllen, dass die Füllmasse im Wesentlichen, insbesondere abgesehen von einem Fugenrandbereich, bündig mit den Bauteilen ist.
Es ist bevorzugt, dass die Füllmasse eine Zwei-Komponenten-Füllmasse ist, die vor dem Applizieren durch das Applikationsdüsenelement vermischt wird, um den Aushärteprozess zu starten, sodass lediglich der schmale Randbereich der bereits aushärtenden Füllmasse erwärmt wird.
Es ist bevorzugt, dass bei der Durchführung des Applikationsverfahrens ein bevorzugtes Applikationsdüsenelement und/oder eine bevorzugte Applikationsdüsenvorrichtung verwendet werden.
Eine Idee ist es, Metallschichten mit einer Dicke von insgesamt 80 µm auf die Oberfläche von 3d-gedruckten Düsen (beispielsweise aus ABS; Acrylnitril-Butadien-Styrol) aufzubringen mittels eines galvanischen Metallisierungsverfahrens (erste Schicht: chemisch abgeschiedenes Kupfer; zweite Schicht: galvanisch abgeschiedenes Kupfer; dritte Schicht: galvanisch abgeschiedenes Nickel). Die Verwendung anderer Materialien ist ebenfalls möglich: beispielsweise chemisch abgeschiedenes Nickel (bevorzugt mit einem maximalen Phosphorgehalt von 7 %, relevant für Induktion), Weißbronze (Kupfer-Zinn-Legierung, Elektrolyt mit hohem Zinnanteil).
Aufgrund der ferromagnetischen Eigenschaften des Nickels, kann die Nickelschicht durch Induktion beheizt werden. Dadurch kann die Viskosität der Füllmasse lediglich in der Grenzschicht zur Düse abgesenkt werden, sodass auch die Wandeffekte zwischen Düse und dem (teilweise) erwärmten Füllmaterial abnehmen.
Wenn die Kontaktschicht als Dispersionsschicht ausgebildet ist, können weitere Vorteile erreicht werden. So können mit einer PTFE-Matrix die Reinigungseigenschaften verbessert werden. Sind darin Nickel-Partikel eingebettet, kann die Induktionsheizfähigkeit auch damit verwirklicht werden. Die Wärmeleitfähigkeit und/oder Standzeit der Kontaktschicht bzw. Düse kann durch die Zugabe von Diamant und/oder Bornitrid-Partikeln verbessert werden.
Aufgrund der der Nickelschicht unterliegenden Kupferschicht, kann auch eine guter Wärmetransport erreicht werden; Wärmeleitfähigkeit Kupfer: 400 W/(m*K), Nickel: 85 W/(m*K).
Insgesamt kann somit auch auf eine aufwendige Maskierung verzichtet werden. Durch fehlende Maskierung kann auch das Risiko für Ungenauigkeiten in der Maskierung gesenkt werden, die andernfalls die Qualität des Applizierungsprozesses der Füllmasse, insbesondere hinsichtlich der Oberflächenglattheit, beeinträchtigen können. Auch die Anzahl der Verfahrensdurchgänge kann damit verringert werden.
Im bevorzugten Fall kann durch das Verwenden eines automatischen Füllmassenapplikationsprozesses mit angepassten Düsen und ggfs. einem entsprechenden Roboterarm, die Füllung der Verbindungsfuge in einem einzigen Schritt erfolgen (ohne zusätzliches Maskieren und/oder Glätten).
Die Gleichmäßigkeit einer automatisch gefüllten Verbindungsfuge ist deutlich besser als diejenige einer manuell gefüllten. Dennoch kann auch beim automatischen Füllen ein Überfluss an Füllmasse auf beiden Seiten der Verbindungsfuge verbleiben. Dies kann beispielsweise durch die Adhäsion zwischen Füllmasse und Düsenöffnung verursacht werden.
Füllmassen in der Luftfahrtindustrie, die für äußere Anwendung benutzt werden, zeigen thixotropes Verhalten mit einer hohen Viskosität bei Raumtemperatur. Durch Erwärmen der Füllmasse (beispielsweise auf 50 °C) kann die Viskosität verringert werden.
In der Luftfahrtindustrie werden typischerweise Zwei-Komponenten-Füllmassen für die äußere Anwendung benutzt. Der Aushärteprozess der Füllmasse beginnt mit dem Mischen der beiden Komponenten. Dieser Aushärteprozess ist temperaturempfindlich und kann durch höhere Temperaturen (beispielsweise 50 °C) beschleunigt werden; für den Aushärteprozess ist dies von Vorteil, für den Applikationsprozess (Änderung der Viskosität) allerdings eher von Nachteil.
Folglich sollte die Füllmasse während des Applikationsprozesses so wenig wie möglich erwärmt werden.
Es gibt bereits allgemein Heizsysteme für Roboteranwendungen, die zum Erwärmen ungehärteter Füllmasse in der Kartusche (beheizbarer Kartuschenhalter bzw. beheizbare Drückvorrichtung) oder innerhalb einer Metalldüse verwendet werden. Diese existierenden Lösungen können jedoch einen zu hohen Wärmeeintrag in die Füllmasse haben.
Ferner kann die raue Oberfläche 3d-gedruckter Düsen durch einen Metallisierungsprozess geglättet werden. Versuche der Anmelderin zeigen, dass eine glatte Düsenoberfläche die Qualität des Füllmassenapplizierungsprozesses steigern können. Aufgrund der oberflächennivellierenden Eigenschaften des Kupfer- und Nickelelektrolyts, kann eine sehr glatte Oberfläche geschaffen werden, die ein mechanisches ineinandergreifen auf der Düsenoberfläche vermeidet und ein reibungsreduziertes Verhalten aufweist.
Ausführungsbeispiele werden anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt:

1 ein Versuchsergebnis eines manuell bearbeiteten Fugenbereichs;
2 ein Ausführungsbeispiel einer Applikationsvorrichtung;
3 Ausführungsbeispiele von Applikationsdüsenelementen;
4 ein Ausführungsbeispiel einer Metallschichtstruktur;
5 eine Draufsicht auf eine Austrittsöffnung; und
6 eine Darstellung des Versuchsergebnisses einer mittels erfindungsgemäßer Applikationsdüsenelementen erzeugten Fugenbereichs.

Es wird zunächst auf die 1 Bezug genommen, die ein Diagramm eines Versuchsergebnisses für einen Fugenbereich 10 zeigt. Es wird beispielhaft von einem im Wesentlichen dreieckigen Fugenprofil 12 ausgegangen. Denkbar sind jedoch auch andere Fugenprofile, wie etwa ein Fugenprofil mit tiefem Nutbereich und flachem Nutbereich.
Der Fugenbereich 10 wird durch ein erstes Bauteil 14 und ein zweites Bauteil 16 gebildet. Dabei kann das erste Bauteil 14 eine Flügelvorderkante sein, während das zweite Bauteil 16 ein Flügelkasten ist. Auch andere Bauteilarten sind denkbar, beispielsweise Rumpfpaneele oder -sektionen und dergleichen.
Der Fugenbereich 10 wird manuelle mit einer thixotropen Füllmasse 18 befüllt und anschließend mittels eines Spachtels abgezogen bzw. geglättet. Aufgrund unteranderem der Verformung des Spachtels beim Abziehen und Schrumpfung der Füllmasse 18 beim Aushärten entsteht ein beispielhaftes Füllmassenprofil 20.
Wie in 1 erkennbar, kann eine Oberflächenstruktur 22 entstehen, die beispielsweise eine Vertiefung 24 aufweist. Die Unebenheit der Oberflächenstruktur 22 genügt mit einer Größe von ein paar 100 µm nicht mehr den aerodynamischen Anforderungen. Es kann daher erforderlich sein, das Verfahren mehrfach durchzuführen, bis die aerodynamischen Anforderungen erfüllt sind.
Es wird auf 2 Bezug genommen, die eine Applikationsvorrichtung 30 zeigt. Die Applikationsvorrichtung 30 ist für ein gleichmäßiges Applizieren der thixotropen Füllmasse 18 ausgebildet.
Die Applikationsvorrichtung 30 umfasst einen relativ zu einem Werkstück 32 bewegbaren Arbeitskopf 34. Das Werkstück 32 weist den zu befüllenden Fugenbereich 10 auf. Das Werkstück 32 ist bevorzugt aus dem ersten und zweiten Bauteil 14, 16 zusammengesetzt. Der Arbeitskopf 34 kann an einem Ende eines Roboterarms 36 angebracht sein.
Der Arbeitskopf 34 umfasst ein Applikationsdüsenelement 38. Das Applikationsdüsenelement 38 dient dem Ausgeben der Füllmasse 18 in den Fugenbereich 10. Das Applikationsdüsenelement 38 ist vorzugsweise lösbar an dem Arbeitskopf 34 befestigt, um andere Düsenformen zu ermöglichen oder beschädigte Düsenelemente auszutauschen.
Der Arbeitskopf 34 umfasst ferner eine Heizeinrichtung 40. Die Heizeinrichtung 40 ist ausgebildet, die Füllmasse 18 in dem Applikationsdüsenelement 38 zu erwärmen; allerdings lediglich einen schmalen Randbereich 42 (5) der Füllmasse 18. Der deutlich überwiegende Anteil 44 (5) der Füllmasse 18 wird von der Heizeinrichtung 40 anders als bisher nicht erwärmt.
Die Heizeinrichtung 40 ist bevorzugt als Induktionsheizeinrichtung 46 ausgebildet. Die Induktionsheizeinrichtung 46 weist wenigstens eine Induktionsspule 48 auf mittels der das Applikationsdüsenelement 38 beheizt werden kann.
Der Arbeitskopf 34 kann zudem eine Füllmassenkartuscheneinrichtung 50 aufweisen. Die Füllmassenkartuscheneinrichtung 50 ist ausgebildet eine Füllmassenkartusche 52 aufzunehmen und auszudrücken. Beim Ausdrücken wird die Füllmasse 18 aus der Füllmassenkartusche 52 herausgedrückt und anschließend zu dem Applikationsdüsenelement 38 transportiert, wo die Füllmasse 18 ausgegeben wird.
Die Füllmasse 18 ist insbesondere eine Zwei-Komponenten-Füllmasse. Die beiden Komponenten der Füllmasse 18 liegen in der Füllmassenkartusche 52 zunächst getrennt vor. Beim Ausdrücken der Füllmasse 18 können deren beide Komponenten durch eine Mischeinrichtung vermischt werden bevor die Füllmasse 18 zu dem Ausgangsdüsenelement 38 transportiert wird. Mit anderen Worten befindet sich die Füllmasse 18, wenn die Füllmasse 18 in dem Ausgangsdüsenelement 38 ist, bereits im Aushärteprozess.
Es wird nachfolgend auf 3 und 4 Bezug genommen, anhand derer die Herstellung des Applikationsdüsenelements 38 näher erläutert wird.
Wie in 3 gezeigt, sind unterschiedliche Formen für das Applikationsdüsenelement 38 möglich.
Das Applikationsdüsenelement 38 umfasst einen Düsenkörper 54. Der Düsenkörper 54 ist bevorzugt durch ein generatives Fertigungsverfahren hergestellt. Der Düsenkörper 54 besteht insbesondere aus Polymermaterial.
Der Düsenkörper 54 weist eine Eintrittsöffnung 56 auf. Die Eintrittsöffnung 56 ist so ausgebildet, dass das Applikationsdüsenelement 38 an den Arbeitskopf 34 anschließbar ist. Insbesondere ist die Eintrittsöffnung 56 kreisförmig ausgebildet.
Der Düsenkörper 54 weist eine Austrittsöffnung 58 auf. Die Austrittsöffnung 58 kann an das Fugenprofil 12 angepasst sein.
Der Düsenkörper 54 weist ferner einen Düsenhohlraum 60 auf. Der Düsenhohlraum 60 ist in Umfangsrichtung von einer Innenumfangsfläche 62 des Düsenkörpers 54 umschlossen. In Längsrichtung ist der Düsenhohlraum 60 durch die Eintrittsöffnung 56 und die Austrittsöffnung 58 definiert.
Zumindest auf der Innenumfangsfläche 62 ist eine Metallschichtstruktur 64 aufgebracht. Die Metallschichtstruktur 64 kann auch auf der gesamten Oberfläche des Düsenkörpers 54 aufgebracht sein.
Die Metallschichtstruktur 64 umfasst eine Haftvermittlungsschicht 66. Die Haftvermittlungsschicht 66 grenzt unmittelbar an den Düsenkörper 54. Die Haftvermittlungsschicht 66 wird mittels einer chemischen Reaktion auf dem Düsenkörper 54 abgeschieden. Die Schichtdicke der Haftvermittlungsschicht 66 ist so gewählt, dass die Schichtdicke für die Haftvermittlung ausreicht; allerdings nicht wesentlich dicker. Bevorzugt ist die Haftvermittlungsschicht 66 aus Kupfer oder Nickel gebildet.
Die Haftvermittlungsschicht 66 kann, beispielsweise mittels Nickel, ferromagnetisch ausgebildet sein. Dabei wird insbesondere Nickel mit höchstens 7 % Phosphoranteil verwendet.
Die Metallschichtstruktur 64 umfasst ferner eine Ausgleichsschicht 68. Die Ausgleichsschicht 68 grenzt unmittelbar an die Haftvermittlungsschicht 66. Die Ausgleichsschicht 68 wird mittels eines galvanischen Prozesses auf der Haftvermittlungsschicht 66 abgeschieden. Die Schichtdicke der Ausgleichsschicht 68 ist so gewählt, dass die Oberflächenrauheit der Innenumfangsfläche 62 nivelliert bzw. deutlich reduziert ist. Die Ausgleichsschicht 68 ist bevorzugt aus demselben Metall wie die Haftvermittlungsschicht 66 gebildet.
Die Metallschichtstruktur 64 umfasst zudem eine Kontaktschicht 70. Die Kontaktschicht 70 grenzt unmittelbar an die Ausgleichsschicht 68. Die Kontaktschicht 70 ist diejenige Schicht, die mit der Füllmasse 18 in Kontakt kommen kann. Die Kontaktschicht 70 wird ebenfalls mittels eines galvanischen Prozesses auf der Ausgleichsschicht 68 abgeschieden. Die Schichtdicke der Kontaktschicht 70 ist bevorzugt so gewählt, dass die Kontaktschicht 70 eine weiter reduzierte Oberflächenrauheit gegenüber der Ausgleichsschicht 68 bzw. der Innenumfangsfläche 62 aufweist.
Die Kontaktschicht 70 kann, beispielsweise mittels Nickel, ferromagnetisch ausgebildet sein. Dabei wird insbesondere Nickel mit höchstens 7 % Phosphoranteil verwendet.
Insgesamt wird die Metallschichtstruktur 64 bevorzugt so ausgebildet, dass die gesamte Dicke 80 µm nicht überschreitet. Die minimale Dicke der Metallschichtstruktur 64 hängt insbesondere von der Oberflächenrauheit der Innenumfangsfläche 62 ab.
Die Metallschichtstruktur 64 enthält bevorzugt wenigstens eine Nickelschicht und wenigstens eine kupferhaltige Schicht. Die Nickelschicht dient einerseits dazu, dass das Applikationsdüsenelement 38 induktiv beheizt werden kann; andererseits kann die Nickelschicht auch den Wärmetransport begrenzen, um eine zu starke Erwärmung des schmalen Randbereichs 42 zu verhindern.
Die kupferhaltige Schicht erlaubt es, dass die teilweise lokalisiert eingebrachte Wärme sich über die gesamte Innenumfangsfläche 62 bzw. den Düsenkörper 54 zügig und gleichmäßig verteilt.
Der Fugenbereich 10 wird mit der Füllmasse 18 wie folgt befüllt:

Der Bearbeitungskopf 34 wird an einem Ende des Fugenbereichs 10 positioniert. Sodann drückt die Füllmassenkartuscheneinrichtung 50 die Füllmasse 18 aus der Füllmassenkartusche 52. Die beiden Komponenten der Füllmasse 18 werden dabei vermischt.

Die Füllmasse 18 tritt an der Eintrittsöffnung 56 in den Düsenkörper 54 ein und befüllt zunächst den Düsenhohlraum 60. Die Metallschichtstruktur 64 an der Innenumfangsfläche 62 wird mittels der Heizeinrichtung 40 beheizt und überträgt die Wärme in den schmalen Randbereich 42. Dabei wird der schmale Randbereich 42 auf eine höhere Verarbeitungstemperatur, etwa 50 °C, erwärmt. Die Viskosität der Füllmasse 18 nimmt dann lediglich in dem schmalen Randbereich 42 ab, sodass der schmale Randbereich 42 als Gleitschicht fungiert. Auf dem schmalen Randbereich 42 kann somit der überwiegende Anteil 44 der Füllmasse 18 durch den Düsenhohlraum 60 zu der Austrittsöffnung 58 gleiten.
Der Bearbeitungskopf 34 wird entlang des Fugenbereichs 10 bewegt, sodass die aus der Austrittsöffnung 58 austretende Füllmasse 18 das Fugenprofil 12 im Wesentlichen gleichmäßig befüllt.
Es wird nachfolgend auf 6 Bezug genommen, die ein Versuchsergebnis des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt.
6 zeigt neun Oberflächenprofile 72 des befüllten Fugenbereichs 10. Auf der x-Achse ist die Ortskoordinate in Breitenrichtung aufgetragen. Auf der y-Achse ist die gemessene Höhe der Füllmasse 18 aufgetragen.
Lediglich an den Fugenrandbereichen 74 ist zu viel Füllmasse 18 aufgetragen, während im Überwiegenden Mittelbereich 76 die aerodynamischen Anforderungen erfüllt sind. Wie ein Vergleich mit 1 zeigt ergibt sich eine deutliche Verbesserung der Gleichmäßigkeit des Füllmassenauftrags.
Ferner ist aus 6 ersichtlich, dass innerhalb einer Probe an neun unterschiedlichen Stellen die Variation innerhalb der Probe sehr gering ist. Damit ergibt sich aufgrund der vorgeschlagenen Maßnahmen ein reproduzierbarer und konsistenter Füllmassenauftrag.
Um die Herstellung komplexer Verbindungsfugen zwischen Luftfahrzeugbauteilen zu verbessern, wird vorgeschlagen ein Applikationsdüsenelement mit einer Metallschichtstruktur zu überziehen. Nach zunächst chemischer Abscheidung, können weitere Schichten galvanisch aufgetragen werden. Die Metallschichtstruktur erlaubt eine Erwärmung der zum Füllen der Verbindungsfuge vorgesehenen thixotropen Füllmasse lediglich in einem schmalen Randbereich. Der schmale Randbereich fungiert als Gleitschicht und erlaubt es dem nicht erwärmten Anteil der Füllmasse gleichmäßiger als bisher aus dem Düsenelement auszutreten. Ferner wird eine Applikationsvorrichtung vorgeschlagen, mittels der die Füllmasse gleichmäßig auf den Fugenbereich aufgebracht werden kann.
Bezugszeichenliste

10: Fugenbereich
12: Fugenprofil
14: erstes Bauteil
16: zweites Bauteil
18: Füllmasse
20: Füllmassenprofil
22: Oberflächenstruktur
24: Vertiefung
30: Applikationsvorrichtung
32: Werkstück
34: Arbeitskopf
36: Roboterarms
38: Applikationsdüsenelement
40: Heizeinrichtung
42: schmaler Randbereich
44: überwiegender Anteil
46: Induktionsheizeinrichtung
48: Induktionsspule
50: Füllmassenkartuscheneinrichtung
52: Füllmassenkartusche
54: Düsenkörper
56: Eintrittsöffnung
58: Austrittsöffnung
60: Düsenhohlraum
62: Innenumfangsfläche
64: Metallschichtstruktur
66: Haftvermittlungsschicht
68: Ausgleichsschicht
70: Kontaktschicht
72: Oberflächenprofil
74: Fugenrandbereich
76: Mittelbereich

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 3301012 A1 [0003]
EP 3147086 A1 [0003]
US 2017/0080575 A1 [0003]
EP 3178627 B1 [0003]
DE 102019113566 [0003]
DE 102015224834 A1 [0004]

Claims

Applikationsdüsenelement (38) zum gleichmäßigen Applizieren einer thixotropen Füllmasse (18), wobei das Applikationsdüsenelement (38) einen Düsenkörper (54) umfasst, der einen Düsenholraum (60) in Umfangsrichtung umschließt und der eine Eintrittsöffnung (56) und eine Austrittsöffnung (58) für die Füllmasse (18) definiert, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest auf der den Düsenhohlraum (60) begrenzende Innenumfangsfläche (62) eine Metallschichtstruktur (64) aufgebracht ist, die eine Kontaktschicht (70), die ausgebildet ist, die zu applizierende Füllmasse (18) zu kontaktieren, und eine an die Kontaktschicht (70) angrenzende Ausgleichsschicht (68) aufweist, wobei die Kontaktschicht (70) eine niedrigere Oberflächenrauheit als die Ausgleichsschicht (68) und/oder die Innenumfangsfläche (62) aufweist.
Applikationsdüsenelement (38) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschichtstruktur (64) eine Haftvermittlungsschicht (66) aufweist, die an den Düsenkörper (54) und an die Ausgleichsschicht (68) angrenzt, wobei insbesondere die Haftvermittlungsschicht (66) aus Kupfer oder aus demselben Metall wie die Ausgleichsschicht (68) gebildet ist.
Applikationsdüsenelement (38) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktschicht (70) und/oder die Ausgleichsschicht (68) und/oder die Haftvermittlungsschicht (66) aus einem ferromagnetischen Material, insbesondere ferromagnetischen Metall, gebildet sind.
Applikationsdüsenelement (38) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktschicht (70) aus Weißbronze, einer Kupfer-Zinn-Knetlegierung oder Nickel gebildet ist, wobei insbesondere Nickel mit einem Phosphorgehalt von höchstens 7 % verwendet wird und/oder dass die Kontaktschicht (70) als Dispersionsschicht ausgebildet ist, die eine PTFE-Matrix und darin dispergierte Teilchen enthält, wobei die Teilchen ausgewählt sind aus einer Gruppe, die Nickel-, Diamant-, und Bornitrid-Partikel enthalten.
Applikationsdüsenelement (38) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgleichsschicht (68) aus Kupfer, Weißbronze, einer Kupfer-Zinn-Knetlegierung oder Nickel gebildet ist, wobei insbesondere Nickel mit einem Phosphorgehalt von höchstens 7 % verwendet wird.
Applikationsvorrichtung (30) zum gleichmäßigen Applizieren einer thixotropen Füllmasse (18) an einem von mindestens zwei Bauteilen (14, 16), insbesondere Luftfahrzeugbauteilen, definierten Fugenbereich (10), wobei die Applikationsvorrichtung (30) eine Heizeinrichtung (40) zum Beheizen der Metallschichtstruktur (64) umfasst, gekennzeichnet durch ein Applikationsdüsenelement (38) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Heizeinrichtung (40) derart ausgebildet ist, die Metallschichtstruktur (64) derart zu beheizen, dass lediglich ein schmaler Randbereich (42) der in dem Applikationsdüsenelement (38) befindlichen Füllmasse (18) erwärmt wird.
Applikationsvorrichtung (30) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (40) eine Induktionsheizeinrichtung (46) umfasst, die ausgebildet ist, mittels Induktion in wenigstens einer der Schichten der Metallschichtstruktur (64) diese zu beheizen.
Applikationsvorrichtung (30) nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (40) ausgebildet ist, den schmalen Randbereich (42) auf eine Verarbeitungstemperatur zwischen 25 °C und 60 °C, insbesondere 45 °C und 55 °C, mehr insbesondere 48 °C und 52 °C, bevorzugt 50 °C zu erwärmen.
Applikationsvorrichtung (30) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, gekennzeichnet durch eine Füllmassenkartuscheneinrichtung (50), die zum Aufnehmen einer Füllmassenkartusche (52) und zum Fluidverbinden des Applikationsdüsenelements (38) mit der Füllmassenkartusche (52) ausgebildet ist.
Applikationsvorrichtung (30) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, gekennzeichnet durch eine Füllmassenkartuscheneinrichtung (50), die zum Ausdrücken der Füllmasse (18) aus einer Füllmassenkartusche (52) ausgebildet ist, um die Füllmasse (18) mittels des Applikationsdüsenelements (38) auszugeben.
Applikationsvorrichtung (30) nach einem der Ansprüche 6 bis 10, gekennzeichnet durch eine Füllmassenkartusche (52), die eine thixotrope Füllmasse (18) enthält, wobei insbesondere die Füllmasse (18) eine Zwei-Komponenten-Füllmasse ist, wobei die Füllmassenkartusche (52) ausgebildet ist, die zwei Komponenten getrennt zu lagern und beim Ausdrücken zu vermischen.
Applikationsteilesatz zum gleichmäßigen Applizieren einer thixotropen Füllmasse (18), wobei der Applikationsteilesatz eine Füllmassenkartusche (52), die eine thixotrope Zwei-Komponenten-Füllmasse enthält, wobei die Füllmassenkartusche (52) ausgebildet ist, die zwei Komponenten getrennt zu lagern und beim Ausdrücken zu vermischen, und ein Applikationsdüsenelement (38) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und/oder eine Heizeinrichtung (40) umfasst, die ausgebildet ist, lediglich einen schmalen Randbereich (42) von sich in einem Applikationsdüsenelement (38) befindlicher Füllmasse (18) zu erwärmen.
Herstellungsverfahren zum Herstellen eines Applikationsdüsenelements (38), das zum gleichmäßigen Applizieren thixotroper Füllmasse (18) ausgebildet ist, mit den Schritten: a) Bereitstellen eines Düsenkörpers (54), der einen Düsenholraum (60) in Umfangsrichtung umschließt, der eine Eintrittsöffnung (56) und eine Austrittsöffnung (58) für die Füllmasse (18) definiert und der eine den Düsenhohlraum (60) begrenzende Innenumfangsfläche (62) aufweist; b) Erzeugen einer Metallschichtstruktur (64) auf wenigstens der Innenumfangsfläche (62) durch Ausbilden einer Ausgleichsschicht (68) und Ausbilden einer an die Ausgleichsschicht (68) angrenzenden Kontaktschicht (70), die ausgebildet ist, die zu applizierende Füllmasse (18) zu kontaktieren, wobei die Kontaktschicht (70) mit einer niedrigeren Oberflächenrauheit als die Ausgleichsschicht (68) und/oder die Innenumfangsfläche erzeugt (62) wird.
Applikationsverfahren zum gleichmäßigen Applizieren einer thixotropen Füllmasse (18) an einem von mindestens zwei Bauteilen (14, 16), insbesondere Luftfahrzeugbauteilen, definierten Fugenbereich (10), indem beim Applizieren der Füllmasse (18) durch ein Applikationsdüsenelement (38) lediglich ein schmaler Randbereich (42) der Füllmasse (18) erwärmt wird, während die Füllmasse (18) mittels des Applikationsdüsenelements (38) entlang des Fugenbereichs (10) ausgegeben wird, um den Fugenbereich (10) mit Füllmasse (18) derart zu befüllen, dass die Füllmasse (18) im Wesentlichen bündig mit den Bauteilen (14, 16) ist.
Applikationsverfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllmasse (18) eine Zwei-Komponenten-Füllmasse ist, die vor dem Applizieren durch das Applikationsdüsenelement (38) vermischt wird, um den Aushärteprozess zu starten, sodass lediglich der schmale Randbereich (42) der bereits aushärtenden Füllmasse (18) erwärmt wird.