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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Luftrohrs.
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In Flugzeugen, insbesondere in Passagierflugzeugen, muss eine Flugzeugkabine mit Kabinenluft zur Belüftung und Klimatisierung versorgt werden. Dazu sind Luftverteilungs- und Klimatisierungssysteme bekannt, welche die Kabinenluft auf die richtige Temperatur und Feuchtigkeit einstellen und in die Flugzeugkabine leiten. Die aufbereitete Kabinenluft wird zur Verteilung in der Flugzeugkabine durch Rohrleitungen geleitet und verteilt.
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Eine derartige Rohrleitung zur Durchleitung von Luft ist in der
DE 10 2005 023 148 A1 offenbart. Die Rohrleitung ist aus einem Schaumkunststoffmaterial und/oder mit einem dichten Kunststoffmaterial gebildet, wobei eine Rohrleitungsaußenfläche und/oder eine Rohrleitungsinnenfläche zur Verstärkung zumindest abschnittsweise eine Umwicklung mit mindestens einem linienhaften Verstärkungselement aufweist. Zwei aneinanderstoßende Längsseiten eines aufgerollten Materialabschnitts oder aufgerollter Materialabschnitte sind mittels eines Verbindungselements miteinander verbindbar ausgebildet, um die Rohrleitung zu bilden.
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Aus der
US 2005/0284562 A1 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Formen von thermoplastischen Schalenkomponenten bekannt. Das Verbinden zweier Halbkörperteile umfasst das Formen eines Flanschabschnittes zwischen einem Paar von beheizten Elementen oder das Crimpen oder Schweißen der Flanschabschnitte.
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Aus der
US 2019/0136833 A1 ist ein segmentiertes Rotorblatt für eine Windturbine mit zwei Rotoblattsegmenten und einer internen Druckquelle bekannt. Zwei Verbindungsenden der beiden Rotorblattsegmente werden durch thermoplastisches Schweißen verbunden. Die interne Druckquelle stellt Druck für eine Verbindung während des thermoplastischen Schweißens zur Verfügung. Die interne Druckquelle verbleibt im Rotorblatt nachdem das thermoplastische Schweißen abgeschlossen ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Luftrohrs zu schaffen, welches einen stabilen Prozess zur Herstellung des Luftrohrs darstellt und sich durch ein verbessertes Fügen von Komponenten zur Bildung des Luftrohrs auszeichnet. Ferner liegt die Aufgabe zugrunde, ein Luftrohr für ein Flugzeug zu schaffen, welches sich durch eine hohe Stabilität und genauen Maßtoleranzen auszeichnet. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung eines Luftrohres für ein Flugzeug mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Luftrohrs für ein Flugzeug, insbesondere zur Durchleitung von Kabinenluft. Bei dem Verfahren und/oder in einem ersten Schritt werden mindestens zwei Rohrteilschalen, insbesondere längsförmig ausgebildete Rohrteilschalen, zur Bildung des Luftrohrs angeordnet. Die Rohrteilschalen sind vorzugsweise als bogenförmige Schalen und/oder Dauben ausgebildet, welche zusammengesetzt das Luftrohr bilden. Beispielsweise weist das Luftrohr eine kreisrunde oder elliptische Querschnittsfläche auf. Alternativ oder optional ergänzend sind die Rohrteilschalen als abgewinkelte Profile ausgebildet, wobei diese zusammengesetzt beispielsweise ein Luftrohr mit einer quadratischen oder einer rechteckigen Querschnittsfläche bilden.
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Die mindestens zwei Rohrteilschalen sind derart angeordnet, dass die Rohrteilschalen sich zumindest in einem Fügestellenabschnitt überlappen. Der Fügestellenabschnitt ist insbesondere durch zwei übereinanderliegenden Längskanten der Rohrteilschalen gebildet.
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Die mindestens zwei Rohrteilschalen sind aus einem Faserverbundwerkstoff gefertigt, wobei der Faserverbundwerkstoff vorzugsweise Glas-, Aramid- oder Kohlenstofffasern zur Verstärkung aufweist, welche beispielsweise zu einer Fasermatte verbunden sind. Der Faserverbundwerkstoff ist vorzugsweise als ein sogenannten Organosheet und/oder ein Organoblech ausgebildet. Organosheets sind Faser-Matrix-Halbzeuge. Der Faserverbundwerkstoff weist eine Matrix auf, welche beispielsweise als ein Gewebe und/oder Gelege ausgebildet ist. Die Matrix ist aus einem thermoplastischen Kunststoff gefertigt, welcher insbesondere durch Wärme umgeformt werden kann und durch Abkühlung wieder ausgehärtet werden kann. Folglich können die Rohrteilschalen aus dem Faserverbundwerkstoff thermisch umgeformt werden, wobei die thermoplastische Matrix sich vorzugsweise mit der Fasermatte verbindet und/oder verschmelzt, sodass die Rohrteilschalen anschließend ihre Endfestigkeit und Endlage erreichen. Die thermoplastische Matrix ist aus Polyetherimid (PEI) gefertigt.
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Ferner sieht das Verfahren und/oder ein weiterer Schritt vor, dass eine Heizelementeinrichtung den Fügestellenabschnitt kontaktiert und eine Fügekraft sowie Wärme auf den Fügestellenabschnitt überträgt. Die Heizelementeinrichtung ist vorzugsweise zur Erzeugung von Wärme, insbesondere zum Heizelementschweißen von Thermoplasten, ausgebildet. Sind die Rohrteilschalen in einer Montageposition überlappend angeordnet, wird die Heizelementeinrichtung gegen den Fügestellenabschnitt gefahren, sodass dieses die Wärme und die Fügekraft auf den Fügestellenabschnitt kontaktierend überträgt wird. Die Heizelementeinrichtung und/oder die Fügekraft üben einen Druck auf den Fügestellenschnitt aus.
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Durch die übertragende Wärme und übertragene Fügekraft werden die Rohrteilschalen innerhalb des Fügestellenabschnitts miteinander stoffschlüssig verbunden. Insbesondere wird durch die übertragende Wärme und übertragene Fügekraft die thermoplastische Matrix aus PEI erweicht, wobei die Rohrteilschalen stoffschlüssig miteinander verbunden werden. Insbesondere werden die Rohrteilschalen durch die übertragende Wärme und übertragene Fügekraft miteinander verschweißt.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Heizelementeinrichtung nach dem Übertragen der Wärme und der Fügekraft von dem mindestens einem Fügestellenabschnitt zur Aushärtung abgezogen wird.
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Vorteilhaft ist, dass ein Verfahren zur Herstellung des Luftrohrs geschaffen ist, welches sich durch ein vorteilhaftes Fügen der Rohrteilschalen aus einem Faserverbundwerkstoff durch Kontaktschweißen mittels der Heizelementeinrichtung auszeichnet. Vorteilhaft ist, dass der Faserverbundwerkstoff eine thermoplastische Matrix aufweist, welche beim Fügen mittels übertragener Wärme und übertragener Fügekraft sich mit den Fasern der beiden Rohrteilschalen verbindet. Dadurch bildet der mindestens eine Fügestellenabschnitt eine besonders stabile und leckagesicheres und/oder luftdichte Fügenaht, wobei die Fügenaht beispielsweise trotz einer komplexen dreidimensionalen Geometrie des Luftrohrs, z.B. durch einen Anschluss oder einer Abzweigung, durchgängig luftdicht ausgebildet wird. Ferner ist vorteilhaft, dass durch das Kontaktschweißen kein zusätzliches Schweißmaterial, z.B. Kunststoffschweißdraht, oder eine Klebstoffverbindung benötigt wird, sodass auf eine zusätzliche Fügegeometrie, z.B. durch ein Klebeflansch, an den Rohrteilschalen und das Einbringen von Fremdmaterial verzichtet werden kann.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Heizelementeinrichtung die Rohrteilschalen mit einer Schweißtemperatur von mindestens 300 °C innerhalb des Fügestellenabschnitts miteinander stoffschlüssig verbindet, insbesondere verschweißt werden. Insbesondere werden die Rohrteilschalen mit einer Schweißtemperatur von mindestens 300°C bis 380°C, bevorzugt zwischen 320°C bis 360°C, stoffschlüssig verbunden. Die Rohrteilschalen werden durch Hochtemperatur-Schweißen (>300°C) miteinander verschweißt, wobei die Schweißtemperatur der Heizelementeinrichtung durch Kontakterwärmung übertragen wird. Anders als bei der Strahlungserwärmung, welche die Wärme kontaktlos in einem Nahbereich überträgt, wird die Wärme durch Kontakt der Heizelementeinrichtung mit dem Fügestellenabschnitt übertragen. Vorteilhaft ist, dass durch die Kontakterwärmung im Hochtemperaturbereich (>300°C) eine präzise Erwärmung der zu verbindenden Abschnitte bzw. des Fügestellenabschnitts gewährleistet wird, sodass beispielsweise angrenzende Abschnitte nicht oder lediglich geringfügig thermisch belastet werden. Zudem ist eine schnelle Erwärmung mit sehr kurzen oder keinen Anwärmzeiten möglich, sodass ein schnelles und kostengünstiges Verfahren zur Herstellung des Luftrohrs geschaffen ist.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, die mehreren Rohrteilschalen zur Bildung des Luftrohrs in einem Werkzeug angeordnet werden. Vorzugsweise weist das Werkzeug mehrere Werkzeugschalen zur Aufnahme der Rohrteilschalen und/oder zur Formgebung des Luftrohrs auf. Das Werkzeug ist vorzugsweise als eine mehrteilige Form aus Metall, z.B. aus Stahl, ausgebildet, wobei das Werkzeug zur Formgebung, insbesondere zur Formgebung einer Außenfläche, des Luftrohrs ausgebildet ist. Beispielsweise werden in dem Herstellungsverfahren genau zwei Rohrteilschalen in jeweils einer Werkzeugschale des geöffneten Werkzeugs eingelegt, wobei das Werkzeug anschließend geschlossen wird, sodass die beiden Rohrteilschalen sich in zwei Abschnitten überlappen und zwei Fügestellenabschnitte bilden. Das Werkzeug ist vorzugsweise in einer Fertigungsanlage oder Fertigungsstraße integriert, wobei beispielsweise ein Einlegen der mehreren Rohrteilschalen oder die Entnahme des fertig verbundenen Luftrohrs durch einen Roboter und/oder Roboterarm vorgenommen werden kann. Vorzugsweise kann das Werkzeug gewechselt werden, um eine anders geformtes Luftrohr herzustellen. Optional beheizt eine Heizeinrichtung und/oder die Heizelementeinrichtung das Werkzeug, sodass beim stoffschlüssigen Verbinden der Rohrteilschalen, diese zusätzlich durch das beheizte Werkzeug thermisch umgeformt werden. Alternativ oder optional ergänzend ist eine Kühleinrichtung, z.B. eine Wasserkühlung, mit dem Werkzeug zur Kühlung verbunden.
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Das Werkzeug weist eine Spannvorrichtung zur Fixierung der mindestens zwei Rohrteilschalen auf. Das Werkzeug mit der Spanneinrichtung sorgt für eine exakte Positionierung und Fixierung der Rohrteilschalen während des gesamten Herstellungsverfahrens. Vorteilhaft ist, dass durch das Werkzeug mit der Spanneinrichtung ein Luftrohr in dem Verfahren hergestellt werden kann, welches sich durch seine besonders genaue Maßtoleranzen auszeichnet. Weiterhin ist vorteilhaft, dass dadurch ein stabiler und wiederholbarer Herstellungsprozess geschaffen ist, welcher sich besonders durch eine gleichbleibende Qualität des Luftrohrs auszeichnet.
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In einer besonders bevorzugten konstruktiven Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Verfahren das Werkzeug mit der Spannvorrichtung ausweist, wobei die Spanneinrichtung ein Vakuum zur Fixierung der Rohrteilschalen erzeugt, sodass die Rohrteilschalen durch das Vakuum an dem Werkzeug gehalten werden. Insbesondere wird das Vakuum zwischen der jeweiligen Rohrteilschale und dem Werkzeug erzeugt, wobei mittels des Druckunterschiedes die Rohrteilschale an dem Werkzeug positionsfest gehalten wird. Vorzugsweise weist das Werkzeug die mehreren Werkzeugschalen auf, wobei die Spanneinrichtung jeweils ein Vakuum zwischen den einzelnen Rohrteilschalen und den Werkzeugschalen erzeugt. Bevorzugt sind im dem Werkzeug Bohrungen und/oder Fräsungen zur gleichmäßigen Evakuierung durch die Spanneinrichtung ausgebildet. Bevorzugt wird während des gesamten Verfahrens das Vakuum durch die Spanneinrichtung erzeugt. Insbesondere kann die Spanneinrichtung, z.B. nach dem Fügen der Rohrteilschalen, das Vakuum aufheben, sodass das Luftrohr zur Entnahme aus dem Werkzeug freigegeben wird. Vorteilhaft ist, dass durch die Spanneinrichtung mit Vakuum zur Fixierung die Geometrie der Rohrteilschalen und/oder des Luftrohrs nicht beeinträchtig wird, z.B. durch Klemmen oder Schraubverbindungen, sodass in dem Verfahren ein Luftrohr mit komplexer Geometrie herstellbar ist und/oder hergestellt wird. Weiterhin ist vorteilhaft, dass das Spanneirichtung die Rohrteilschalen schnell fixieren und wieder freigeben kann, sodass das Verfahren zur Herstellung des Luftrohrs schnell und kostengünstig gestaltet ist.
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Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Druckschlauch, z.B. ein Silikonschlauch, innerhalb der angeordneten Rohrteilschalen aufgeblasen wird. Vorzugsweise sind die Rohrteilschalen in dem Werkzeug angeordnet und bilden das unverbundene Luftrohr, wobei innerhalb des Luftrohrs der Druckschlauch aufgeblasen wird. Vorzugsweise wird der Druckschlauch in einem unaufgeblasenen Zustand in das Luftrohr eingeführt. Bevorzugt spannt der aufgeblasene Druckschlauch die Rohrteilschalen zusätzlich zur Spanneinrichtung gegen das Werkzeug. Der Druckschlauch bildet vorzugsweise eine Form und/oder ist formgebend für eine Innenfläche des Luftrohrs. Ferner überträgt der Druckschlauch eine Haltekraft auf den mindestens einen Fügestellenabschnitt. Die Haltekraft ist zum Stützen des mindestens einen Fügestellenabschnitts ausgebildet.
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Bevorzugt ist die Haltekraft gegengerichtet zur Fügekraft ausgebildet und/oder wird durch den Druckschlauch gegengerichtet zur übertragenden Fügekraft übertragen. Die Haltekraft wirkt innenhalb des Luftrohrs der außerhalb des Luftrohrs übertragene Fügekraft entgegen. Der Druck, z.B. durch Pressluft, im Druckschlauch wird nach dem Fügen der Rohrteilschalen abgelassen, und der Druckschlauch wird aus dem Luftrohr entnommen. Vorteilhaft ist, dass durch den aufgeblasenen Druckschlauch während des Fügens der Rohrteilschalen der Fügestellenabschnitt stabilisiert und/oder abgestützt wird, sodass z.B. ein Bruch des Fügestellenabschnitts und/oder ein Einknicken des Luftrohrs vermieden wird. Zudem ist ein höherer Druck auf den Fügestellenabschnitt durch die beiden Kräfte ausübbar und/oder übertragbar, wodurch der Stoffschluss der Rohrteilschalen verbessert wird. Dadurch ist ein Verfahren zur Herstellung des Luftrohrs geschaffen, welches sich durch die Herstellung von Luftrohren mit einer besonders dichten, insbesondere luftdichten, Fügenaht auszeichnet.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Heizelementeinrichtung mindestens einen beheizbaren Schweißbalken zur Kontakterwärmung aufweist. Die Heizelementeinrichtung wird mit dem mindestens einen Schweißbalken gegen den Fügestellenabschnitt zur Kontaktierung gefahren. Der Schweißbalken weist vorzugsweise eine Fügegeometrie auf, wobei die Fügegeometrie mit einer Geometrie des Fügestellenabschnitts und/oder mit einer Geometrie des Luftrohrs als Endprodukt übereinstimmt. Mit anderen Worten formt der Schweißbalken den Fügestellenabschnitt, sodass beispielsweise eine Fügenaht mit einer komplexen Geometrie durch das Verfahren hergestellt werden kann. Die Heizelementeinrichtung beheizt den Schweißbalken vorzugsweise mit der Schweißtemperatur von mindestens 300°C, wobei der Schweißbalken die Wärme durch Kontakterwärmung auf den Fügestellenabschnitt überträgt. Bevorzugt weist die Heizelementeinrichtung mehrere unterschiedlich geformte Schweißbalken auf, wobei diese unabhängig voneinander gegen den Fügestellenschnitt gefahren werden. Dadurch ist beispielsweise ein zeitlich versetztes Fügen innerhalb einer oder mehreren Fügestellenabschnitte möglich. Insbesondere kann der mindestens ein Schweißbalken gegen einen Schweißbalken mit einer anderen Geometrie und/oder Oberflächeneigenschaften, z.B. einer Antihaftbeschichtung, ausgetauscht und/oder gewechselt werden.
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Optional ist vorgesehen, dass der mindestens eine Schweißbalken entlang des mindestens einen Fügestellenabschnitts gefahren wird, wobei der Schweißbalken beim Abfahren des Fügestellabschnitts die Wärme nacheinander überträgt. Beispielsweise ist der Schweißbalken mit einem Roboterarm verbunden und wird von diesem entlang des Fügestellenabschnitts beziehungsweise der Fügenaht geführt. Vorteilhaft ist, dass durch den beweglich ausgebildeten Schweißbalken eine komplexe Geometrie verschweißt werden kann, wobei der Schweißbalken bei wechselnder Geometrie des Luftrohrs nicht ausgetauscht werden muss. Dadurch ist ein Verfahren zur Herstellung des Luftrohrs geschaffen, welches sich durch das Verschweißen von komplexen Geometrien und geringen oder nahezu keinen Rüstzeiten auszeichnet.
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In einer bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Verfahren die Heizelementeinrichtung mit den mindestens einem Schweißbalken aufweist, wobei der Schweißbalken mehrere Heizabschnitte aufweist, wobei die Heizabschnitte durch die Heizelementeinrichtung unterschiedliche beheizbar sind und/oder beheizt werden. Insbesondere werden die Heizabschnitte mit der Schweißtemperatur von mindestens 300°C, bevorzugt mit einer Schweißtemperatur zwischen 300°C bis 380°C, im Speziellen zwischen 320°C bis 360°C, unterschiedlich beheizt. Die Heizabschnitte kontaktieren den Fügestellenabschnitt, wobei dieser partiell thermisch unterschiedlich erwärmt werden kann. Beispielsweise weist der Fügestellenabschnitt eine dreidimensionale Geometrie, z.B. eine Ecke, auf, wobei durch den Heizabschnitt eine andere Schweißtemperatur auf die Geometrie übertragen wird. Vorteilhaft ist, das durch die unterschiedlich beheizten Heizabschnitte lokale Temperaturspitzen vermieden werden und/oder auf Abschnitte, welche eine höhere Schweißtemperatur zur Erweichung des Faserverbundmaterial beziehungsweise der thermoplastischen Matrix aus PEI benötigen, eine höhere Schweißtemperatur betragen wird.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass bei dem Verfahren zur Herstellung des Luftrohrs die Heizelementeinrichtung gegen den Fügestellenabschnitt gefahren wird und eine Haltedauer an dem Fügestellenabschnitt zur Kontakterwärmung gehalten wird. Die Haltedauer lang wird vorzugsweise die Schweißtemperatur von mindestens 300°C auf den Fügestellenabschnitt übertragen. Die Haltedauer ist beispielsweis abhängig von einer Materialstärke der Rohrteilschalen. Beispielsweise weisen die Rohrteilschalen eine Materialstärke von mindestens 1 mm, bevorzugt von mindestens 1,5 mm, auf. Die Haltedauer ist vorzugsweise derart eingestellt, dass der Fügestellenabschnitt durch die übertragene Wärme ausreichend erweicht wird, sodass dieser in die stoffschlüssige Verbindung übergeht und/oder die stoffschlüssige Verbindung bildet. Beispielsweise weist die Heizelementeinrichtung die mehreren Schweißbalken auf, wobei die Schweißbalken eine unterschiedliche Haltedauer an dem mindestens einem Fügestellenabschnitt gehalten werden.
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In einer bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Heizelementeinrichtung, insbesondere der Schweißbalken, über die Haltedauer lang an dem Fügestellenabschnitt gehalten wird, wobei die Fügekraft der Heizelementeinrichtung die Haltedauer lang und/oder nach der Haltedauer auf den Fügestellenabschnitt übertragen wird. Vorzugsweise wird die Fügekraft über die Haltedauer lang dynamisch verändert. Beispielsweise wird eine geringere Fügekraft zu Beginn der Haltedauer, z.B. in einer Erwärmungsphase, übertragen, wobei zum Ende der Haltedauer, z.B. in einer Fügephase, die Fügekraft erhöht wird. Dabei ist denkbar, dass nach dem Erweichen der thermoplastischen Matrix aus PEI die Heizelementeinrichtung um einen Fügeweg weiter gegen den Fügestellenabschnitt gefahren wird. Vorteilhaft ist, dass durch das Halten und dem Druck der Heizelementeinrichtung der Fügestellenabschnitt ausreichend umgeformt wird, sodass dieser sich stoffschlüssig verbindet, jedoch keine Schweißwulst entsteht, welche entfernt werden muss. Dadurch ist ein Verfahren, welches sich durch die Herstellung von Luftrohren mit einer gleichbleibend dicken Fügenaht und ohne eine Nachbehandlung des Luftrohrs nach dem Fügen, z.B. dem Abstoßen von überschüssigem Material, auszeichnet.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der mindestens eine Fügestellenabschnitt als ein Falz aus mindestens zwei übereinanderliegenden Rohrteilschalen ausgebildet ist. Der Falz ist vorzugsweise durch das Überlagern einer Kante oder einer Lasche der Rohrteilschale über mindestens der anderen Rohrteilschale gebildet. Alternativ oder optional ist der Falz eine Faltung der Rohrteilschalen, wobei die Rohrteilschalen mehrlagig übereinander gefaltet sind. Die Heizelementeinrichtung überträgt die Wärme und die Fügekraft auf den Falz, sodass der Falz beziehungsweise die Rohrteilschalen sich stoffschlüssig verbinden.
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Ein Luftrohr für ein Flugzeug dient insbesondere zur Durchleitung von Kabinenluft in dem Flugzeug. Das Luftrohr weist mindesten zwei, vorzugsweise genau zwei oder mehr, Rohrteilschalen auf, wobei die Rohrteilschalen aus einem Faserverbundmaterial mit einer thermoplastischen Matrix aus Polyetherimid (PEI) gefertigt sind. Der Faserverbundwerkstoff weist Faser auf und/oder ist einer Matte oder Gewebe aus Fasern gebildet, wobei die Fasern vorzugsweise als Glas-, Aramid- oder Kohlenstofffasern ausgebildet sind. Die Fasern sind mit der thermoplastischen Matrix verbunden. Beispielsweise ist die Matrix als Gitter oder Gelege aus PEI ausgebildet, wobei die Matrix mit den Fasern verwoben und/oder in diesen integriert oder alternativ als zwei Sichten des Faserverbundwerkstoffs flächig verbunden sind.
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Das Luftrohr weist mindestens einen Fügestellenabschnitt zur stoffschlüssigen Verbindung der mindestens zwei Rohrteilschalen auf, wobei die beiden Rohrteilschalen in dem Fügestellenabschnitt überlappend angeordnet und miteinander stoffschlüssig verbunden sind. Der Fügestellenabschnitt ist insbesondere durch mindestens zwei übereinander angeordneten Kanten, jeweils von einer Rohrteilschale, gebildet. Der Fügestellenabschnitt ist insbesondere als eine Fügenaht des Luftrohrs ausgebildet.
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Ferner ist das Luftrohr für ein Flugzeug mit den mindestens zwei Rohrteilschalen aus dem Faserverbundwerkstoff und thermoplastischer Matrix aus PEI und mit dem mindestens einen Fügestelleabschnitt gemäß dem zuvor beschriebenen Verfahren zur Herstellung des Luftrohrs für ein Flugzeug hergestellt.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Luftrohr genau zwei Rohrteilschalen und zwei Fügestellenabschnitte aufweist. Die beiden Rohrteilschalen sind als zwei Halbschalen ausgebildet. Die Halbschalen bilden vorzugsweise eine kreisrunde oder eine elliptische Querschnittsfläche des Luftrohrs. Alternativ ist das Luftrohr eckig ausgebildet, wobei die Querschnittsfläche z. B. viereckig quadratisch oder rechteckig oder alternativ drei- oder mehreckig ausgebildet ist. Beispielsweise sind die Halbschalen als u-förmige Profile ausgebildet, wobei diese zusammengesetzt das eckige Luftrohr bilden. Die beiden Halbschalen sind vorzugsweise symmetrisch ausgebildet. Alternativ weisen die beiden Halbschalen unterschiedliche Abmessungen auf.
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Die beiden Halbschalen sind über die beiden Fügestellenabschnitte stoffschlüssig verbunden sind. Die beiden Fügestellenabschnitte sind vorzugsweise an zwei gegenüberliegenden Seiten des Luftrohrs ausgebildet und/oder angeordnet. Beispielsweise sind die beiden Fügestellenabschnitte diametral zu einer Längsachse des Luftrohrs ausgebildet. Alternativ sind die beiden Fügestellenabschnitte umlaufend ungleich beanstandet ausgebildet.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der mindestens eine Fügestellenabschnitt als eine Rohrlängsnaht zur stoffschlüssigen Verbindung der Rohrteilschalen ausgebildet ist. Der Fügestellenabschnitt ist in einer Längsrichtung ausgebildet, wobei der Fügestellenabschnitt vorzugsweise sich über die gesamte länge des Luftrohrs erstreckt. Der Fügestellenabschnitt ist als eine überlappende Rohrlängsnaht ausgebildet, wobei eine Rohrteilschale die andere überdeckt. Folglich ist eine Rohrteilschale, zumindest im Fügestellenabschnitt, zur Außenseite und die andere zur Innenseite des Luftrohrs orientiert und/oder ausgebildet. Die Rohrlängsnaht ist vorzugsweise durch das zuvor beschreibende Verfahren durch die Heizelementeinrichtung mittels Kontakterwärmung verschweißt.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Luftrohr einen Umformbereich zur Umlenkung, insbesondere von Kabinenluft, aufweist. Der Umformbereich ist vorzugsweise als eine Rohrbiegung und/oder ein Rohrabzweigung ausgebildet. Alternativ oder optional ergänzend ist der Umformbereich zum Verbinden von mehreren Luftrohren ausgebildet, wobei der Umformbereich beispielsweise als ein Flansch zum kraft- und formschlüssigen Verbinden von mehreren Luftrohren ausgebildet ist.
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Der mindestens eine Fügestellenabschnitt ist zumindest teilweise im Umformbereich ausgebildet, wobei der Fügestellenabschnitt im Umformbereich als eine dreidimensionale Verbindungsnaht zur stoffschlüssigen Verbindung der Rohrteilschalen ausgebildet ist. Ist der Umformbereich beispielsweise als das Flansch ausgebildet, folgt die Verbindungsnaht den Konturen des Umformbereichs, wobei die Verbindungsnaht beziehungsweise die Rohrteilschalen im Umformbereich vorzugsweise mit dem zuvor beschriebenen Verfahren stoffschlüssig verbunden wurde. Grundsätzlich kann die Verbindungsnaht eine beliebige dreidimensionale Geometrie und/oder Verlauf aufweisen, wobei die Verbindungsnaht vorzugsweise in Längsrichtung ausgebildet ist.
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Ein Flugzeug enthält ein Luftrohr wie zuvor beschreiben. Das Luftrohr ist vorzugsweise mit dem obigen Verfahren zur Herstellung eines Luftrohrs hergestellt. Das Flugzeug weist vorzugsweise mehrere Luftrohre auf, wobei das Flugzeug die Luftrohre zur Durchleitung von Kabinenluft aufweist. Das Flugzeug ist vorzugsweise als ein Passagierflugzeug mit einer Flugzeugkabine ausgebildet. Alternativ ist das Flugzeug als ein autonom fliegendes Flugzeug, z.B. als ein autonomes Flugtaxi, ausgebildet, wobei das autonom fliegende Flugzeug eine Passagierzelle zur Passagierbeförderung aufweist. Die Flugzeugkabine beziehungsweise die Passagierzelle ist vorzugsweise mit einem Belüftungssystem des Flugzeugs zur Luftverteilung und Kabinenklimatisierung verbunden. Beispielsweise sind die Luftrohre mit dem Belüftungssystem verbunden und/oder in diesem integriert, sodass die Luftrohre zur Durchleitung von Kabinenluft des Belüftungssystems geeignet sind.
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Weitere Merkmale, Wirkungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung sowie der beigefügten Figuren. Dabei zeigen:
- 1 einen schematischen Aufbau eines Verfahrens zur Herstellung eines Luftrohrs für ein Flugzeug;
- 2 einen Ausschnitt des Aufbaus des Verfahrens aus 1 mit einer Heizelementeinrichtung als ein bevorzugtes Ausführungsbeispiels;
- 3 eine perspektivische Ansicht eines Luftrohrs für ein Flugzeug hergestellt nach dem Verfahren aus 1 oder 2.
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In der 1 ist in einem schematischen Aufbau ein Verfahren zur Herstellung eines Luftrohrs 1 für ein Flugzeug gezeigt. Das Luftrohr 1 ist hierbei in einem ummontierten Zustand gezeigt. Dabei zeigt das Verfahren eine Werkzeugmaschine, welche lediglich angedeutet ist. Die Werkzeugmaschine ist beispielsweise ein Modul oder ein Abschnitt einer Fertigungsstraße, wobei weitere Module, wie z.B. ein Roboter und/oder Manipulator, mit der Werkzeugmaschine verbunden sind oder als ein weiterer Abschnitt der Fertigungsstraße ausgebildet sind. Die Werkzeugmaschine wird in der 1 durch ein Werkzeug 6 mit zwei Werkzeugschalen 7a,b dargestellt und/oder verkörpert. Die beiden Werkzeugschalen 7a,b sind als abgerundete und/oder bogenförmige Werkzeugformen ausgebildet, wobei die Werkzeugschalen 7a,b gegenüberliegend angeordnet sind. Die eine Werkzeugschale 7a ist oberhalb der anderen Werkzeugschale 7b angeordnet. Alternativ ist sind die beiden Werkzeugschalen 7a,b nebeneinander ausgebildet. Die beiden Werkzeugschalen 7a,b sind derart angeordnet, das diese eine ovale oder elastische Werkzeugform für die Herstellung des Luftrohrs 1 bilden. Das Werkzeug 6 weist die Außenform des fertig hergestellten Luftrohrs 1 auf. Beispielsweise ist das Werkzeug 6 derart ausgebildet, dass das Luftrohr 1 ein im Wesentlichen längliches Rohr zur Durchleitung von Kabinenluft bildet oder dafür geeignet ist. Alternativ ist was Werkzeug 6 derart geformt, dass ein gebogenes Rohr oder ein Rohr mit mehreren Leitungen damit hergestellt werden kann. Das Werkzeug 6 ist beweglich ausgebildet. Beispielsweise ist die eine Werkzeugschale 7a beweglich und/oder derart ausgebildet, dass diese sich öffnen lässt. Gemäß dem Ausführungsbeispiel nach 1 kann die eine Werkzeugschale 7a senkrecht bewegt und/oder von der anderen Werkzeugschale 7b wegbewegt werden.
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In dem Werkzeug 6 sind zwei Rohrteilschalen 2a,b angeordnet. Dadurch ist das Luftrohr 1 zweiteilig ausgebildet. Alternativ oder optional ergänzend sind weitere Rohrteilschalen in dem Werkzeug 6 angeordnet. Die Rohrteilschalen 2a,b sind jeweils in einer Werkzeugschale 7a,b angeordnet. Die eine Rohrteilschale 2a ist an der einen Werkzeugschale 7a und die andere Rohrteilschale 2b ist an der anderen Werkzeugschale 7b angeordnet. Beispielsweise schmiegen sich die Rohrteilschalen 2a,b an die Form der Werkzeugschalen 7a,b an. Optional weist das Werkzeug 6 eine Spanneinrichtung (nicht gezeigt) auf, wobei die Spanneinrichtung die beiden Rohrteilschalen 2a,b, an jeweils einer Werkzeugschale 7a,b fixiert. Beispielsweise erzeugt die Spanneinrichtung ein Vakuum, welches durch einen resultierenden Druckunterschied zwischen den Rohrteilschalen 2a,b und dem Werkzeug 6 diese positionsfest an die beiden Werkzeugschalen 7a,b hält und/oder spannt.
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Die Rohrteilschalen 2a,b sind aus einem Faserverbundwerkstoff mit einer thermoplastischen Matrix aus Polyetherimid (PEI) gefertigt, sogenannte Organosheets. Dieses Faser-Matrix-Halbzeug kann thermisch umgeformt werden, wobei dabei die thermoplastische Matrix aus PEI erweicht wird und mit den Fasern, z.B. einer Fasermatte, des Faserverbundwerkstoffs verschmelzt. Dadurch können die Rohrteilschalen 2a,b zunächst elastisch verformt werden, z.B. zum Anpassen an das Werkzeug 6, wobei nach dem thermischen Behandeln die Rohrteilschalen 2a,b formstabil aushärten.
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Die beiden Rohrteilschalen 2a,b sind derart angeordnet, dass diese zwei Fügestellenabschnitte 3a,b bilden. Die Fügestellenabschnitte 3a,b werden durch das Überlappen der beiden Rohrteilschalen 2a,b an zwei gegenüberliegenden Stellen gebildet. Beispielsweise überlappt und/oder überdeckt die eine Rohrteilschale 2a die andere Rohrteilschale 2b mit zwei Randbereichen und/oder mit zwei Längskanten, sodass die überlappende Rohrteilschale 2a nach außen zum Werkzeug 6 und die andere Rohrteilschale 2b zum Luftrohrinneren orientiert sind.
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Beispielsweise können in einem ersten Schritt die Rohrteilschalen 2a,b in dem geöffneten Werkzeug 6 angeordnet werden, sodass beide Rohrteilschalen 2a,b jeweils an einer Werkzeugschale 7a,b angeordnet sind, wobei die beiden Rohrteilschalen 2a,b durch die Spannvorrichtung fixiert werden, sodass diese positionsfest an den Werkzeugschalen 7a,b durch das Vakuum gehalten sind, wobei das Werkzeug 6 geschlossen wird, sodass die beiden Rohrteilschalen 2a,b sich in den beiden Fügestellenabschnitten 3a,b überlappen.
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Das Verfahren zeigt einen Druckschlauch 8 welcher im Luftrohr Inneren angeordnet ist. Beispielsweise wird der Druckschlauch 8 in einem weiteren Schritt nach dem Schließen des Werkzeuges 6 in dem Luftrohr 1 angeordnet. Der Druckschlauch 8 wird beispielsweise durch eine Öffnung des Luftrohrs 1 eingeführt, sodass dieser sich über die gesamte Länge des Luftrohrs 1 erstreckt, wobei der Druckschlauch 8 aufgeblasen wird, sodass dieser sich im inneren des Luftrohrs 1 entfaltet. Durch das Aufblasen des Druckschlauchs 8, z.B. mit Pressluft in einem niedrigen Druckbereich, schmiegt sich dieser an die beiden Rohrteilschalen 2a,b von innen an. Der Druckschlauch 8 stützt die beiden Fügestellenabschnitte 3a,b ab, wobei der Druckschlauch 8 eine Haltekraft HK1,HK2 auf die beiden Fügestellenabschnitte 3a,b überträgt. Grundsätzlich überträgt der aufgeblasene Druckschlauch 8 in alle Richtungen nach Außen gerichtet Druck auf die beiden Rohrteilschalen 2a,b aus. Die beiden Haltekräfte HK1 und HK2 sind entgegengerichtet ausgebildet, sodass diese auf die beiden gegenüberliegenden Fügestellenabschnitte 3a,b übertragen werden. Der Druckschlauch 8 ist beispielsweise als ein Silikonschlauch ausgebildet, wobei dieser z.B. mit einem Druckluftkompressor durch Erzeugung eines Luftdrucks im Druckschlauch 8 verbunden ist.
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In einem weiteren Schritt des Verfahrens ist eine Heizelementeinrichtung 4 zum Verschweißen der Fügestellenabschnitte 3a,b ausgebildet. Die Heizelementeinrichtung 4 ist zum Erzeugen von Wärme und einer Fügekraft FK1, FK2 ausgebildet. Die Heizelementeinrichtung 4 weist zwei Heizelemente 5a,b auf, wobei die Heizelemente 5a,b gegenüberliegend angeordnet sind. Die Heizelementeinrichtung 4 beziehungsweise die Heizelemente 5a,b werden beispielsweise nach dem Aufblasen des Druckschlauchs 8 gegen die beiden Fügestellenabschnitte 3a,b zur Kontakterwärmung gefahren. Beispielsweise wird das Heizelement 5a von einer ersten Position P1 in eine zweite Position P2 zum Kontaktieren und zur Wärmeübertragung gefahren und/oder bewegt. Die Heizelementeinrichtung 4 erwärmt die Fügestellenabschnitte 3a,b mit einer Schweißtemperatur, beispielsweise über 300°C, bevorzugt zwischen 320°C bis 360°C, wobei die thermoplastische Matrix erweicht wird, sodass die beiden Rohrteilschalen 2a,b sich stoffschlüssig verbindet und die Fügestellenabschnitte 3a,b verschweißt werden. Die Heizelementeinrichtung 4 wird beispielsweise über eine Haltedauer lang an den Fügestellenabschnitte 3a,b gehalten, sodass die thermoplastische Matrix im den Fügestellenabschnitten 3a,b vollständig erweicht. Die Haltedauer ist beispielsweise je Fügestellenabschnitt 3a oder 3b unterschiedlich lange ausgebildet. Grund dafür kann eine besondere Geometrie des Fügestellenabschnitts 3a,b oder eine Materialstärke des Faserverbundwerkstoffes sein. Die Fügekraft FK1, FK2 wird beispielsweise die gesamte Haltedauer lang auf die Fügestellenabschnitten 3a,b übertragen. Alternativ wird die Fügekraft FK1, FK2 während der Kontakterwärmung beziehungsweise während der Haltedauer erhöht, sodass die Heizelementeinrichtung 4 die Fügestellenabschnitte 3a,b, wie ein „Stempel“, zusammendrückt.
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Nach dem Schritt zum stoffschlüssigen Verbinden der beiden Rohrteilschalen 2a,b wird die Heizelementeinrichtung 4 von den Fügestellenabschnitten 3a,b abgezogen und/oder weggefahren, sodass die Rohrteilschalen 2a,b abkühlen und aushärten. Beispielsweise wird das Heizelement 5a von der zweiten Position P2 in die erste Position P1 zurückgefahren und/oder bewegt. In einem letzten Schritt des Verfahrens kann der Druckschlauch 8 entlüftet werden, sodass der Druckschlauch 8 sich von den Rohrteilschalen 2a,b löst, wobei der Druckschlauch 8 aus dem Inneren des Luftrohrs 1 entnommen wird, wobei die Spanneinrichtung gelöst wird, sodass beispielsweise kein Vakuum mehr herrscht, welches die Rohrteilschalen 2a,b an den Werkzeugschalen 7a,b hält, wobei das Werkzeug 6 zur Entnahme des Luftrohrs 1 geöffnet wird, sodass beispielsweise das Luftrohr 1 durch den Roboter entnommen werden kann, wobei anschließend das Verfahren zur Herstellung des Luftrohrs 1 für ein Flugzeug wieder von vorne beginnt.
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In der 2 ist in einem Ausschnitt das Verfahren aus 1 gezeigt, wobei der Ausschnitt in einer Schnittdarstellung den einen Fügestellenabschnitt 3a mit dem Werkzeug 6, dem Druckschlauch 8 und der Heizelementeinrichtung 4 zeigt. Der Aufbau entspricht dem oben beschriebenen Aufbau, wobei die Heizelementeinrichtung 4 einen Schweißbalken 9 zur Kontakterwärmung aufweist. Der Schweißbalken 9 weist beispielsweise die Kontur des Fügestellenabschnitts 3a, z.B. sein Höhenprofil, auf oder weist z.B. seinen Verlauf entlang des Luftrohrs 1 auf. Beispielsweise ist der Schweißbalken 9 über die gesamte Länge des Fügestellenabschnitts 3a ausgebildet. Alternativ weist die Heizelementeinrichtung 4 mehrere Schweißbalken auf, welche beispielsweise unterschiedlich geformt sind. Die Heizelementeinrichtung 4 ist mit dem Schweißbalken gegen den Fügestellenabschnitt 3a gefahren. Der Schweißbalken 9 wird durch die Heizelementeinrichtung 4 mit der Schweißtemperatur, z.B. 340°C, beheizt, sodass der Schweißbalken die Wärme zur Erweichung der thermoplastischen Matrix aus PEI überträgt. Optional weist der Schweißbalken 9 mehre Heizabschnitte (nicht gezeigt) auf, wobei die Heizabschnitte durch die Heizelementeinrichtung 4 unterschiedlich beheizt werden. Beispielsweise erwärmt der Schweißbalken 9 den Fügestellenabschnitt 3a durch die Heizabschnitte mit unterschiedlichen Schweißtemperaturen.
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In der 2 ist der Fügestellenabschnitt 3a als ein Falz aus den beiden übereinanderliegenden Rohrteilschalen 2a,b ausgebildet. Grundsätzlich ist für das Verfahren zur Herstellung des Luftrohrs 1 keine zusätzliche Fügekontur, z.B. Klebeflansch, nötig. Der Falz ist beispielsweise als eine Lasche und/oder Erhöhung der einen Rohrteilschale 2a ausgebildet, wobei diese die andere Rohrteilschale 2b überdeckt, sodass die eine Rohrteilaschale 2a nach Außen hin orientiert ist. Die Falz ist beispielsweise lediglich vor dem stoffschlüssigen Verbinden der beiden Rohrteilschalen 2a,b für einen Betrachter sichtbar. Beispielsweise wird der Fügestellenabschnitt 3a durch die Fügekraft FK1, FK2 derart verformt, sodass dieser nicht mehr sichtbar ist und/oder im Wesentlichen die gleiche Höhe wie die Rohrteilschalen 2a,b aufweist.
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In der 3 ist ein Luftrohr 1 für ein Flugzeug gezeigt, wobei das Luftrohr 1 nach dem Verfahren zur Herstellung des Luftrohrs 1 aus 1 oder 2 hergestellt ist. Das Luftrohr 1 ist als ein längliches Rohr zur Durchführung von Kabinenluft ausgebildet. Alternativ ist das Luftrohr 1 gebogen ausgebildet. Das Luftrohr 1 weist die zwei Rohrteilschalen 2a,b auf, wobei diese als Halbschalen ausgebildet sind. Folglich ist das Luftrohr 1 zweiteilig ausgebildet. Das Luftrohr 1 weist zwei Fügestellenabschnitte 3a,b auf, wobei die beiden Fügestellenabschnitte 3a,b gegenüberliegend ausgebildet sind. Die Fügestellenabschnitte 3a,b erstrecken sich über die gesamte Länge des Luftrohrs 1. Die Fügeabschnitte 3a,b sind als zwei Rohrlängsnähte ausgebildet. Die beiden Rohrteilschalen 2a,b sind über die beiden Fügestellenabschnitte 3a,b stoffschlüssig miteinander verbunden. Das Luftrohr 1 weist zwei Öffnungen auf. Beispielsweise ist das Luftrohr 1 mit weiteren Luftrohren 1 oder einem Belüftungssystem in dem Flugzeug zur Kabinenluftverteilung und Kabinenklimatisierung verbindbar ausgebildet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Luftrohr
- 2a,b
- Rohrteilschalen
- 3a,b
- Fügestellenabschnitte
- 4
- Heizelementeinrichtung
- 5a,b
- Heizelement
- 6
- Werkzeug
- 7a,b
- Werkzeugschalen
- 8
- Druckschlauch
- 9
- Schweißbalken
- FK1, FK2
- Fügekraft
- HK1, HK2
- Haltekraft
- P1
- erste Position
- P2
- zweite Position
