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Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung eines mikroperforierten Metallbleches, ein Metallblech und Verwendungen eines solchen Metallblechs. Insbesondere betrifft die Erfindung Verfahren und Ausgestaltungen von Flächenelementen, die für bestimmte, nachfolgend erläuterte Anwendungsgebiete geeignet ausgelegt sind und bislang nur mit anderen Materialien bzw. Herstellungsverfahren bereitgestellt wurden.
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Ein erstes in den Fokus genommenes Anwendungsgebiet ist das effiziente und ressourcenschonende Fliegen durch die so genannte „Laminartechnologie“, insbesondere der so genannten „Hybridlaminarisierung (HLFC)“. HLFC ermöglicht die Realisierung langer laminarer Strömungen an bzw. auf Tragflügeln eines Flugzeugs, wobei gleichzeitig eine hohe Fluggeschwindigkeit und Reynolds-Zahlen eingehalten werden können. HLFC kann eine entscheidende Rolle zur Verminderung des Gesamtströmungswiderstandes und der Treibstoff- und Emissionsreduktion spielen. Hierfür können mikro-perforierte Außenpanel mit unterliegenden Unterdruck-Kammern vorgesehen sein, insbesondere an der Anströmkante (leading edge) der Tragfläche eines Flugzeugs. Durch eine vorbestimmte Einstellung der Druckverluste mittels der Mikro-Perforation sowie einem eingestellten Unterdruck in der Unterdruck-Kammer kann eine für die Rückverlagerung der Transition erforderliche Absauggeschwindigkeitsverteilung entlang der Anströmkante der Tragfläche erreicht werden. Die Mikro-Perforation liegt hierbei in einer Größenordnung von ca. 50 Mikrometer. Für eine entsprechende Mikro-Perforierung gelten insbesondere mindestens eine der folgenden Randbedingung: Lochdurchmesser von maximal 50 µm, Lochabstand von maximal 20-fachen des Lochdurchmessers, Strukturelle Integrität, Erosionsbeständigkeit.
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Die zur Herstellung der großflächigen Mikro-Perforation erforderlichen Fertigungsprozesse sollen industrielle Randbedingungen einschließlich möglichst geringem technischen Aufwand und geringe Kosten erfüllen. Derartige Mikro-Perforierungen sollen durch Bohren hergestellt werden, insbesondere mittels Laserbohren, wobei die Erzeugung von bis ca. 300 Löchern pro Sekunde erreicht werden soll. Dieser Fertigungsprozess, soweit er industriell realisierbar sein sollte, ist voraussichtlich noch zu langsam, um auch die wirtschaftlichen Anforderungen zu erfüllen.
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Ein anderes Anwendungsgebiet für mikroperforierte Bauteile ist die Schallabsorbtion. Hierbei stehen beispielsweise Anwendungen in der Gebäudetechnik oder im Automobilbau im Fokus. Die akustischen Eigenschaften der meist plattenförmigen Bauteile lassen sich durch ausgewählte bzw. abgestimmte Lochmuster einstellen, wobei sich für die unterschiedlichen Bedingungen jedes Raumes die Nachhallzeiten einstellen lassen, sodass ein gewünschtes akustisches Ergebnis erzielbar ist. Bohrungen der Lochmuster sind je nach akustischer Anforderung mit einer Mikro-Perforierung von 1,2 mm bis 6 mm ausgeführt. Derartige Akustik-Platten werden aktuell vorrangig mit Kunststoff, Holz oder Gips bereitgestellt. Allerdings sind diese Materialien bzw. die hierfür verfügbaren Herstellverfahren zumindest teilweise nicht so verfügbar, dass strengere Anforderungen hin zu kleineren und/oder enger aneinander liegenden Mikro-Perforierungen problemlos bzw. mit gleichbleibender Qualität einstellbar wären.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise zu lösen. Insbesondere soll ein Verfahren zur Herstellung eines mikroperforierten Metallbleches angegeben werden, mit dem mikroperforierte Metallbleche kosteneffizient auch für neue Anwendungsgebiete bereitgestellt werden können. Weiter soll das Verfahren eine möglichst kleine Perforierung und eine glatte Oberfläche in kurzer Zeit bereitstellen.
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Diese Aufgaben werden gelöst mit den Schritten des Verfahrens zur Herstellung eines mikroperforierten Metallbleches, sowie den Merkmalen des Metallblechs und der Verwendungen eines Metallblechs gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Die in den Ansprüchen angeführten Merkmale sind in beliebiger, technologisch sinnvoller Weise kombinierbar und ggf. mit Sachverhalten der Beschreibung zu ergänzen. Die Beschreibung, insbesondere mit Bezug auf die Figuren, erläutert die Erfindung und gibt weitere Ausführungsbeispiele an.
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Hierzu trägt ein Verfahren zur Herstellung eines mikroperforierten Metallbleches bei, wobei mittels mechanischer Schneidprozesse eine Vielzahl Mikrospalte mit einer Spaltlänge, bevorzugt mit einer Spaltlänge von maximal 20 mm, insbesondere maximal 4 mm [Millimeter], und einer Spaltweite von maximal 50 µm [Mikrometer] in ein glattes Metallblech eingebracht werden.
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Es ist möglich, dass das Metallblech als Coil oder Platte für das Verfahren bereitgestellt wird. Es kann kontinuierlich oder mit einem intermittierenden Vorschub dem mechanischen Schneidprozess zugeführt werden, wobei ggf. in ruhenden Phasen der mechanische Schneidprozess bei dem Metallblech ausgeführt wird. Das Metallblech ist vor dem Einbringen der Mikrospalte im Wesentlichen glatt, hat also insbesondere keine Ausstülpungen, Noppen, etc. Das Metallblech kann im Wesentlichen mit einer ebenen Gestalt dem Schneidprozess zugeführt werden.
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Unter einem mechanischen Schneidprozess kann ein Vorgang verstanden werden, bei dem mit einem Werkzeug ein Schlitzen, ein Trennen bzw. ein Zerteilen des Metallblechs ausgeführt wird, insbesondere durch Eindringen des Werkzeugs in das Material des Metallblechs. Es handelt sich dabei insbesondere um ein Trennverfahren, bei dem sich mindestens ein Werkzeug in das Material des Metallblechs einkerbt. Beispiele sind Scherschneiden, Keilschneiden und Beißschneiden. Es ist möglich, dass das mechanische Schneiden mittels Werkzeuge ausgeführt wird, die einseitig oder beidseitig nach Art eines Keils ausgeführt sind. Es ist möglich, dass einseitig ein Werkzeug in das Metallblech eindringt, wobei das Metallblech gegenüberliegend in einer Matrize oder auf einem Wiederlager aufliegt. Es ist auch möglich, dass Werkzeuge beidseitig zum Metallblech positioniert sind und dann gleichzeitig oder zeitlich versetzt zueinander in das Metallbleich eindringen. Durch die Werkzeugbewegung können Druckkräfte entstehen, die im Material des Metallblechs zu Spannungen in der Schneidzone führen. Sobald das elastische Formänderungsvermögen überschritten ist, tritt eine plastische Formänderung auf und das Material wird getrennt. Ein mechanisches Schneiden schließt insbesondere Schneidprozesse aus, die mittels eines energiereichen Strahls, wie z. B. einem Laser, erfolgen.
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Es ist möglich, dass mehrere Mikrospalte gleichzeitig und/oder unmittelbar zeitlich nacheinander in das Metallblech eingebracht werden. Es ist möglich, dass Reihen von Mikroschlitzen zeitgleich in das Metallblech eingebracht werden.
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Die Mikrospalte weisen (letztendlich) jeweils eine Form auf, die anhand einer Spaltlänge und einer Spaltweite beschrieben werden können, wobei z. B. bei einer Draufsicht auf den Mikrospalt die Spaltweite die kleinere und die Spaltlänge die größere Dimension bzw. Erstreckung des Mikrospalts beschreibt. Ein Mikrospalt ist insbesondere geradlinig entlang der Spaltlänge ausgeführt. Die Spaltweilte kann, falls diese nicht exakt gleich ist, an der engsten Stelle des Mikrospalts gemessen werden. Die Spaltlänge beträgt bevorzugt maximal 4 mm und die Spaltweite beträgt maximal 50 µm. Derartige Dimensionen des Mikrospalts lassen sich mit einem entsprechend filigranen bzw. schlanken Werkzeug prozesssicher in das Metallblech einbringen, beispielsweise mittels einem Trenn- bzw. Stanzfolgewerkzeug.
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Es ist bevorzugt, dass die Mikrospalte mit einer Spaltlänge von 2 mm bis 3 mm [Millimeter] und einer Spaltweite von 30 µm bis 40 µm [Mikrometer] erzeugt werden. Dies ist insbesondere mit Blick auf die Anwendung der mikroperforierten Metallbleche für die HLFC bevorzugt. Hierfür kann es erforderlich sein, dass das Metallblech nach dem mechanischen Schneidprozess nochmals mechanisch umgeformt wird, beispielsweise in dem die Randbereich bzw. Kanten der Mikrospalte zueinander (mittels Biegen) ausgerichtet werden.
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Das Verfahren kann durch ein mechanisches Scherschneiden ausgeführt werden. Das Scherschneiden oder Scheren meint hier das Zerteilen eines Werkstoffes durch zwei sich aneinander vorbeibewegende Schneiden bzw. SchneidWerkzeugen. Das Material des Metallblechs wird dabei durch Scherkräfte abgeschert. Es ist möglich, dass eine der Scherschneiden passiv, also insbesondere nicht beweglich, ist. Es ist möglich, dass beide Scherschneiden aktiv, also insbesondere in Richtung der Blechdicke beweglich sind. Es ist möglich, dass beide Scherschneiden teilweise in das Metallblech eindringen und damit jeweils teilweise den Mikrospalt ausbilden. Es kann benachbart zu den Scherschneiden ein Niederhalter vorgesehen sein, der ein Aufwölben des Metallblechs benachbart zu dem Mikrospalt reduziert oder sogar verhindert.
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Insbesondere werden Mikrospalte erzeugt, die sich mit einer, bevorzugt im Wesentlichen gleichen, Spaltweite durch eine Blechdicke des Metallblechs hindurch erstrecken. Insbesondere ist vorgesehen, dass in Richtung der Blechdicke bzw. über die gesamte Blechdicke eine minimale Spaltweite von 30 µm eingehalten wird.
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Es ist bevorzugt, , insbesondere für eine Anwendung in der HLFC-Technologie, ein Metallblech mit einer Blechdicke bis zu 1 mm [Millimeter] zu bearbeiten. Ganz besonders bevorzugt sind Blechdicken im Bereich von 0,6 bis 0,7 mm.
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Es ist bevorzugt, insbesondere für eine Anwendung in der Akustik, ein Metallblech mit einer Blechdicke im Bereich von 2 bis 3 mm [Millimeter] zu bearbeiten.
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Hinsichtlich der Materialauswahl des Metallblechs sind Edelstahl oder Titan-Werkstoffe bevorzugt. Bei Edelstahl handelt es sich um unlegierte oder legierte Stähle, die einen besonderen Reinheitsgrad besitzen. Darunter fallen z.B. Stähle, deren Schwefel- und Phosphorgehalt (sog. Eisenbegleiter) 0,025 % nicht übersteigt. Titan-Werkstoffe umfassen insbesondere Titanlegierungen, welche für die Herstellung von Flugzeugteilen geeignet sind, wie z. B. Ti-6Al-4V oder Ti-5553.
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Bevorzugt ist, dass während eines Schneidprozesses gleichzeitig mehrere Mikrospalte erzeugt werden. Es ist möglich, dass eine Mehrzahl von Schneiden in einem Zyklus versetzt (z. B. getrennt bzw. einzeln angesteuert verfahrbar) oder gemeinsam (z. B. miteinander fest verbunden) eingebracht werden. Es ist möglich, dass die Schneiden einer eingesetzten Schneidvorrichtung in einer oder mehreren Reihen angeordnet sind, und in einem Zyklus (z. B. zwischen einer Vorschubbewegung des Metallblechs) mit dem Metallblech zur Erzeugung der Mikrospalte in Eingriff gebracht werden.
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Das Metallblech kann zwischen den Schneidprozessen mit einer Vorschubrichtung bewegt werden, wobei die Spaltlänge der Mikrospalte nicht senkrecht zur Vorschubrichtung ausgerichtet ist. Das bedeutet mit anderen Worten insbesondere, dass die Ausrichtung der Mikrospalte so eingebracht wird, dass die Spaltlänge nicht fluchtend bzw. parallel zur Vorschubrichtung verläuft. Bevorzugt ist weiter, dass die Spaltlänge nicht senkrecht zur Vorschubrichtung verläuft. Vielmehr ist ein Winkel zwischen der Ausrichtung der Spaltlänge und der Vorschubrichtung bevorzugt, die im Bereich von 30 - 60 Winkelgrad bzw. 120 - 150 Winkelgrad beträgt. Die hier vorgeschlagen Ausrichtung kann vorteilhaft sein, wenn das mikroperforierte Metallbleche für die HLFC-Technologie weiterverarbeitet wird, was ggf. mit einer signifikanten Biegung des Blechs um eine Achse etwa senkrecht oder parallel zur Vorschubrichtung einhergehen kann. Diese Ausrichtung ermöglicht, dass die Randbereiche der Mikrospalte während des Biegevorgangs sich nicht bzw. nur vernachlässigbar aufstellen bzw. aufwölben, so dass auch nach diesem Biegevorgang ein weitgehend glattes Metallblech vorliegt.
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Es ist möglich, dass das Metallblech nach Einbringen der Mikrospalte geglättet wird. Dieser Glättungsvorgang umfass bevorzugt keinen Materialabtrag, sondern nur einen Umformprozess, wie z.B. einen Biegeprozess. Insbesondere kann dies so ausgeführt werden, dass durch den Schneidprozess ausgestellte bzw. aufgebogene Randbereiche in Nachbarschaft eines Mikrospalts wieder eingeebnet bzw. zurückgebogen werden. Dieser Glättungsvorgang kann sich dem Schneidprozess unmittelbar anschließen, also in derselben Position des Metallblechs wie beim Schneiden ausgeführt werden, es ist aber auch möglich, dass dieser Glättungsvorgang zeitlich und räumlich versetzt ausgeführt wird. Der Glättungsvorgang kann lokal begrenzt (im Bereich einer vorgegebenen Anzahl von einzelnen oder Gruppen von Mikrospalten) oder großflächig (z. B. über eine oder mehrere Reihen nacheinander eingebrachter Mikrospalte) ausgeführt werden.
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Die Mikrospalte können nach dem Schneiden teilweise zusammengedrückt werden. Hierbei kann beispielsweise die Spaltweite der Mikrospalte genauer eingestellt werden. Das Einstellen der Spaltweite bzw. das Zusammendrücken der Mikrospalte kann ähnlich bzw. gleichzeitig mit dem vorstehend beschrieben Glättungsvorgang erfolgen.
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Der Abstand der Mikrospalte zueinander (insbesondere in Strömungsrichtung oder senkrecht hintereinander in benachbarten Reihen) kann in einem Bereich von 20 mm bis 10-fachen der Spaltweite liegen. Dieser Abstand kann auch als „Teilung“ der Reihen verstanden werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein mikroperforiertes Metallbleches vorgeschlagen, aufweisend eine Vielzahl Mikrospalte mit einer Spaltlänge (von bevorzugt 20 maximal mm, insbesondere maximal 4 mm) und einer Spaltweite von maximal 50 µm, wobei das Metallblech keine anderen Strukturen aufweist.
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Das mikroperforiertes Metallblech kann mit dem hier erläuterten Verfahren hergestellt werden bzw. hergestellt sein. Zur weiteren Charakterisierung des mikroperforiertes Metallbleches kann - auch unabhängig von der Herstellungsart - vollumfänglich auf die strukturellen bzw. funktionalen Merkmale des mikroperforiertes Metallbleches zurückgegriffen werden, das vorstehend angegeben ist.
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Die Formulierung „keine anderen Strukturen“ soll insbesondere zum Ausdruck bringen, dass das Metallblech im Übrigen im Wesentlichen glatt ist, also z. B. keine Ausstülpungen, Flügel, Noppen, etc. hat. Die Höhe des Querschnitts des Metallblechs entspricht also bevorzugt überall etwa der (ursprünglichen) Blechdicke. Selbstverständlich sind hiervon Oberflächenrauheiten, etc. unbeachtlich.
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Einem weiteren Aspekt folgend wird die Verwendung eines mikroperforierten Metallbleches, aufweisend eine Vielzahl Mikrospalte mit einer Spaltlänge (bevorzugt von maximal 4 mm) und einer Spaltweite von maximal 50 µm, zur Beeinflussung von Luftströmungen an Oberflächen von Flugzeugen oder zur Schalldämmung vorgeschlagen.
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Ein für diese Verwendung geeignetes mikroperforiertes Metallblech kann mit dem hier erläuterten Verfahren hergestellt werden bzw. hergestellt sein. Zur weiteren Charakterisierung des mikroperforiertes Metallbleches kann - auch unabhängig von der Herstellungsart - vollumfänglich auf die strukturellen bzw. funktionalen Merkmale des mikroperforiertes Metallbleches zurückgegriffen werden, das vorstehend angegeben ist.
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Die Wirkungsweisen bzw. Effekte des mikroperforierten Metallblechs bei der Beeinflussung von Luftströmungen an Oberflächen von Flugzeugen wurde eingangs erläutert, insbesondere im Rahmen der HLFC-Technologie. Diese Erläuterungen können vollumfänglich herangezogen werden, um die Verwendung weiter zu charakterisieren. Die hier vorgeschlagene Verwendung ermöglicht eine industrielle Fertigung derartiger Bauteile mit signifikant erhöhter Schnelligkeit, so dass die bestehenden wirtschaftlichen Anforderungen erfüllt werden können.
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Die Wirkungsweisen bzw. Effekte des mikroperforierten Metallblechs bei der Schalldämmung wurde eingangs erläutert, insbesondere im Rahmen der Akustik-Platten. Diese Erläuterungen können vollumfänglich herangezogen werden, um die Verwendung weiter zu charakterisieren. Die hier vorgeschlagene Verwendung ermöglicht z. B. aufgrund der kleineren und/oder dichteren Öffnungen eine gezieltere Schallabsorption in einem weiten Frequenzbereich, wobei gleichzeitig ein sehr wirtschaftliches Verfahren zur Herstellung bereitgestellt wird.
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Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand diverser Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass selbe Teile in den einzelnen Figuren üblicherweise mit denselben Bezugszeichen versehen sind. Es ist möglich, Einzelheiten aus einer Figur mit Details einer anderen Figur und/oder Merkmalen der allgemeinen Beschreibung zu kombinieren, soweit es hier nicht explizit ausgeschlossen ist. Die Figuren sind schematischer Natur und zeigen Folgendes:
- 1: eine Draufsicht auf einen Ausschnitt eines mikroperforierten Metallblechs,
- 2: eine Schnittansicht durch einen Mikrospalt,
- 3: eine Illustration eines Schneidprozesses, und
- 4: eine Verwendung eines mikroperforierten Metallblechs zur Beeinflussung von Luftströmungen an Oberflächen von Flugzeugen.
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1 veranschaulicht in einer Draufsicht einen Abschnitt eines mikroperforierten Metallbleches 1. Dieses weist eine Vielzahl Mikrospalte 2 mit einer Spaltlänge 3 von bevorzugt maximal 4 mm und einer Spaltweite 4 von maximal 50 µm auf. Im veranschaulichten Beispiel sind mehrere Spaltreihen 9 mit jeweils einer Vielzahl von Mikrospalten 2 ausgebildet. Es ist auch zu erkennen, dass das Metallblech 1 keine anderen Strukturen aufweist.
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Zur Herstellung eines solchen mikroperforierten Metallbleches 1 werden bevorzugt mechanische Schneidprozesse eingesetzt. Dabei kann das (glatte) Metallblech 1 mittels einer definierten Vorschubrichtung 6 bewegt werden. Im veranschaulichten Beispiel bilden Vorschubrichtung 6 und die Ausrichtung der Spaltlängen 3 einen Winkel 10 miteinander, der im Bereich von ca. 135 Winkelgrad liegt.
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2 veranschaulicht einen Querschnitt durch ein Mikroblech 1 über die Blechdicke 5. Die Mikrospalte 2 erstrecken sich folglich mit einer vorgegebenen Spaltweite 4 durch eine Blechdicke 5 des Metallblechs 1 hindurch.
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Es ist in 2 angedeutet, dass ggf. bei den mechanischen Schneidprozesse erzeugte Aufbiegungen in einem Verformungsbereich 11 benachbart oder angrenzend zum Mikrospalt 2 wieder geglättet wurden bzw. die (weitgehend konstante) Spaltweite 4 durch zusammendrücken dieser Bereiche eingestellt wurde.
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3 illustriert sehr vereinfacht einen mechanischen Schneidprozess, insbesondere ein mechanisches Scherschneiden. Hierbei wird ein glattes Metallblech 1 in einer Vorschubrichtung 6 einem Schneidwerkzeug zugeführt, hier ausgestattet mit einer oberen Schneide 7 und einer unteren Schneide 8. An der gewünschten Stelle bzw. zu einer vorgegebenen Zeit verfährt die obere Schneide 7 und/oder die untere Schneide 8 auf das Metallblech 1 zu, dringt in dieses ein und bildet dabei einen Mikrospalt 2 (hier nicht dargestellt) aus.
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4 veranschaulicht eine besonders bevorzugte Verwendung eines solchen mikroperforierten Metallbleches 1 zur Beeinflussung von Luftströmungen an Oberflächen von Flugzeugen.
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Rechts ist ein Flügel 12 eines Flugzeugs dargestellt, der eine Anströmkante 13 aufweist. In der Anströmkante 13 ist ein Innenraum geschaffen, über den mittels einer Saugvorrichtung 14 Luft angesaugt und über eine Saugleitung 15 abgeführt werden kann.
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Links daneben ist ein Querschnitt entlang der Linie A-A der Anströmkante 13 schematisch abgebildet, woraus sich ergibt, dass das mikroperforierte Metallblech 1 die äußere Oberfläche der Anströmkante 13 bildet und innen die Verbindung zur Saugleitung 15 realisiert ist.
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Im links außen abgebildeten Detail ist zu erkennen, dass die Luft über die Vielzahl von Mikrospalten 2 des mikroperforierten Metallbleches 1, das hier durch eine Stützkonstruktion 16 gestützt wird, eingesaugt wird. Damit lässt sich insbesondere die eingangs beschriebene HLFC-Technologie umsetzen.
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Somit wurden hier Lösungen aufgezeigt, die die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise lösen. Insbesondere wurden Verfahren zur Herstellung eines mikroperforierten Metallbleches angegeben, mit denen mikroperforierte Metallbleche kosteneffizient auch für neue Anwendungsgebiete bereitgestellt werden können. Weiter wurden Verfahren angegeben, die die Bereitstellung von Metallblechen mit einer möglichst kleinen Perforierung und eine glatte Oberfläche in kurzer Zeit ermöglichen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Metallblech
- 2
- Mikrospalt
- 3
- Spaltlänge
- 4
- Spaltweite
- 5
- Blechdicke
- 6
- Vorschubrichtung
- 7
- Obere Schneide
- 8
- Untere Schneide
- 9
- Spaltreihe
- 10
- Winkel
- 11
- Verformungsbereich
- 12
- Flügel
- 13
- Anströmkante
- 14
- Saugvorrichtung
- 15
- Saugleitung
- 16
- Stützkonstruktion
