DE19503939C1 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen eines Druckspants - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen eines Druckspants für Flugzeuge mit einer Druckkabine.

Ein derartiger Druckspant bzw. eine Druckwand ist der DE 35 34 719 A1 zu entnehmen. Diese kalottenförmig ausgebil­ dete Wand besteht aus Blech und ist durch meridional und kreisförmig geführte Profile versteift. Im Randbereich sind das Blech und die Profile der Druckwand an einem besonders steifen Ringspant befestigt, in den die Haut- und Profilkräf­ te eingeleitet werden. Bei großen Luftfahrzeugen lasten auf der Druckwand infolge des Innendruckes sehr große Kräfte. Die Festigkeit der Wand ist rechnerisch ohne weiteres beherrsch­ bar. Dennoch ist es erforderlich, die Druckwand derart zu sichern, daß diese auch im Falle einer Beschädigung durch Fremdeinwirkung nicht bersten kann. Um dies zu erreichen, wird in der besagten DE-OS vorgeschlagen, daß der Druckwand auf der Unterdruckseite eine als Sicherheitseinrichtung wirkende Haltevorrichtung nachgeordnet wird. Diese Haltevorrichtung kann in entsprechenden Ausgestaltungen beispielsweise aus einem engmaschigen Netz aus verflochtenen Gurten bestehen, die aus Kunststoffasern hergestellt sind.

Hierdurch wird eine erhöhte Bruchsicherheit erreicht. Das Prinzip der erhöhten Bruchsicherheit besteht darin, daß die Betriebsfähigkeit des Gesamtsystems auch dann noch sichergestellt ist, wenn einzelne Elemente des Systems, beispielsweise ein Blechfeld, ausgefallen sind. Im Falle dieser Lösung ist jedoch von Nachteil, daß die Druckwand in der bisherigen Bauweise als Blechkonstruktion erhalten bleibt, was unter Gesichtspunkten des Gewichts und der Herstellkosten keineswegs optimal ist.

Eine andere Möglichkeit, einen Druckspant der eingangs genannten Art mit erhöhter Bruchsicherheit herzustellen, besteht darin, daß dieser aus einem faserverstärkten Werkstoff gebildet wird. Auch diese Lösung kann so dimensioniert werden, daß die Betriebsfähigkeit des Druckspants erhalten bleibt, wenn bereits Faserbereiche zu Bruch gegangen sind. Diese Wirkung wird vorteilhaferweise ohne zusätzliche Einrichtungen erreicht. Das Flugzeug Dornier DO 328 weist einen derartigen Druckspant auf. Dieser ist aus mehreren Schichten eines harzimprägnierten Fasergewebes laminiert. Die betreffende Bauvorrichtung erlaubt jeweils das Laminieren eines Druckspants, der dann in einem Autoklav unter Einwirkung von Druck und Wärme ausgehärtet wird. Zur Herstellung des Druckspants ist eine relativ große Anzahl manuell auszuführender Arbeitsschritte erforderlich. Außerdem liegt es in der Natur des Autoklavbetriebes, daß zum Aushärten der Bauteile wesentlich mehr Energie aufzuwenden ist, als tatsächlich benötigt wird.

Durch die DE 25 45 929 B1 ist es weiterhin bekannt, zur Herstellung von Kunststoffanschlußelementen zur Einleitung von Kräften in ein Bauteil auf einem scheibenförmigen Formkörper Flansche zu positionieren, dann mehrere Lagen von vorimprägnierten Fasern um die Flansche und über den Formköper zu wickeln, die Faserlagen am Umfang des scheibenförmigen Formkörpers aufzutrennen und als zwei identische Anschlußelemente mit den Flanschen vom Formkörper abzunehmen, um sie dann der weiteren Verwendung zuzuführen.

Demgemäß liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen eines Druckspants der eingangs genannten Art aufzuzeigen, wodurch die Anzahl der manuellen Arbeitsschritte je Bauteil reduziert und der Autoklavbetrieb vermieden wird und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens anzugeben.

Diese Aufgaben werden durch die in den Patentansprüchen 1 und 8 angegebenen Merkmale gelöst.

Dabei ist insbesondere von Vorteil, daß je hergestellter Druckwand eine gegenüber bisherigen Lösungen geringere Anzahl von Arbeitsschritten und Einzelteilen sowie ein geringerer Energieverbrauch erforderlich ist, was sich sehr günstig auf die Herstellkosten auswirkt.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung ist anhand der Zeichnung dargestellt und nachfolgend näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 einen Formkörper,

Fig. 2 den Formkörper nach Fig. 1 mit einer Wickel­ lage,

Fig. 3 das Laminat nach Fig. 2 in räumlicher Darstel­ lung,

Fig. 4 den Formkörper nach Fig. 2 mit einem weiteren Laminat,

Fig. 5 das Laminat nach Fig. 4 in räumlicher Darstel­ lung, jedoch mit 5 Wickellagen,

Fig. 6 den Formkörper nach Fig. 4 mit GFK-Lagen,

Fig. 7 den Formkörper nach Fig. 4 mit einem Trenn­ schnitt,

Fig. 8 einen Formkörper mit kegelförmigen Bereichen und

Fig. 9 eine Vorrichtung zum Herstellen eines druck­ beaufschlagbaren Hohlkörpers.

Fig. 1 zeigt einen rotationssymmetrischen Formkörper 1, der drehfest mit einer Wickelachse 2 verbunden ist. Der Formkör­ per 1 hat annähernd die Form eines Ellipsoids und ist mit der Wickelachse 2 Bestandteil einer hier nicht näher gezeigten Wickelvorrichtung, wie sie im Prinzip zum Herstellen von druckbeaufschlagbaren Hohlkörpern bekannt sind. Der Formkör­ per 1 weist zwei Kalottenflächen 3 und 3a sowie eine Zylin­ derfläche 3b auf. Am Formkörper 1 sind zwei Flansche 4 durch Einsetzen in zur Wickelachse 2 koaxiale Aufnahmen positio­ niert. Die Flansche 4 weisen in gleichmäßiger Winkelteilung angebrachte Montagebohrungen 5 auf, was durch entsprechende Mittellinien veranschaulicht ist. Zur Herstellung des Druckspants wird der Formkörper 1 anhand der Wickelvorrich­ tung nach einem vorgegebenen Programm mit einem geeigneten Halbzeug bewickelt. Hierbei handelt es sich um ein faserhal­ tiges faden- oder bandförmiges Material, das mit einem aushärtbaren Harz in Prepreg- oder Naßtechnik behandelt ist. Die Wickelvorrichtung weist einen steuerbaren Legekopf auf, der das auf den rotierenden Formkörper 1 auflaufende Halbzeug programmgemäß führt. Der Formkörper ist elektrisch oder durch ein strömendes Medium beheizbar, wozu eine entsprechende Energieleitung über Drehverbindungen und durch die Wickelachse zum Formkörper 1 besteht. Ein Autoklav für die Härtung der Bauteile ist demzufolge nicht erforderlich.

Infolge der gewählten Gestalt des Formkörpers 1 entstehen durch jeden Wickelvorgang zwei geometrisch identische annähernd kalottenförmige Druckspante. Das Gebilde, das durch den Wickelvorgang entsteht, stellt somit einen Doppelspant dar. Als Hauptbestandteil des verwendeten Halbzeuges kommen vorzugsweise Kohlenstoff-Fasern in Betracht, da diese ein optimales Verhältnis zwischen Festigkeit und Gewicht aufweisen. Es lassen sich jedoch auch andere Faserhalbzeuge wie zum Beispiel Glas und Aramid oder eine Kombination daraus verarbeiten.

Fig. 2 zeigt den Formkörper 1 mit einem durch Wickeln aus einem bandförmigen Halbzeug gebildeten ersten Laminat 6. Die Wandstärke der gewickelten Kalotten ist nicht konstant, da das Band, das auf der Zylinderfläche 3b abgelegt wird, immer auf einem kleineren Durchmesser gewendet werden muß. Die Wandstärke des Laminats 6 nimmt daher zur Wickelachse 2 hin stetig zu, wobei der Wickelwinkel α des Bandes bei der Ablage auf dem Formkörper sich ständig vergrößert und bei der Wende den Wert von 90°, gemessen gegenüber der Wickelachse 2, erreicht. Der Wickelwinkel α auf der Zylinderfläche 3b wird bestimmt durch das Verhältnis Polöffnungsdurchmesser d bzw. Wendedurchmesser d zu Zylinderdurchmesser D nach der Beziehung

Teilt man die zylindrische Wandstärke auf mehrere geschlosse­ ne Einzellagen auf, deren Mindestwandstärke aus fertigungs­ technischen Gründen nicht kleiner als 0,2 mm betragen sollte, so kann jede Lage mit einem anderen Wickelwinkel gewickelt werden, wenn der Wenderadius von Lage zu Lage variiert wird. Unter der Annahme, daß die minimale Wandstärke des Druckspan­ tes 1,5 mm Bauteildicke betragen soll, werden für die Zylinderfläche 3b nachfolgend 5 Einzellagen von jeweils einer Dicke von 0,3 mm gewählt. Je nach Erfordernis sind natürlich auch andere Aufteilungen möglich. Setzt man für die erste Wickellage den Wenderadius r₁ = 250 mm und für den Zylinder­ radius R = 1750 mm, dann erhält man für die erste geschlosse­ ne Bedeckung nach Beziehung (1) den Wickelwinkel

α = 8,2°

Mit dieser ersten Lage werden also die Flansche 4 mit eingewickelt. Der Wandstärkenverlauf dieser Wickellage ist in Fig. 2 zu erkennen.

Fig. 3 zeigt die Ansicht A nach Fig. 2. Hier ist das Laminat 6 perspektivisch ohne die Wickelachse und die Flansche dargestellt. Unter Berücksichtigung des sich konti­ nuierlich ändernden Wickelwinkels auf dem Formkörper 1 wird die Wandstärke des erzeugten Laminats 6 als Funktion des Radius errechnet. Dabei entsteht für einen Radius von 425 mm gerade eine Wandstärke von 1,5 mm. Einsetzen der Werte r₂ = 425 mm und R = 1750 mm in Beziehung (1) liefert für die zweite Wickellage, die an der Zylinderfläche wiederum eine Wandstärke von 0,3 mm ergibt, einen Wickelwinkel von

α₂ = 14,0.

Das damit erzeugte geschlossene Laminat 7 zeigt Fig. 4. Bei der Berechnung der Wandstärke des Laminates 7 erhält man unter Addition der Wandstärke des Laminates 6 für den Radius r₃ = 750 mm eine Laminatdicke von 1,5 mm. Der Wert r₃ = 750 mm in Beziehung (1) eingesetzt, liefert den Wickel­ winkel

α₃ = 25,4°.

für ein drittes Laminat 8.

Durch analoges Vorgehen erhält man für das vierte und fünfte Laminat 9 bzw. 10

r₄ = 1100 mm; α₄ = 38,9°
und
r₅ = 1450 mm; α₅ = 56,0°.

Fig. 5 zeigt den Formkörper 1 mit allen einzelnen Lamina­ ten 6 bis 10. Dadurch, daß die Laminate 7 bis 10 jeweils auf einem größeren Durchmesser gewendet werden als das Laminat 6, werden vier konzentrische Verstärkungen ausgebildet, die in erheblichem Maße zur Versteifung des Druckspants beitragen. Hierdurch kann auf die bei Blechkonstruktionen erforderlichen Versteifungen durch T-Profile verzichtet werden.

Fig. 6 zeigt einen Ausschnitt des Formkörpers 1 mit einem an dessen Umfang angeordneten Randlaminat 11. Aus Gründen des Korrosionsschutzes besteht dieses aus elektrisch nicht leitenden Materialien, vorzugsweise aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK).

Die Herstellung des Druckspantes erfolgt in zwei Hauptschrit­ ten, und zwar in einem kunststofftechnischen Wickelvorgang mit anschließendem Härteprozeß und einer mechanischen Bearbeitung. Der Wickelvorgang umfaßt folgende Schritte:

• - Positionieren der Flansche 4. Hierbei werden die Flansche 4 in ihre Aufnahmen am Formkörper 1 eingesetzt und gesichert.
• - Aufheizen des Formkörpers 1 auf Verarbeitungstemperatur. Hierdurch wird die Viskosität des Harzes vermindert, so daß schon beim Wickeln der einzelnen Laminate Luftein­ schlüsse weitgehend vermieden werden.
• - Wickeln der einzelnen Laminate 6 bis 11 auf den annähernd ellipsoidförmigen Formkörper 1 zum Bilden eines Doppel­ spantes. Dabei wird jeweils die für das betreffende Laminat vorbestimmte Menge des Halbzeuges gemäß der entsprechenden Bauvorschrift aufgebracht.
• - Einfügen von Einlagen zur Verstärkung von Durchbrüchen während des Wickelns. Dies geschieht in den Bereichen, die später die Umgebung von Durchbrüchen bilden sollen. Hierzu wird der Wickelvorgang unterbrochen, so daß die entsprechenden Zuschnitte aus harzimprägniertem Gewebe positioniert werden können. Um die betreffenden Stellen zu finden, besitzt der Formkörper eine Nullpunktreferenz. Bei definierter Stellung des Formkörpers 1 kann die Position für die einzelnen Einlagen durch eine externe Optik, etwa durch einen Laser, auf dem Formkörper leicht und berührungsfrei angezeigt werden.
• - Einfügen von Einlagen zur Randverstärkung. Diese Verstär­ kungen mit entsprechender Faserorientierung werden am Rand des späteren Bauteils zur Reduzierung der Lochlei­ bung eingelegt.
• - Aufwickeln des Randlaminates 11. Mit diesem Arbeitsgang wird der Wickelvorgang beendet.
• - Aushärten des Doppelspantes. Nachdem der Doppelspant durch Aufwickeln aller Laminate 6 bis 11 auf den Formkör­ per 1 gebildet ist, erfolgt die Aushärtung des Harzes. Hierbei wird die Aushärtetemperatur während der Aushärte­ zeit konstant gehalten. Beim Aufheizen dehnt sich der Formkörper aus, wodurch die Fasern gestreckt werden und insbesondere die Kreuzungsbereiche der Bänder oder Fäden zusätzlich verdichtet werden. Durch das Erwärmen von innen nach außen wird ein dichtes und lunkerfreies Laminat erzeugt. Nach Abschluß der Aushärtung wird die Temperatur des Formkörpers kontrolliert auf Raumtempera­ tur zurückgefahren.

Wenn der Doppelspant ausgehärtet ist, beginnt die mechanische Bearbeitung. Diese wird zweckmäßigerweise auf dem Formkör­ per 1 durchgeführt und besteht aus dem Einarbeiten der Durchbrüche und dem Auftrennen des Doppelspantes. Zur Ausfüh­ rung der entsprechenden Arbeitsgänge ist der Verlegekopf der Vorrichtung austauschbar ausgebildet, so daß er durch einen Schneidkopf ersetzt werden kann. Der Schneidkopf weist eine Schneidvorrichtung auf, die zur Herstellung der Durchbrüche und zum Trennen der beiden Spante dient. Die Schneidvorrich­ tung kann sowohl durch eine Fräsvorrichtung mit Diamantwerk­ zeugen als auch durch eine Wasserstrahlschneidvorrichtung realisiert sein. Dabei können je nach Bedarf Scheibenfräser oder Fingerfräser verwendet werden.

Fig. 7 zeigt einen Ausschnitt des Formkörpers 1 mit den Laminaten 6 bis 10 und dem Randlaminat 11. In den Formkör­ per 1 sind zwei umlaufende Nuten 12 eingearbeitet, die mit einer Spachtelmasse 13 gefüllt sind. Zur Trennung der beiden Spante werden zwei Trennschnitte 14 angebracht, wovon nur der im Bild rechte gezeigt ist. Danach werden die beiden komplett berandeten Spante mit den eingewickelten Flanschen 4 ebenso wie das zylindrische Abfallstück vom Formkörper 1 entfernt. In einem letzten Arbeitsgang wird der eingewickelte mit Montagegewinden 5 versehene Flansch 4 jeweils mit einem hier nicht gezeigten Deckel mittels geeigneter Verbindungselemente verschlossen.

Fig. 8 zeigt schematisch einen Formkörper 1a, der außer den Kalottenflächen 3, 3a und der Zylinderfläche 3b zwei kegelförmige Bereiche 1b, 1c aufweist. Die mit diesem Formkörper 1a, hergestellten Druckspante weisen jeweils einen kegelförmigen Rand mit vorbestimmter Geometrie auf, die den konstruktiven Gegebenheiten der Rumpfstruktur am Einbauort angepaßt ist. Als Kegelform des Randes kommen üblicherweise Kreiskegel unterschiedlicher Art in Betracht.

Fig. 9 zeigt eine Gesamtansicht einer Vorrichtung 16 zur Herstellung von druckbeaufschlagten Hohlkörpern. Eine derartige Vorrichtung ist im Prinzip auch zur Herstellung des erfindungsgemäßen Druckspantes verwendbar. Die Vorrichtung 16 umfaßt einen Formkörper 1, eine Wickelachse 2, eine Steuereinheit 17, eine Antriebseinheit 18, einen Portalträger 19 und eine darauf verfahrbare Arbeitseinheit 20 mit dem Verlegekopf 21. Mit Hilfe der Steuereinheit 17 können alle zur Herstellung des Spantes erforderlichen Vorgänge automatisch ablaufen. So werden beispielsweise die Drehbewegung der Wickelachse 2 und die Führungsbewegung des Verlegekopfes 21 für jedes herstellbare Laminat per Programm koordiniert. Außerdem enthält die Steuereinheit 17 eine Temperaturregeleinrichtung, wodurch die zum Wickeln und Aushärten des Doppelspantes vorbestimmten Temperaturverläufe eingehalten werden.

Claims (12)

1. Verfahren zum Herstellen eines Druckspants für einen Flugzeugrumpf durch Wickeln eines in Prepreg- oder Naßtechnik vorimprägnierten faden- oder bandförmigen Halbzeuges auf einen Formkörper, gekennzeichnet durch folgende Arbeitsschritte

• a) Positionieren von Flanschen (4),
• b) Aufheizen des Formkörpers (1) auf Verarbeitungs­ temperatur,
• c) Wickeln der einzelnen Laminate (6) bis (10) auf den annä­ hernd ellipsoidförmigen Formkörper (1) zum Bilden eines Doppelspantes,
• d) Aushärten des Doppelspantes ohne Autoklav und
• e) Auftrennen des Doppelspantes.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch den Arbeitsschritt

• - Einfügen von Einlagen zur Verstärkung der Randbereiche und der Durchbrüche zwischen den Arbeitsschritten c) und d).

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch den Arbeitsschritt

• - Aufwickeln des Randlaminates (11) zwischen den Arbeitsschritten c) und d).

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch den Arbeitsschritt

• - Einarbeiten von Durchbrüchen zwischen den Arbeitsschritten d) und e).

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Einarbeiten von Durchbrüchen und das Auftrennen des Doppelspantes mittels einer Wasserstrahlschneidvorrichtung durchgeführt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Einarbeiten von Durchbrüchen mittels eines diamantbeschichteten Fingerfräsers durchgeführt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Auftrennen des Doppelspantes mittels eines diamantbeschichteten Scheibenfräsers durchgeführt wird.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zum Herstellen eines Druckspants für einen Flugzeugrumpf durch Wickeln eines harzhaltigen faden- oder bandförmigen Halbzeuges auf einen Formkörper, nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper (1) eine annähernd ellipsoidförmige Gestalt zum Bilden eines Doppelspantes aufweist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper (1) zwei Kalottenflächen (3, 3a) und eine Zylinderfläche (3b) aufweist, die annähernd rotationssymmetrisch zur Wickelachse (2) angeordnet sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper (1) außer den Kalottenflächen (3, 3a) und der Zylinderfläche (3b) zwei kegelförmige Bereiche (1b, 1c) aufweist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß diese eine Steuereinheit (17) zur Koordinierung der Drehbewegung der Wickelachse (2) und der Führungsbewegung des Verlegekopfes (21) aufweist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß diese eine Temperaturregel­ einrichtung aufweist.