DE19715529C1 - Sandwichstruktur für Strukturbauteile eines Flugzeuges - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Sandwichstruktur für Strukturbauteile eines Flugzeuges und
einem Herstellungsverfahren dazu gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 15.
Es sind Sandwichstrukturen bekannt, nach denen eine Kernschicht, die eine Wabenstruktur oder
eine geeignete Stützstruktur besitzt, mit Deckschichten verbunden ist. Eine derartige Konstruktion
offenbart die EP 0 389 978 A2, nach der eine Mehrschichtplatte eine Kernschicht aufweist, die
eine Honigwaben-Struktur oder offenzellige Schaumstruktur besitzt. Die Wabenstruktur besteht aus
einem kunststoffbeschichtetem Material (NOMEX-Papier), Aluminium oder thermoplastischem
Kunststoff, wogegen sich die Schaumstoffe aus Polyethersulfon oder Melamin/Formaldehyd-
Polykondensat zusammensetzen. Die Verbindung der faserverstärkten thermoplastischen Deck
schichten mit der Kernschicht wird durch Klebung gelöst. Dabei wird ein thermoplastischer
Klebstoff, der mit dem Kunststoff der Deckschichten verträglich ist, nur an den Berührungslinien
zwischen den Zellwänden der Kernschicht und der aufliegenden Deckschichten aufgetragen. Der
artige Lösungen werden auch von Hintersdorf [Gert Hintersdorf: Fertigungstechnik und Betrieb;
Heft 8; August 1962; Seiten 533-537] in einem Aufsatz beschrieben. Diesen Lösungen haftet das
Problem an, daß die in Wabenbauweise (aus den beiden Deckschichten und den dazwischenliegen
den Waben) geklebten Konstruktionen bei den üblichen Belastungen (Druck-, Schub- und Biege
beanspruchung) aufgrund der festgelegten Orientierungsrichtung entsprechende Festigkeits- und
Steifigkeitsnachteile besitzen. Ein variabeler Formteileverbund der Elemente läßt sich mit derartig
aufgebauten Sandwich-Bauteilen nicht realisieren. Es sind ferner die Druckschriften: "GB 1 274
569, GB 2 151 184 und GB 2 066 731" bekannt, die Lösungen zur Realisierung von Sandwich
strukturen vorschlagen.
Die angegebenen Lösungen schlagen keine Maßnahme vor, nach der die Festigkeits- und Steifig
keitsdefizite des Kernverbundes (hinsichtlich der Belastung auf Biege- und Schubfestigkeit)
überwunden werden, und die es gestatten, Sandwichstrukturen mit variabler Körpergeometrie
fertigungstechnisch umzusetzen.
Demzufolge liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Sandwichstruktur
derart zu gestalten, daß mit dem variablen Verbund ihrer Formteile eine den Beanspruchungen
angepaßte Druck-, Schub- und Biegefestigkeit und -steifheit erreicht wird. Dazu ist ein gattungs
gemäßes Herstellungsverfahren aufzuzeigen, mit dem man binnen weniger Verfahrensschritte
einen Formteileverbund erzielen wird, der einer den mechanischen Beanspruchungen angepaßten
Druck-, Schub- und Biegefestigkeit und -steifheit, denen die Sandwichstruktur ausgesetzt wird,
standhält.
Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1 und 15 angegebenen Maßnahmen gelöst. In
den weiteren Unteransprüchen sind zweckmäßige Ausgestaltungen angegeben.
Die Erfindung ist in einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnungen näher beschrieben.
Es zeigen
Fig. 1 die (trocken aufgebaute) Sandwichstruktur mit faserverstärkten Stegen zwischen
den Balkensegmenten einer Körpersegmentreihe;
Fig. 2 die Segmentgeometrie einer aus mehreren horizontal gereihten Balkensegmenten
gebildeten Sandwichstruktur;
Fig. 3 die Segmentgeometrie einer aus mehreren horizontal gereihten Quadersegmenten
gebildeten Sandwichstruktur;
Fig. 4 die Segmentgeometrie einer aus mehreren über- und nebeneinander liegenden
Quadratwaben-Segmenten zusammengesetzten Sandwichstruktur;
Fig. 5 die Segmentgeometrie einer aus mehreren über- und nebeneinander liegenden
Dreieckwaben-Segmenten zusammengesetzten Sandwichstruktur;
Fig. 6 die Segmentgeometrie einer aus mehreren über- und nebeneinander liegenden
Hexagonalwaben-Segmenten zusammengesetzten Sandwichstruktur;
Fig. 7 die Positionierung der Sandwichformteile (zu einer aus quadratförmigen Balken
segmenten gebildeten horizontalen Körpersegmentreihe und der ihnen aufliegenden
Decklagen) in einer Vorrichtung;
Fig. 8 die Vorrichtung mit den positionierten Sandwichformteilen nach Fig. 7 im ge
schlossenen Zustand;
Fig. 9 die Anordnung nach Fig. 8 mit einer der Vorrichtung angeschlossenen Imprägnier
mittel-Zuführeinrichtung;
Fig. 10 die Anordnung nach Fig. 9 nach geschehener Durchtränkung (der Stege und der
Decklagen) der Sandwichstruktur.
In der Fig. 1 ist der trockene Aufbau einer Sandwichstruktur für Strukturbauteile in einem
Flugzeug gezeigt. Die Sandwichstruktur besteht demnach aus einem Schaumstoffkern 1 mit steifer
Stegstruktur, dem eine faserartige Decklage 2 auf- und (auch oder) unterliegt. Der Schaumstoff
kern 1 ist aus mehreren nebeneinander liegenden Körpersegmenten 3 aufgebaut, deren Anordnung
eine horizontale Körpersegmentreihe erzielt. Der Aufbau der Körpersegmentreihe erfolgt - analog
dem Aufbau nach Fig. 2 - mit Balkensegmenten, deren schmale Segmentseitenflächen 31 zuein
ander benachbart angeordnet sind. Zwischen diesen benachbart liegenden Segmentseitenflächen 31
ist eine Faserschicht 5 geführt, die fortlaufend der Körpersegmentreihe mäanderartig (ober- oder
unterliegend) über die nächstliegende breite Segmentseitenfläche 31 geleitet wird.
Der Aufbau erfolgt derart, daß die benachbarten schmalen Segmentseitenflächen 31 den ihnen
zwischengeschichteten Bereich der Faserschicht 5 berühren. Daraus ergibt sich, daß fortlaufend
der Körpersegmentreihe sich faserbedeckte und faserunbedeckte breite Segmentseitenfläche 31 ab
wechseln, die bereichsweise ober- und unterhalb der Breitseiten der Balkensegmente auftreten.
Dabei liegt den breitseitigen Segmentseitenflächen 31 der Körpersegmentreihe die vorgenannte
Decklage 2 auf und unter.
Die (bei diesem Aufbau) eingesetzten Balkensegmente verkörpern - wie alle allgemein genannten
Körpersegmente 3 - einen hohlen Segmentkörper mit faserverstärkten Stegstrukturen, dessen
Hohlraum man vollständig mit einem Schaumstoff 4 ausgeschäumt. Demgemäß wird der Hohl
raum der Körpersegmente 3 mit einem Schaumstoff 4 befüllt, der auf Duromerschäumen, vorzugs
weise mit Phenol- oder Polyimidschaum, oder Thermoplastschäumen, vorzugsweise Polyethere
mid- oder Polyethersulfonschaum, basiert.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, daß man (allgemein) Körpersegmente 3 einsetzt, die aus
einem Hartschaumstoffblock herausgeschnitten werden. Diese Körpersegmente 3 bestehen nur aus
Schaumstoff, sind also nicht immer ausgeschäumte Hohlkörper.
Derartig genannte Körpersegmente 3 werden auch als Schaumstoffsegment bezeichnet.
Den faserunbedeckten breitseitigen Segmentseitenflächen 31 der Körpersegmentreihe kann zusätz
lich eine Faserdeckschicht aufgelegt und/oder unterlegt sein.
Die Faserschicht 5, die Faserdeckschicht und die faserartigen Decklagen 2 bestehen beispielgemäß
aus einem Gewebe oder gewebeartigen Material. Diese Schichten und die Decklagen 2 lassen sich
(bei einer derartigen Sandwichstruktur) alternativ auch mit einem Unidirektionalfasergebilde,
einem Gestricke, einem Gewirke oder mit Fasermatten realisieren, deren Faserngebilde aus
Glasfasern, Kohlenstoffasern, Polymerfasern, vorzugsweise Aramidfasern, Polyethylenfasern und
Polyamidfasern, oder Naturfasern, vorzugsweise Ramie und Baumwolle, zusammengesetzt ist.
Das (mäanderartig geführte) Gewebe der Faserschicht 5, das Gewebe der Decklagen 2 (auch
Decklagengewebe bezeichnet) und - bei zusätzlicher Auflage - das Gewebe der Faserdeckschicht
wird beispielgemäß mit einem Glasgewebe oder glasartigem Gewebe ausgeführt, da die Glas- oder
glasartigen Fasern durch ihre Gewebe- (und Gestrick)fähigkeit für diesen Aufbau besonders
geeignet sind.
Es wird ergänzt, daß Glasfasern für derartige Sandwichbauweisen nicht mehr oder weniger
geeignet sind als die anderen Fasern. Sie werden beispielgemäß eingesetzt, da ihr Preis/Leistungs
verhältnis (unter wirtschaftlichem Aspekt) den Bedürfnissen der Bauteile der Innenausstattung
besonders gut entspricht.
Nach einem (später beschriebenen) Behandlungsprozeß, dem der trockene Aufbau der Sandwich
struktur unterzogen wird, sind die Gewebeschichtbahnen (der Faserschicht 5, der Faserdeck
schicht) mit den faserbedeckten Segmentseitenflächen 31 der Balkensegmente (d. h. mit der
Segmentoberfläche) und das Decklagengewebe (der Decklagen 2) mit dem mäanderartig geführten
Gewebe (der Faserschicht 5) verklebt.
Auch ohne zusätzliche Auflage der Faserdeckschicht erfolgt eine Verklebung des Decklagengewe
bes (der Decklagen 2) mit den gewebeunbedeckten Bereichen der Körpersegmentreihe.
Die Gewebeschichtbahnen und das (die) Decklagengewebe bilden - nach Abschluß des Behand
lungsprozesses - mit den Balkensegmenten (der Körpersegmentreihe) einen linienförmigen seg
mentversteiften Verbund. Dabei bilden die Gewebezwischenlagen, welche (gemäß dem später
beschriebenen Behandlungsprozeß) hernach mit Harz imprägniert und danach ausgehärtet werden,
Versteifungsstege. Die Bauteile mit einer derartig ausgehärteten Sandwichstruktur besitzen gegen
über bekannten Sandwichkonstruktionen den Vorteil, daß mit dem linienförmigen segmentver
steiften Verbund eine den Beanspruchungen angepaßte Druck-, Schuh- und Biegefestigkeit und -
steifheit ihrer Sandwichstruktur erreicht wird. Dieses Ergebnis wirkt auch bei der Belastbarkeit
der Randbereiche der Konstruktion, beispielsweise den Hatrackrändern, vorteilhaft.
Der in der Fig. 2 gewählte (trockene) Aufbau ergänzt die vorangestellten Darstellungen. Es
werden die zu einer Körpersegmentreihe formierten Balkensegmente, die in horizontaler Ebene
angeordnet sind. Die als Körpersegmente 3 eingesetzten Balkensegmente sind - im Unterschied der
Anordnung nach Fig. 1 - breit- und schmalseitig entlang dem gestreckten Längsverlauf vollständig
von einer als Gewebeschicht ausgeführten Faserschicht 5 (strumpfartig) umhüllt. Dabei ist den
breiten Segmentseitenflächen 31 eine als gewebeartig ausgeführte Decklage 2 auf- und unterlegt.
Aufgrund der nicht mäanderartigen Führung der Faserschicht 5 berühren sich die den schmalen
Körpersegmentseitenflächen 31 der Balkensegmente aufliegenden Bereiche der Faserschicht 5,
sofern die Schmalseiten der Balkensegmente nebeneinander liegend einander anstoßen. Die
Balkensegmente sind gleichartig denen nach Fig. 1 mit einem Schaumstoff 4 vollständig ausge
schäumt. Nach Abschluß der (später beschriebenen) Behandlungsmethode dieses trockenen
Sandwichaufbaus sind die Gewebeschichtbahnen (die Bereiche der Faserschicht 5) mit den faserbe
deckten Segmentseitenflächen 31 der Balkensegmente (d. h. mit der Segmentoberfläche) und das
Decklagengewebe (der Decklagen 2) mit dem Gewebe (der Faserschicht 5) verklebt.
Die Gewebeschichtbahnen und das (die) Decklagengewebe bilden - nach Abschluß des Behand
lungsprozesses - mit den Balkensegmenten (der Körpersegmentreihe) einen linienförmigen seg
mentversteiften Verbund. Die angegebenen Belastungs-Vorteile der dermaßen realisierten Bauteile
mit einer derartig ausgehärteten Sandwichstruktur werden mit dem Realisierung des genannten
linienförmigen segmentversteiften Verbundes gleichermaßen erreicht.
Eine weitere Möglichkeit der Ausführung derartiger belastungsstabiler Sandwichstrukturen wird
mit dem (trockenen) Aufbau der Sandwich-Anordnung nach Fig. 3 erreicht. Im Unterschied der
Lösungen nach den Fig. 1 und 2 werden hier Körpersegmente 3 eingesetzt, die als Quader
segment ausgeführt sind. Dabei sind gleichfalls die schmalen und breiten Körpersegmentseiten
flächen 31 vollständig mit der als Gewebeschicht ausgeführten Faserschicht 5 (strumpfartig)
überzogen. Aufgrund der nicht mäanderartigen Führung der Faserschicht 5 berühren sich die den
schmalen Körpersegmentseitenflächen 31 der Quadersegmente aufliegenden Bereiche der Faser
schicht 5, sofern die vertikal angeordneten Schmalseiten der Quadersegmente nebeneinander
liegend einander anstoßen und eine erste horizontale Körpersegmentreihe bilden. Gleichermaßen
ist eine zweite Körpersegmentreihe horizontal aufgebaut. Nach dieser Ausführung erfolgt eine
vertikale Berührung der breiten Körpersegmentflächen 31 der beiden Körpersegmentreihen. Dabei
berühren jeweils zwei einander anstoßende schmale Körpersegmentseitenflächen 31 der ersten
Körpersegmentreihe jeweils eine breite Körpersegmentfläche 31 der zweiten Körpersegmentreihe.
Die Berührung der versetzt angeordneten vertikalen Körpersegmentseitenflächen 31 erfolgt
demnach im T-Stoß. Dem horizontalen Aufbau der Körpersegmentreihen ist aufliegend der
gewebeunbedeckten Seitenflächen 31 jeweils ein Decklagengewebe 2 ober- und unterführt. Es ist
vorteilhaft, den gewebeunbedeckten Bereich der Körpersegmentreihen mit einer Faserdeckschicht
zu bedecken.
Der Hohlraum der Quadersegmente ist gleichartig (den vorangestellten Ausführungen) mit einem
Schaumstoff 4 vollständig ausgeschäumt.
Nach Abschluß der (später beschriebenen) Behandlungsmethode dieses trockenen Sandwichaufbaus
sind die Gewebeschichtbahnen (die Bereiche der Faserschicht 5 und der Faserdeckschicht) mit den
faserbedeckten Segmentseitenflächen 31 der Quadersegmente (d. h. mit der Segmentoberfläche)
und das Decklagengewebe (der Decklagen 2) mit den gewebeunbedeckten Bereichen [oder mit den
faserdeckschichtigen Bereichen] der Körpersegment(doppel)reihe(n) verklebt.
Die Gewebeschichtbahnen und das (die) Decklagengewebe bilden - nach Abschluß des Behand
lungsprozesses - mit den Quadersegmenten [der Körpersegment(doppel)reihe(n)] einen linienförmi
gen segmentversteiften Verbund. Die angegebenen Belastungs-Vorteile der dermaßen realisierten
Bauteile mit einer derartig ausgehärteten Sandwichstruktur werden mit dem Realisierung des
genannten linienförmigen segmentversteiften Verbundes gleichermaßen erreicht.
Die Fig. 4 bis 6 zeigen eine Auswahl ausführungsgemäßer Schaumstoffsegmentgeometrien. Es
handelt sich dabei um mehrreihig aufgebaute (trockene) Sandwichstrukturen mit Schaumstoff
kernwerkstoffen, die faserverstärkte Stegstrukturen aufweisen. Danach werden in der Fig. 4
Quadrat-Wabensegmente (Würfel-Segmente), in der Fig. 5 Dreieck-Wabensegmente und in der
Fig. 6 Hexagonal-Wabensegmente, die beispielsweise strumpfartig mit einer als Gewebeschicht
ausgeführten Faserschicht 5 überzogen sind, gezeigt, die über- und nebeneinander liegend an
geordnet sind und eine (aus mehreren horizontalen Körpersegmentreihen gebildete) integrierte
horizontale Körpersegmentreihe ergeben. Ober- und unterliegend der horizontalen gewebebedeck
ten Oberfläche der integrierten Körpersegmentreihe wird (kann vorteilhafterweise) gleichermaßen
jeweils ein Decklagengewebe (der Decklage 2) aufliegen.
Die Segmentgeometrie der Körpersegmente 3 ist bei diesen Ausführungen (und auch allgemein
bezogen) äußerlich körperlich verschieden, die vorzugsweise eine waben-, quader- oder würfelför
mige Gestalt besitzen, deren Segmentquerschnitt vieleckig, zumindestens acht-, sechs-, vier- oder
dreieckförmig, ausgebildet ist.
Es wird (allgemein auf alle Ausführungen bezogen) ergänzt (aber figurlich nicht gesondert offen
bart), daß es bei derartigen Sandwichstrukturen vorteilhaft ist, wenn die Segmentseitenflächen 31
eine konvexe oder konkave Form besitzen, wobei die innerhalb der Körpersegmentreihe positio
nierten Körpersegmente 3 einen schubfesten Segmentverbund bilden.
Ebenso ist es von Vorteil, daß die Körpersegmente (3) zueinander konkordant sind und die
Körpersegmentreihe durch Segmentverbundpflasterung (ähnlich der Art einer Verbundsteinpflaste
rung) gebildet ist.
Auch bei den Ausführungen nach den Fig. 4 bis 6 ergibt die zwischen den Segmentseiten
flächen 31 zwischengeschichtete Faserschicht 5 und die der faser- (bzw. gewebe)bedeckten Ober
fläche horizontal aufliegende Gewebelage (der Decklage 2) nach erfolgter Aushärtung der (nach
folgend beschriebenen) Faserimprägnierung einen Zwischenlagen-Fasersteg mit steifer Stegstruk
tur. Die angegebenen Belastungs-Vorteile der dermaßen realisierten Bauteile mit einer derartig
ausgehärteten Sandwichstruktur werden mit dem Realisierung des genannten linienförmigen
segmentversteiften Verbundes gleichermaßen erreicht.
Unter Bezug auf die Fig. 7 bis 10 wird nachfolgend die Behandlungsmethode der vorbeschrie
benen Ausführungen zur Erlangung einer ausgehärteten Sandwichstruktur mit dem einem linien
förmigen segmentversteiften Verbund geschildert.
Es wird ein Verfahren zur Herstellung einer Sandwichstruktur für Strukturbauteile eines Flugzeu
ges, das auf den Aufbau der (trockenen) Sandwichstruktur (nach Fig. 4) zurückkommt.
Danach werden mehrere als Würfelsegmente ausgeführte Körpersegmente 3 horizontal nebenein
ander angeordnet, deren Hohlraum man in einem vorgelagerten Prozeß mit Schaumstoff 4 voll
ständig ausschäumt, um Schaumstoffsegmente zu erzielen. Diese Schaumstoffsegmente werden
- gemäß der Darstellung nach Fig. 7 (und wie bereits vorbeschrieben) mit einer Faserschicht 5
bedeckt, genauer - (strumpfartig) mit Glasgewebe bedeckt oder mit Glasgewebestrümpfen über
zogen. Die eine horizontale Körpersegmentreihe bildenden Schaumstoffsegmente werden innerhalb
einer geschlossenen Vorrichtung (geschlossene Gestalt nicht dargestellt), die horizontal angeord
nete Wandungen 61, 62 aufweist. Dabei werden mehrere Schaumstoffsegmente mit der Glas-
oder glasartigen Faserschicht 5 überzogen. Sie werden in der Vorrichtung 6 derart zu einer
horizontalen Körpersegmentreihe zusammengesetzt, daß sich die Segmentseitenflächen 31 mit der
Faserschicht 5 (den inneren Glasfaserflächen) stegartig berühren.
Den Körpersegmenten 3 der Körpersegmentreihe wird auf der nicht faserverstärkten vertikalen
Oberfläche eine faserartige Deckschicht (Glasgewebe) aufgelegt und danach - wie aus Fig. 8 (ohne
Darstellung des geschlossenen Wandungsbereiches) - der gesamte Aufbau innerhalb der Vor
richtung vollständig abgedichtet verschlossen.
Dem innerhalb der Vorrichtung 6 befindlichen trockenen Sandwich-Aufbau wird - wie in Fig. 9
dargestellt - ein Imprägniermittel 8, das eine Imprägniermittel-Zuführeinrichtung 7 unter Druck
über eine Rohr- bzw. Schlauchleitung, die einem der Wandung 62 installierten Rohr- bzw.
Schlauchleitungsanschluß angeschlossen ist, zuleitet (genauer: injiziert), das eine Durchtränkung
der unterhalb der Körpersegmentreihe liegenden faserartigen Decklage 2 (Glasgewebeschicht)
auslöst. Dabei wird - wie aus Fig. 10 (abschließend der Behandlung) ersichtlich - das Imprägnier
mittel 8, welches man als Harz oder harzartige Substanz injiziert, entlang dem stegartigen Verlauf
der Gewebeschicht 5 in die oberhalb der Körpersegmentreihe liegende gewebeartige Decklage 2
aufsteigen, wodurch diese durchtränkt wird.
Der Verfahrensschritt wird allgemein als Harzinjektion bezeichnet, die bishin eine vollständige
Durchtränkung der gewebeartigen Decklagen 2 inclusive der vertikalen Gewebestege bis in die
obere Decklage 61 infolge des aufsteigenden Harzes erreicht.
Seitlich und oberhalb der (nicht gezeigten) vertikalen Wandungsbereiche der Vorrichtung 6 sind
Entlüftungskanäle (wenigstens ein Entlüftungskanal) herausgeführt. Somit zeigt ein beginnender
Imprägniermittel-Austritt (Harzüberschuß) die vollständige Durchtränkung der Gewebebahnen (der
Faserschicht 5 (Glasgewebe) und der faserartige Deckschicht (Glasgewebe) an. Die Injektion wird
abgebrochen und der Härteprozeß eingeleitet. Nach vollständiger Durchtränkung der Glasgewebe
schichten wird die Injektion abgebrochen und deren Härteprozeß eingeleitet, infolge dessen sich
nach deren Aushärtung ein linienförmiger segmentversteifter Verbund der Körpersegmente
einstellen wird.
Es wird ergänzt, daß vor dem Einsetzen des Härteprozesses der imprägnierte Aufbau durch einen
innerhalb der Vorrichtung aufgebauten Druck gepreßt wird. Danach wird der Härteprozeß durch
Wärmezufuhr eingeleitet.
Die Wärmezufuhr wird durch direkte Beheizung des imprägnierten Aufbaus mittels vorrichtungs
interner (nicht dargestellter) installierter Heizelemente geschehen. Eine weiter Möglichkeit der
Wärmezufuhr besteht durch indirekte Beheizung des imprägnierten Aufbaus vermittels abgegebe
ner Kontaktwärme. Die Kontaktwärme wird über externe Wärmespender der (Wandung der)
Vorrichtung aufgespeichert und von dort auf den Aufbau übertragen.
Eine gute Gewebeimprägnierung ohne Harzüberschuß in den Stegen (Faserschicht 5, faserartige
Deckschicht) und Decklagen 2 läßt sich dermaßen umsetzen, wonach die Durchtränkung in der
stegartig verlaufenden Faserschicht 5 und in den gewebeartigen Decklagen 2 ohne Imprägnier
mittelüberschuß durchgeführt wird, die dann durch eine thermische Expansion der schaumstoff
gefüllten Körpersegmente 3 während des Härteprozesses unterstützt wird.
Mittels dieser Behandlungsmethode(n) lassen sich Sandwichbauteile erzeugen, deren Eigenschaften
den Anforderungen (verschiedenen mechanischen Belastungen) weitestgehend angepaßt werden
können. So sind für derartige Bauteile (Sandwichstrukturen) primär die auf Biegung und Schub in
einer Orientierungsrichtung beanspruchten linienförmigen Stegstrukturen vorteilhaft. Dabei wird
die Geometrie der Schaumstoffsegmente den Forderungen des Bauteils oder des Bauteilbereichs
angepaßt. Die Größe der Körpersegmente 3 und der daraus resultierende Stegabstand sind dabei
wichtige Einflußgrößen hinsichtlich der Steifigkeit, aber auch der Segmentdichte innerhalb einer
Körpersegmentreihe. Das Erreichen der Kombination von steifen Stegstrukturen mit einem
schaumstoffgefüllten Wabenaufbau und die Erzielung geschlossener Oberflächen bei derartigen
Sandwichstrukturen stellen Ergebnisse dar, die für den Flugzeugbau besonders interessant sind.
Sie werden dadurch bereichert, wonach eine automatische Positionierung der einzelnen Schaum
stoffsegmente zu einem Plattenverbund die Herstellung derartiger Sandwichbauteile für Struktur
bauteile eines Flugzeuges, beispielsweise für die Innenausstattung, wirtschaftlich beeinflußt.
1
Schaumstoffkern
2
Decklage; faserartig, gewebeartig
3
Körpersegment
31
Segmentseitenfläche
4
Schaumstoff
5
Faserschicht; Gewebeschicht
6
Vorrichtung; geschlossen
61
Wandung
62
Wandung
7
Imprägniermittel-Zuführeinrichtung
8
Imprägniermittel; Harz
9
Gewebeimprägnierung
Claims (19)
1. Sandwichstruktur für Strukturbauteile eines Flugzeuges, bestehend aus einem Schaum
stoffkern (1) mit steifer Stegstruktur, dem mehrere Decklagen (2) aufliegen,
dadurch gekennzeichnet, daß
- 1. - der Schaumstoffkern (1) aus mehreren hohlen Körpersegmenten (3), deren Hohlraum vollständig mit Schaumstoff (4) ausgeschäumt ist, oder aus mehreren massiven Körperseg menten (3), die aus einem Hartschaumstoff bestehen, gebildet ist,
- 2. - die Körpersegmente (3) über- und/oder nebeneinander liegen, wobei sie eine Körper segmentreihe bilden, innerhalb der zwischen den Segmentseitenflächen (31) der benach barten Körpersegmente (3) mäanderartig eine Faserschicht (5) geführt ist, die fortlaufend der Körpersegmentreihe zwischen den benachbarten Körpersegmenten (3) zwischenge schichtet liegt, so daß die Segmentseitenflächen (3) der Körpersegmente (3) bereichs weise faserbedeckt - oder -unbedeckt sind, derart, daß die faserbedeckten Segmentseiten flächen (31) die Faserschicht (5) oder die faserunbedeckten Segmentseitenflächen (31) sich berühren und die Körpersegmentreihe mit der zwischengeschichtenen Faserschicht (5) eine Körpersegmentplatte ergibt, auf der plattenober- und -unterseitig eine faserartige Decklage (2) angeordnet ist,
- 3. - die Faserschicht (5) und die faserartige Decklage (2) vollständig mit einem Imprägnier material durchtränkt sind, derart, daß nach der erfolgten Aushärtung der Faserimpräg nierung eine Verklebung der Faserschicht (5) mit den faserbedeckten Segmentseitenflächen (31) und den faserbedeckten Bereichen der Körpersegmentplatte eintritt und die Verkle bung der faserartigen Decklage (2) mit der Faserschicht (5), die den faserbedeckten Bereichen der Körpersegmentplatte aufliegt, und den faserunbedeckten Segmentseiten flächen (31) erfolgt, wodurch ein linienförmiger segmentversteifter Plattenverbund der Körpersegmente (3) eintrifft.
2. Sandwichstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Körpersegmentplatte bei vertikaler Anordnung der nebeneinander liegenden Körperseg
mente (3) plattenober- und -unterseitig mit einer Faserdeckschicht bedeckt ist, die mit der
Körpersegmentplatte und der ihr aufliegenden faserartigen Decklage (2) verklebt ist.
3. Sandwichstruktur nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
Körpersegmentplatte bei horizontaler Anordnung der über- und/oder nebeneinander
liegenden Körpersegmente (3) plattenober- und -unterseitig faserunbedeckte Bereiche
aufweist, die mit der Faserdeckschicht bedeckt sind, die mit der Körpersegmentplatte und
der ihr aufliegenden faserartigen Decklage (2) verklebt ist.
4. Sandwichstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Segmentgeometrie der Körpersegmente (3) äußerlich körperlich verschieden ist, die
vorzugsweise eine waben-, quader- oder würfelförmige Gestalt besitzen, deren Segment
querschnitt vieleckig, zumindestens acht-, sechs-, vier- oder dreieckförmig, ausgebildet ist.
5. Sandwichstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Segmentseitenflächen (31) eine konvexe oder konkave Form besitzen, wobei die innerhalb
der Körpersegmentreihe positionierten Körpersegmente (3) einen schubfesten Segmentver
bund bilden.
6. Sandwichstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Körpersegmente (3) zueinander konkordant sind und die Körpersegmentreihe durch
Segmentverbundpflasterung gebildet ist.
7. Sandwichstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Körpersegmentreihe aus mehreren Balken- oder Quadersegmenten zusammengesetzt ist,
die sich durch die horizontale Aneinanderreihung der Balkenseitenflächen ergibt.
8. Sandwichstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
zwischen den Segmentseitenflächen (31) zwischengeschichtete Faserschicht (5) nach
erfolgter Aushärtung der Faserimprägnierung einen Zwischenlagen-Fasersteg mit steifer
Stegstruktur ergibt.
9. Sandwichstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Faserschicht (5) und die faserartige Decklage (2) nach erfolgter Aushärtung der Faser
imprägnierung eine faserverstärkte Stegstruktur ergibt.
10. Sandwichstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Faserschicht (5) und die faserartige Decklage (2) mit einem Harz oder einem harzartiges
Material durchtränkt ist.
11. Sandwichstruktur nach den Ansprüchen 1 und 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Faserschicht (5), die Faserdeckschicht
und die faserartige Decklage (2) aus einem Gewebe, einem Unidirektionalfasergebilde,
einem Gestricke, einem Gewirke oder aus Fasermatten bestehend ist, deren Faserngebilde
aus Glasfasern, Kohlenstoffasern, Polymerfasern, vorzugsweise Aramidfasern, Poly
ethylenfasern und Polyamidfasern, oder Naturfasern, vorzugsweise Ramie und Baumwolle,
zusammengesetzt ist.
12. Sandwichstruktur nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die
Faserschicht (5), die Faserdeckschicht und die faserartige Decklage (2) mit einem gewebe-
und/oder gestrickfähigem Material realisiert ist.
13. Sandwichstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
faserunbedeckte Seitensegmentfläche (31) des einem Körpersegment (3) nebenliegenden
Körpersegmentes (3) der Körpersegmentreihe mit einer Faserdeckschicht bedeckt ist.
14. Sandwichstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
Schaumstoff (4) der hohlraumbeschäumten Körpersegmente (3) mit Duromerschäumen,
vorzugsweise mit Phenol- oder Polyimidschaum, oder mit Thermoplastschäumen, vorzugs
weise Polyetheremid- oder Polyethersulfonschaum, realisiert ist.
15. Verfahren zur Herstellung einer Sandwichstruktur nach Anspruch 1,
gekennzeichnet durch folgende Schritte:
- a) Mehrere schaumstoffgefüllte Körpersegmente oder Hartschaumstoff-Körperseg mente werden mit einer Faserschicht überzogen und in einer geschlossenen Vor richtung derart zu einer Körpersegmentreihe zusammengesetzt, daß sich die Seg mentseitenflächen mit der Faserschicht stegartig berühren,
- b) den Körpersegmenten der Körpersegmentreihe wird auf der nicht faserverstärkten horizontalen Oberfläche eine faserartige Deckschicht aufgelegt und danach der gesamte Aufbau innerhalb der Vorrichtung vollständig abgedichtet verschlossen,
- c) dem innerhalb der Vorrichtung befindlichen Aufbau wird ein extern zugeführtes Imprägniermittel injiziert, das eine Durchtränkung der einseitig der Körperseg mentreihe liegenden faserartigen Decklage auslöst, wobei das Imprägniermittel entlang dein stegartigen Verlauf der Gewebeschicht in die gegenüberliegende Körpersegmentreihe liegende gewebeartige Decklage aufsteigen wird, wodurch diese durchtränkt wird,
- d) nach vollständiger Durchtränkung der Faserschicht und der faserartigen Decklagen wird die Injektion abgebrochen und deren Härteprozeß eingeleitet, infolge dessen sich nach deren Aushärtung ein linienförmiger segmentversteifter Verbund der Körpersegmente einstellen wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Ein
setzen des Härteprozesses der imprägnierte Aufbau durch einen innerhalb der Vorrichtung
aufgebauten Druck gepreßt wird und danach der Härteprozeß durch Wärmezufuhr einge
leitet wird.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärme
zufuhr durch direkte Beheizung des imprägnierten Aufbaus mittels vorrichtungsinterner
installierter Heizelemente geschehen wird.
18. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärme
zufuhr durch indirekte Beheizung des imprägnierten Aufbaus vermittels abgegebener
Kontaktwärme, die der Vorrichtung extern aufgespeichert wird, geschehen wird.
19. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Durch
tränkung in der stegartig verlaufenden Faserschicht und in den faserartigen Decklagen
ohne Imprägniermittelüberschuß durchgeführt wird, die dann durch eine thermische
Expansion der schaumstoffgefüllten Körpersegmente während des Härteprozesses unter
stützt wird.
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