DE10243657A1

DE10243657A1 - Leichtbau-Schichtstruktur und Verfahren zur Herstellung

Info

Publication number: DE10243657A1
Application number: DE10243657A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr.Dipl.-Phys. Holota; Sigmund Dipl.-Phys. Manhart; Markus Dipl.-Phys. Melf; Winfried Dipl.-Phys. Posselt
Original assignee: Astrium GmbH
Current assignee: Airbus DS GmbH
Priority date: 2002-09-19
Filing date: 2002-09-19
Publication date: 2004-04-01

Abstract

Beschrieben wird eine flächige Leichtbau-Schichtstruktur mit einer ersten Begrenzungsebene und einer zweiten Begrenzungsebene und einer Abstandsstruktur, die zwischen der ersten und zweiten Begrenzungsebene angeordnet ist, wobei die Abstandsstruktur durch eine Strebenstruktur mit mehreren Streben gebildet wird. Dabei schließt zumindest ein Teil der Streben mit der ersten Begrenzungsebene und der zweiten Begrenzungsebene jeweils einen von 90 DEG verschiedenen Winkel ein. Beschrieben werden weiterhin entsprechende Verfahren zur Herstellung einer flächigen Leichtbau-Schichtstruktur.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine flächige Leichtbau-Schichtstruktur mit einer ersten Begrenzungsebene und einer zweiten Begrenzungsebene und einer Abstandsstruktur, die zwischen der ersten und zweiten Begrenzungsebene angeordnet ist. Solche Strukturen sind beispielsweise aus US 5,445,861 und US 6,405,509 bekannt, wobei die Begrenzungsebenen bei diesem Stand der Technik jeweils durch Deckschichten definiert werden. Dabei offenbart die US 5,445,861 eine Abstandsstruktur aus dünnen Wandelementen, die senkrecht zu den Deckschichen angeordnet sind und eine Honigwabenstruktur aufweisen. Die US 6,405,509 offenbart zusätzlich zu einer Leichtbau-Abstandsstruktur noch zwischen den Deckschichten angeordnete Stützstreben, die senkrecht zu den Deckschichten angeordnet sind.
Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Strukturen können jedoch Schermomente, Biegemomente und Torsionsmomente, die auf die Leichtbau-Schichtstruktur wirken können, nur bedingt aufgefangen werden. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Leichtbau-Schichtstruktur bereitzustellen, die bei möglichst geringem Gesamtgewicht die Nachteile des Standes der Technik behebt. Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Die Erfindung umfasst außerdem Verfahren zur Herstellung einer Leichtbau-Schichtstruktur gemäß den Ansprüchen 16, 17 und 21.
Ein erster Gegenstand der Erfindung ist eine flächige Leichtbau-Schichtstruktur mit einer ersten Begrenzungsebene und einer zweiten Begrenzungsebene und einer Abstandsstruktur, die zwischen der ersten und zweiten Begrenzungsebene angeordnet ist, wobei die Abstandsstruktur durch eine Strebenstruktur mit mehreren Streben gebildet wird. Die erste und zweite Begrenzungsebene müssen dabei nicht durch Materialschichen wie Deckschichten definiert werden, sie können sich auch durch die Begrenzungen der Abstandsstruktur selbst ergeben. Die flächige Leichtbau-Schichtstruktur kann sich lediglich zweidimensional erstrecken, also in einer ebenen Fläche, sie kann aber auch dreidimensional geformt sein, also als gekrümmte oder sonst dreidimensional geformte Fläche.
Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass zumindest ein Teil der Streben mit der ersten Begrenzungsebene und der zweiten Begrenzungsebene jeweils einen von 90° verschiedenen Winkel einschließen. Durch die von 90° verschiedene Anordnung zumindest eines Teils der Streben kann garantiert werden, dass auch Kräfte, die nicht senkrecht auf die Begrenzungsebene en wirken, durch die Abstandsstruktur aufgenommen werden können. Durch die Ausbildung der Abstandsstruktur als Strebenstruktur wird garantiert, dass die Abstandsstruktur eine möglichst geringe Gesamtmasse aufweist.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass jeweils mindestens zwei der Streben, die mit der ersten Begrenzungsebene und der zweiten Begrenzungsebene jeweils einen von 90° verschiedenen Winkel einschließen, miteinander verbunden sind. Damit kann eine verbesserte Stabilität der Abstandsstruktur erreicht werden.
Insbesondere kann vorgesehen werden, dass jeweils mindestens zwei der Streben, die mit der ersten Begrenzungsebene und der zweiten Begrenzungsebene jeweils einen von 90° verschiedenen Winkel einschließen, an einem ihrer Enden miteinander verbunden sind.
Dabei kann bevorzugt vorgesehen werden, dass jeweils mindestens drei der Streben, die mit der ersten Begrenzungsebene und der zweiten Begrenzungsebene jeweils einen von 90° verschiedenen Winkel einschließen, an einem ihrer Enden miteinander verbunden sind. Als eine besondere Ausführungsform dieser Weiterbildung der Erfindung kann dabei vorgesehen werden, dass zumindest ein Teil der Streben, die mit der ersten Begrenzungsebene und der zweiten Begrenzungsebene jeweils einen von 90° verschiedenen Winkel einschließen, tetraederförmig angeordnet ist. Diese Tetraeder können grundsätzlich in jeder geeigneten Anordnungsweise angeordnet werden. Eine besonders günstige und kompakte Anordnung wird jedoch gewährleistet, wenn zumindest ein Teil der durch die Streben gebildeten Tetraeder in einer hexagonalen Struktur angeordnet ist.
Als eine mögliche Alternative zu einer tetraederförmigen Anordnung kann vorgesehen werden, dass zumindest ein Teil der Streben, die mit der ersten Begrenzungsebene und der zweiten Begrenzungsebene jeweils einen von 90° verschiedenen Winkel einschließen, pyramidenförmig angeordnet ist.
Wie bereits ausgeführt kann die Leichtbau-Schichtstruktur grundsätzlich eine zweidimensionale oder auch dreidimensionale flächige Form aufweisen. Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Leichtbau-Schichtstruktur als Platten- Struktur ausgebildet ist. Dabei kann die Leichtbau-Schichtstruktur entweder durch eine selbsttragende Abstandsstruktur ohne Deckschichten oder auch durch eine zwischen Deckschichten angeordnete Abstandsstruktur gebildet werden.
Die Streben der Abstandsstruktur können grundsätzlich aus jedem geeigneten Material bestehen. Bevorzugt wird jedoch vorgesehen, dass zumindest ein Teil der Streben aus einem keramischen Material besteht.
Die Abstandsstruktur kann auch aus einem monolithischen Material bestehen, insbesondere aus einem monolithischen keramischen Material. Dies ist besonders vorteilhaft, da bei einer monolithischen Struktur einheitliche Materialeigenschaften wie Ausdehnungskoeffizienten oder ähnliches für die gesamte Struktur vorliegen.
Als ein Spezialfall für keramische Materialien kann vorgesehen werden, dass die Abstandsstruktur aus einem Siliziumcarbid enthaltenden Material besteht. Solche Materialien sind aus dem Stand der Technik grundsätzlich aus DE 42 07 009 , DE 43 29 551 und US 6,206,531 bekannt.
Alternativ zu einer monolithischen Struktur kann aber auch vorgesehen werden, dass die Streben der Abstandsstruktur aus einem keramischen Material – beispielsweise einem Siliziumcarbid enthaltenden Material – bestehen und die Streben durch metallische Verbindungselemente verbunden sind. Ein Beispiel für ein Material der Verbindungselemente wäre Titan, es sind aber auch andere metallische Elemente oder Legierungen denkbar.
Eine spezielle Anwendung einer erfindungsgemäßen Leichtbau-Schichtstruktur wäre ein Strukturelement für Raumfahrt-Anwendungen. Gerade bei Raumfahrt-Anwendungen ist eine ausreichende Stabilität der Strukturelemente wichtig, damit beispielsweise beim Start eines Raumfahrzeuges auftretende Kräfte von der Struktur aufgenommen werden können. Andererseits ist ein geringes Gewicht der Strukturelemente wichtig, da ein zu hohes Startgewicht bei Raumfahrt-Anwendungen wirtschaftlich und technisch kritisch ist.
Eine weitere spezielle Anwendung einer erfindungsgemäßen Leichtbau-Schichtstruktur ist eine optische Einrichtung, insbesondere für Raumfahrt-Anwendungen. Hier ergeben sich neben dem geringen Gewicht der Struktur vor allem Vorteile aus der Stabilität der Struktur, wodurch möglichst geringe Störeinflüsse auf optische Komponenten der optischen Einrichtung garantiert werden können.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer oben beschriebenen Leichtbau-Schichtstruktur. Gemäß der Erfindung wird im Rahmen des Verfahrens die Abstandsstruktur aus einem keramischen Material hergestellt, welches aus einer Ausgangs-Strebenstruktur, bei der zumindest ein Teil der Streben mit der ersten Begrenzungsebene und der zweiten Begrenzungsebene jeweils einen von 90° verschiedenen Winkel einschließen, durch einen Infiltrationsprozess unter Erhitzen gebildet wird. Die Herstellung keramischer Materialien durch Infiltrationsprozesse ist aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannt. Aus DE 42 07 009 und DE 43 29 551 ist bekannt, dass C/SiC Reflektoren aus einem porösen Kohlenstoff-Trägerkörper hergestellt werden. In US 6,206,531 wird zur Herstellung eines Reflektors die Verwendung einer Kernstruktur aus einem keramischen Schaum vorgeschlagen.
Alternativ dazu kann als Verfahren zur Herstellung einer oben beschriebenen Leichtbau-Schichtstruktur vorgesehen werden, dass aus einer flächigen Ausgangs-Struktur, durch einen Infiltrationsprozess unter Erhitzen ein keramisches Material hergestellt wird und die Abstandsstruktur in Form einer Strebenstruktur aus dem keramischen Material derart durch mechanische Bearbeitung hergestellt wird, dass zumindest ein Teil der Streben mit der ersten Begrenzungsebene und der zweiten Begrenzungsebene jeweils einen von 90° verschiedenen Winkel einschließen.
Durch jedes dieser beiden Verfahren kann dabei eine monolithische, keramische Struktur hergestellt werden, was besonders vorteilhaft ist, da dann einheitliche Materialeigenschaften wie Ausdehnungskoeffizienten oder ähnliches für die gesamte Struktur vorliegen.
Bei jedem dieser Verfahren kann vorgesehen werden, dass als Ausgangsstruktur eine Struktur aus einem pyrolysierbaren Material verwendet wird und diese Ausgangsstruktur mit einer Suspension aus einem keramischen Ausgangsmaterial, welches Silizium enthält, überzogen wird, die Ausgangsstruktur anschließend zur Erzeugung eines keramischen Zwischenproduktes unter Luftabschluss pyrolysiert wird, und nach der Pyrolyse eine unter Erhitzen erfolgte Infiltration eines Siliziums enthaltenden Materials zur Bildung einer keramischen, monolithischen Struktur, insbesondere aus SiC oder C/SiC, erfolgt. Als pyrolysierbares Material kann beispielsweise ein polymeres Material verwendet werden. Bei dem vorgenannten Verfahren kann insbesondere vorgesehen werden, dass die polymere Struktur mit einer Suspension bestehend aus einer Aufschlämmung von SiC, Silizium und Kohlenstoff in einem organischen Flüssigkeitsgemisch überzogen wird. Für weitere Details zu einem solchen Herstellverfahren wird beispielhaft auf DE 101 25 554 verwiesen.
Ein letzter Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer oben dargestellten, flächigen Leichtbau-Schichtstruktur. Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass zwischen einer ersten Begrenzungsebene und einer zweiten Begrenzungsebene Grundelemente einer strebenförmigen Abstandsstruktur derart angeordnet werden, dass zumindest ein Teil der Streben mit der ersten Begrenzungsebene und der zweiten Begrenzungsebene jeweils einen von 90° verschiedenen Winkel einschließen. Als Grundelemente können beispielsweise strebenförmige Grundelemente verwendet werden, so dass die gesamte Struktur aus einzelnen strebenförmigen Grundelementen sehr flexibel zusammengesetzt werden kann. Als Grundelemente können aber auch tetraederförmige Grundelemente oder pyramidenförmige Grundelemente verwendet werden. Da diese Grundelemente bereits eine größere und stabile Struktur aufweisen, kann bei trotzdem noch ausreichender Flexibilität der Strukturgestaltung sehr schnell eine stabile Gesamtstrukturerzeugt werden.
Das Verfahren nach dem letzten Gegenstand der Erfindung kann zusätzlich auch Verfahrenschritte nach einem der zuvor genannten Verfahren umfassen, so dass auch im Rahmen des letzten Gegenstandes der Erfindung eine monolithische, keramische Struktur hergestellt werden kann.
Ein spezielles Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend anhand der 1 bis 7 erläutert.
Es zeigen:
1: Plattenförmige Leichtbau-Schichtstruktur
2: Tetraeder als Grundelement der Leichtbau-Schichtstruktur
3: Hexagonale Anordnung mehrerer Tetraeder nach 2
4: wie 3, jedoch mit hexagonaler Verbindung der Tetraederspitzen durch Verbindungsstreben
5: wie 4, jedoch mit Versteifung der hexagonalen Verbindung der Tetraederspitzen
6: vereinfachte Draufsicht auf die Begrenzungsebenen der Leichtbau-Schichtstruktur
7: Draufsicht wie 6, jedoch mit allen Versteifungsstreben
1 zeigt eine flächige Leichtbau-Schichtstruktur 1 mit einer ersten Begrenzungsebene 2 und einer zweiten Begrenzungsebene 3. Die Leichtbau-Schichtstruktur 1 besteht im Fall der 1 lediglich aus einer selbsttragenden Abstandsstruktur, die zwischen der ersten und zweiten Begrenzungsebene angeordnet ist, ohne weitere Deckschichten. Wie bereits in 1 erkennbar wird die Abstandsstruktur durch eine Strebenstruktur mit einer Vielzahl von Streben gebildet.
2 zeigt ein tetraederförmiges Grundelement 6 der Leichtbau-Schichtstruktur 1. Wie man bereits aus 1 und 2 erkennen kann, und wie später noch anhand der 4 und 5 deutlich wird, schließen die Streben 4 des Tetraeders 6 mit der ersten Begrenzungsebene 2 und der zweiten Begrenzungsebene 3 jeweils einen von 90° verschiedenen Winkel ein. Die weiteren Streben 5, die den Tetraeder 6 vervollständigen, liegen in der zweiten Begrenzungsebene 3 und führen zu einer weiteren Versteifung der Gesamtstruktur.
3 zeigt eine hexagonale Anordnung von sechs tetraederförmigen Grundelementen 6, wie sie in 2 gezeigt sind. Wie in 3 erkennbar wird, bilden die Grundflächen der sechs Tetraeder 6 eine hexagonale Struktur 7, die in der zweiten Begrenzungsebene 3 liegt.
Die Anordnung nach 3 kann durch eine Verbindung der Spitzen der Tetraeder 6 mit Hilfe von Verbindungsstreben 10 weiter versteift werden. Dies ist in 4 dargestellt. Es ergibt sich wiederum eine hexagonale Struktur 8, die diesmal in der ersten Begrenzungsebene 2 liegt.
Auch kann die Anordnung nach 4 noch weiter versteift werden, indem zusätzliche Streben 9 vorgesehen werden, die in der ersten Begrenzungsebene 2 liegen und die dort liegende hexagonale Struktur 8 weiter versteifen.
6 zeigt in einer vereinfachten Draufsicht die erste Begrenzungsebene 2 und die zweite Begrenzungsebene 3, in denen die jeweiligen hexagonalen Strukturen 7 und 8 liegen.
In 7 ist eine detailliertere Draufsicht auf die Begrenzungsebenen 2 und 3 analog 6 dargestellt, wobei hier alle Streben der Strebenstruktur dargestellt sind, beispielsweise die bereits erläuterten Verstrebungen 9.
Details zu möglichen Materialien und Herstellungsverfahren, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung zur Anwendung kommen können, wurden bereits eingangs dargestellt. So kann beispielsweise die hier dargestellte, aus einer selbsttragenden Strebenstruktur bestehende Leichtbau-Schichtstruktur aus einem keramischen Material wie SiC oder C/SiC hergestellt werden, insbesondere als monolithische Struktur. Dabei kann auch ein Zusammensetzen der Struktur aus Grundelementen nach einem Baukastenprinzip vorgesehen werden, wie bereits eingangs dargestellt.
Die Leichtbau-Schichtstruktur kann beispielsweise als Trägerplatte für optische Einrichtungen oder auch andere Einrichtungen einer Raumfahrt-Anwendung vorgesehen werden, da sie die Vorteile einer hohen Steifigkeit und eines geringen Gewichts miteinander vereint.

Claims

Flächige Leichtbau-Schichtstruktur mit einer ersten Begrenzungsebene und einer zweiten Begrenzungsebene und einer Abstandsstruktur, die zwischen der ersten und zweiten Begrenzungsebene angeordnet ist, wobei die Abstandsstruktur durch eine Strebenstruktur mit mehreren Streben gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Streben mit der ersten Begrenzungsebene und der zweiten Begrenzungsebene jeweils einen von 90° verschiedenen Winkel einschließen.
Leichtbau-Schichtstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils mindestens zwei der Streben, die mit der ersten Begrenzungsebene und der zweiten Begrenzungsebene jeweils einen von 90° verschiedenen Winkel einschließen; miteinander verbunden sind.
Leichtbau-Schichtstruktur nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils mindestens zwei der Streben, die mit der ersten Begrenzungsebene und der zweiten Begrenzungsebene jeweils einen von 90° verschiedenen Winkel einschließen, an einem ihrer Enden miteinander verbunden sind.
Leichtbau-Schichtstruktur nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils mindestens drei der Streben, die mit der ersten Begrenzungsebene und der zweiten Begrenzungsebene jeweils einen von 90° verschiedenen Winkel einschließen, an einem ihrer Enden miteinander verbunden sind.
Leichtbau-Schichtstruktur nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Streben, die mit der ersten Begrenzungsebene und der zweiten Begrenzungsebene jeweils einen von 90° verschiedenen Winkel einschließen, tetraederförmig angeordnet ist.
Leichtbau-Schichtstruktur nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der durch die Streben gebildeten Tetraeder in einer hexagonalen Struktur angeordnet ist.
Leichtbau-Schichtstruktur nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Streben, die mit der ersten Begrenzungsebene und der zweiten Begrenzungsebene jeweils einen von 90° verschiedenen Winkel einschließen, pyramidenförmig angeordnet ist.
Leichtbau-Schichtstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Leichtbau-Schichtstruktur als Platten-Struktur ausgebildet ist.
Leichtbau-Schichtstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Streben aus einem keramischen Material besteht.
Leichtbau-Schichtstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandsstruktur aus einem monolithischen Material besteht.
Leichtbau-Schichtstruktur nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandsstruktur aus einem Siliziumcarbid enthaltenden Material besteht.
Leichtbau-Schichtstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Streben der Abstandsstruktur aus einem keramischen Material bestehen und die Streben durch metallische Verbindungselemente verbunden sind.
Leichtbau-Schichtstruktur nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungselemente aus Titan bestehen.
Strukturelement für Raumfahrt-Anwendungen, aufweisend eine Leichtbau-Schichtstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 13.
Optische Einrichtung, insbesondere für Raumfahrt-Anwendungen, aufweisend eine Leichtbau-Schichtstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 13.
Verfahren zur Herstellung einer Leichtbau-Schichtstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandsstruktur aus einem keramischen Material hergestellt wird, welches aus einer Ausgangs-Strebenstruktur, bei der zumindest ein Teil der Streben mit der ersten Begrenzungsebene und der zweiten Begrenzungsebene jeweils einen von 90° verschiedenen Winkel einschließen, durch einen Infiltrationsprozess unter Erhitzen gebildet wird.
Verfahren zur Herstellung einer Leichtbau-Schichtstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass aus einer Ausgangs-Struktur, durch einen Infiltrationsprozess unter Erhitzen ein keramisches Material hergestellt wird und die Abstandsstruktur in Form einer Strebenstruktur aus dem keramischen Material derart durch mechanische Bearbeitung hergestellt wird, dass zumindest ein Teil der Streben mit der ersten Begrenzungsebene und der zweiten Begrenzungsebene jeweils einen von 90° verschiedenen Winkel einschließen.
Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass als Ausgangsstruktur eine Struktur aus einem pyrolysierbaren Material verwendet wird und diese Ausgangsstruktur mit einer Suspension aus einem keramischen Ausgangsmaterial, welches Silizium enthält, überzogen wird, die Ausgangsstruktur anschließend zur Erzeugung eines keramischen Zwischenproduktes unter Luftabschluss pyrolysiert wird, und nach der Pyrolyse eine unter Erhitzen erfolgte Infiltration eines Siliziums enthaltenden Materials zur Bildung einer keramischen, monolithischen Struktur erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass als pyrolysierbares Material ein polymeres Material verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die polymere Struktur mit einer Suspension bestehend aus einer Aufschlämmung von SiC, Silizium und Kohlenstoff in einem organischen Flüssigkeitsgemisch überzogen wird.
Verfahren zur Herstellung einer flächigen Leichtbau-Schichtstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einer ersten Begrenzungsebene und einer zweiten Begrenzungsebene Grundelemente einer strebenförmigen Abstandsstruktur derart angeordnet werden, dass zumindest ein Teil der Streben mit der ersten Begrenzungsebene und der zweiten Begrenzungsebene jeweils einen von 90° verschiedenen Winkel einschließen.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass als Grundelemente strebenförmige Grundelemente verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass als Grundelemente tetraederförmige Grundelemente verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass als Grundelemente pyramidenförmige Grundelemente verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 24, welches zusätzlich Verfahrensschritte nach einem der Patentansprüche 17 bis 20 umfasst.